L'Électron positif

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L'Electron positif
written by Paul Langevin
1934
  • L'ÉLECTRON POSITIF


  • Communication présentée en séance publique de la Société française des Électriciens, le samedi 3 février 1934,
  • Président entrant.

La découverte expérimentale de l'électron positif, l'étude de ses propriétés et des circonstances de son apparition sont dues aux travaux de MM. Anderson, Blackett et Occhialini, d' Irène Joliot-Curie et Frédéric Joliot-Curie, de M. J. Thibaud, etc. Les relations avec les autres constituants de la matière, électron négatif, proton, neutron et avec les photons interviennent dans les questions les plus fondamentales de la physique moderne, en particulier dans celles qui concernent les transformations de matière en lumière et réciproquement. Cette découverte est venue apporter une confirmation remarquable à la théorie de l'électron de M. Paul Dirac qui prévoit l'existence de l'électron positif et le caractère éphémère de cette existence.

MES CHERS COLLEGUES,

Pour me conformer à la tradition, qui veut que le Président entrant donne l'exemple et vous apporte la première communication consécutive à son introduction, je viens, en restant — comme le veut également l'usage — dans ma spécialité, vous parler du « dernier-né » de la physique moderne : l'électron positif, découvert il y a un an. Quand je l'appelle « le dernier-né », c'est peut-être déjà un peu périmé, en ce sens que nous entendons maintenant parler d'un neutrino; mais celui-ci n'a pas encore son acte de naissance constitué, et je vais me limiter ici à ce qui concerne l'électron positif, en vous prévenant que l'exposé d'aujourd'hui doit simplement servir d'introduction à des communications que j'espère vous obtenir dans le,courant de l'année, en qualité de Président, de la part des jeunes physiciens français qui ont apporté une contribution très importante, comme je vais vous le rappeler, à la découverte ou à l'étude des propriétés de l'électron positif. Je pense, en particulier, à Irène Curie et à son mari, Frédéric Joliot, qui travaillent à l'Institut du Radium, et à Jean Thibaud, qui travaille au Laboratoire de M. Maurice de Broglie. Ils ont bien voulu m'autoriser à vous rappeler leur contribution en même temps que celles de savants étrangers. Je les en remercie et, encore une fois, je ne considère ce que je vais vous dire que comme une sorte d'introduction destinée à faciliter leur tâche quand ils viendront vous rapporter les résultats nouveaux qu'ils obtiennent hebdomadairement ou même quotidiennement. La vitesse avec laquelle les choses évoluent fait qu'il n'est peut-être pas superflu de faire le point aujourd'hui pour préparer ce qui suivra dans un délai certainement très rapproché.


1. L'ÉLECTRON NÉGATIF.


Pour vous parier de l'électron positif, il est indispensable que je vous rappelle, en quelques mots, ce qui concerne son frère aîné, l'électron négatif, qui, lui, a un peu plus de trente ans. Nous commençons déjà à avoir des indications assez précises à son sujet, et sa découverte s'est montrée d'une importance de premier ordre au point de vue de notre compréhension des phénomènes électriques. Vous savez que cet électron négatif est issu de la découverte imposée pour des raisons expérimentales et aussi pour des raisons théoriques — de la structure granulaire des charges électriques; du fait, expérimental d'abord, théorique ensuite, que la charge électrique d'un corps est toujours un multiple entier d'une certaine charge élémentaire que nous pouvons appeler le grain naturel d'électricité. Vous savez que l'étude des gaz conducteurs, qui a suivi la découverte des rayons de Roentgen, a permis de mettre en évidence expérimentalement cette structure, en montrant que toutes les particules électrisées, que nous imaginions dans les gaz pour expliquer leur conductibilité (comme on avait imaginé antérieurement pour les électrolytes) avaient toutes une même charge en valeur absolue ou un Multiple entier très simple, positif ou négatif, de cette charge; On a pu saisir individuellement ces grains d'électricité grâce à l'admirable méthode, due à Wilson, que nous appelons méthode de condensation, et dont je vais avoir à vous rappeler l'usage dans la découverte de l'électron positif. Vous savez que, quand on produit une détente brusque d'une masse de gaz saturée de vapeur d'eau, la condensation se produit très difficilement s'il n'y a pas de poussières dans le gaz; mais elle est facilitée par la présence de ce que nous appelons des ions, ces particules électrisées qui expliquent la conductibilité. Sur l'ion, la goutte se forme, et, la goutte devenant visible, on peut suivre ses déplacements dans un champ électrique ou, en l'absence de champ électrique, sous l'action de la pesanteur seule, et l'on peut déduire de là, par les méthodes imaginées d'abord par Townsend et par Joseph John Thomson et appliquées avec une précision tout à fait extraordinaire par Millikan, la mesure de sa charge électrique. On constate ainsi que cette charge élémentaire, charge d'un ion dans le gaz lorsque l'ion est monovalent ou bien moitié de cette charge quand il est divalent, que cette charge que nous appellerons e est égale, en valeur absolue, à 4,774.10(-10) unité C. G. S. électrostatique. Cette charge peut être positive ou négative et je mettrai le signe + ou -

+- epsilon = 4,77.10(-10) unité C. G. S. électrostatique.

Voilà le premier fait expérimental. La découverte de l'électron négatif a résulté de l'étude plus poussée, plus précise de certains phénomènes d'émission de charges électriques négatives par la matière, soit sous la forme de rayons cathodiques : quand une cathode est bombardée par ce que nous appelons les rayons positifs, il en sort un flux d'électricité négative ou rayons cathodiques; soit sous la forme des phénomènes thermioniques, dont on fait large-ment usage en radiotechnique; des phénomènes photoélectriques : émission de charges électriques par la matière lorsqu'elle est rencontrée par une lumière de fréquence suffisamment élevée, par des photons d'énergie suffisante; il y a également émission spontanée de charges négatives par la matière dans le cas des substances radioactives qui émettent ce qu'on appelle les rayons beta. On a pu identifier les particules qui constituent toutes ces émissions et constater qu'elles sont toujours pareilles les unes aux autres. Elles représentent ce qu'on appelle l'électron négatif, dont on a pu non seulement mesurer la charge (puisqu'une émission négative arrêtée dans un gaz y donne des particules électrisées et les gouttes qui s'y associent portent bien une charge négative égale à -epsilon), mais on a pu, aussi en déterminer la masse par les méthodes que vous connaissez bien. L'émission négative sous forme d'un grain -epsilon. est animée d'une certaine vitesse v et représente un courant de convection. En présence d'un champ magnétique H, que nous supposerons perpendiculaire à la direction de la vitesse, l'électron est soumis à une force perpendiculaire à la vitesse et au champ. Cette force a pour grandeur H*e*v si e représente de manière générale la charge de la particule. La courbure, inverse du rayon de courbure, de la trajectoire est par suite égale à

(H*e)/(m*v),

c'est-à-dire au produit de l'intensité du champ magnétique par la charge de la particule, divisé par la quantité de mouvement de celle-ci. Cette courbure est ainsi d'autant plus grande, toutes choses égaies d'ailleurs, que la vitesse est plus petite. Ceci donne une relation entre le rapport de la charge à la niasse de la particule et sa vitesse. Une autre relation entre ces deux quantités peut être connue, soit si l'on sait sous quelle différence de potentiel la particule a été lancée, soit si l'on observe la déviation de sa trajectoire dans un champ électrique connu. On peut ainsi calculer pour toutes les émissions négatives que j'ai énumérées tout à l'heure, et l'on trouve toujours la même valeur — du moins quand la vitesse des particules qui constituent ces émissions ne dépasse pas le dixième de la vitesse de la lumière. Quand elles sont plus rapides, on constate que la valeur e/m diminue et diminue comme le prévoit la théorie de la relativité, c'est-à-dire que la masse augmente avec la vitesse suivant la relation d'après laquelle la masse m sous la vitesse v est égale à:

m(0)/[sqrt(1-(v^2)/(c^2))]

Dans cette formule, m(0) représente la masse initiale ou masse propre de la particule et c la vitesse de la lumière. Elle a été très bien vérifiée expérimentalement par les travaux de Charles-Eugène Guye et de ses collaborateurs. On obtient ainsi le rapport et, puisque nous connaissons e, qui est égal à epsilon, nous en déduisons la valeur de la masse m(0) de ce que nous appelons le corpuscule cathodique ou l'électron négatif. Cette masse, en grammes, est égale à 0,9.10(-27) c'est-à-dire environ 1800 fois plus petite que la masse de l'atome d'hydrogène et, par conséquent, beaucoup plus petite que la masse de tous les autres atomes. Ceci a fait naturellement considérer cet électron (qu'on peut faire sortir de toute espèce de matière) comme un constituant général de la matière, comme un élément commun à la structure de tous les atomes.


2. L'ATOME NUCLÉAIRE.


Cette conception s'est précisée ensuite, comme vous le savez, par la la découverte de ce qu'on appelle la structure nucléaire de l'atome. Grâce aux admirables travaux de Lord Rutherford et de son école, nous savons que les atomes sont constitués par un noyau dont les dimensions sont à peu près 10 000 fois plus petites que ce qu'on appelle de les dimensions de l'atome (le rayon de l'atome est de l'ordre de 10(-8) cm, alors que les dimensions du noyau sont de l'ordre de 10(-12) cm). Ce noyau est électrisé positivement et, comme toute particule électrisée, sa charge doit être un multiple entier de notre élément epsilon pris positivement. On désigne par le nombre atomique Z, le facteur entier par lequel il faut multiplier la charge epsilon pour avoir la charge positive du noyau.

Ce nombre, observé par diverses méthodes, a conduit à ce résultat remarquable que le nombre atomique est égal au rang de l'atome dans la classification des éléments de Mendeleiev. Pour l'hydrogène, qui est le premier, le nombre Z est égal à 1, et à 2 pour l'hélium, à 3 pour le lithium, etc. Si le noyau de l'atome porte cette charge positive, l'atome neutre doit, par compensation, contenir un nombre égal Z de charges négatives -epsilon, c'est-à-dire Z électrons négatifs. Par conséquent, notre image de l'atome comporte un noyau de charge positive Z*epsilon, entouré, pour employer une image qui devient de plus en plus insuffisante, d'un cortège de Z électrons négatifs à la façon d'un système planétaire. Notre connaissance de ce qui concerne le noyau a beaucoup progressé récemment. Nous avons cru, pendant pas mal d'années, que ce noyau était constitué par des électrons négatifs et par des noyaux d'hydrogène ou protons. Le proton est le noyau le plus simple, noyau de charge epsilon, puisque pour l'hydrogène, Z = 1. Nous avons cru longtemps que le proton électrisé positivement (+ epsilon) et l'électron négatif (- epsilon) représentaient les deux seuls constituants de la matière. Le proton a une masse sensiblement égale à, celle de l'atome d'hydrogène, par conséquent 1800 fois plus grande que celle de l'électron négatif et une charge égale et opposée à celle de l'électron négatif. Depuis deux ans à peu près, la découverte du neutron, grâce aux travaux combinés des physiciens allemands Bothe et Becker, des physiciens français Irène Curie et Frédéric Joliot, et du physicien anglais Chadwick ont amené la découverte de ce qu'on a appelé le neutron, c'est-à-dire d'une particule qui n'est pas électrisée. Ce neutron a une masse sensiblement égale à celle du proton, mais n'a pas de charge. Nous admettons maintenant que tous les noyaux atomiques sont constitués par l'association de protons et de neutrons. Le proton ayant la charge + epsilon, le noyau de charge Z epsilon d'un atome quelconque contient Z protons, et le nombre de neutrons est donné par la différence M - Z entre ce que nous appelons le nombre de masse M, qui est le nombre entier le plus voisin de son poids atomique dans le système des chimistes où O = 16. Par exemple, pour l'oxygène, le nombre M = 16, le nombre Z = 8 (l'oxygène est le huitième dans la série des éléments). Par conséquent, nous voyons que le noyau d'oxygène renferme 8 protons et 8 neutrons. Pour un assez grand nombre d'éléments, surtout dans les premiers rangs de la classification de Mendeleiev, le nombre de masse est égal au double du nombre atomique. C'est le cas, par exemple, pour l'oxygène, ainsi que nous venons de le constater. C'est aussi le cas pour l'hélium, où M = 4 et Z = 2. C'est-à-dire que dans tous ces noyaux, il y a autant de neutrons que de protons. Dans le noyau d'hélium ou particule alpha des corps radioactifs, il y a deux protons et deux neutrons. Il semble bien que dans les noyaux plus complexes, comme celui de l'oxygène, où il y a quatre fois plus de protons et quatre fois plus de neutrons que dans l'hélium, ceux-ci s'associent pour former des particules alpha comme constituants secondaires du noyau, et, par conséquent, le noyau d'oxygène sera l'association de quatre noyaux d'hélium, de quatre particules alpha. Quand on avance dans la série des éléments, le nombre des neutrons tend à dépasser celui des protons. Cela résulte du fait qu'en général le nombre de masse (la masse atomique) est supérieur ou au moins égal à deux fois le nombre atomique et, par conséquent, le nombre de neutrons M - Z est supérieur ou au moins égal au nombre des protons.


3. LES ISOTOPES.


Un fait essentiel, que je vous rappelle ici parce que j'y ferai constamment allusion tout à l'heure, c'est que l'individualité chimique de l'atome est déterminée par son nombre atomique, puisque tous les phénomènes chimiques ou spectroscopiques ne concernent que la périphérie de l'atome et que ce qui se passe dans cette périphérie ne dépend, à une première approximation très largement suffisante, que de la charge électrique du noyau et pas de sa masse. On constate, de plus, que pour le même nombre atomique Z, il peut y avoir différents nombres de masse, c'est-à-dire que, pour le même nombre de protons dans le noyau, il peut y avoir différents nombres de neutrons. Ceci a été découvert, comme vous le savez, lorsque les physiciens par les méthodes de déviation électrique et magnétique que j'ai rappelées tout à l'heure, et qui peuvent servir pour des particules de n'importe quelle sorte pourvu qu'elles soient électrisées — ont montré que quand on disperse un flux de particules positives, telles que des atomes qui ont été ionisés, c'est-à-dire auxquels on a enlevé quelques-uns des électrons qui se trouvent à leur périphérie, on peut déterminer individuellement pour ces particules le rapport de leur charge à leur masse et, par conséquent, leur masse quand on connaît leur charge. Cette méthode, appelée maintenant méthode du spectrographe de masse, a permis de constater que la plupart des éléments considérés par les chimistes comme simples, c'est-à-dire comme étant formés d'atomes tous identiques, sont des mélanges : des mélanges d'atomes qui, ayant tous le même nombre atomique Z (la même charge du noyau) ont des masses différentes, ont des nombres de neutrons différents associés dans le noyau à un même nombre de protons. Cette découverte a eu un très grand retentissement et présente une grande importance pour tous les travaux dont j'ai à vous entretenir aujourd'hui. On connaît maintenant la série des isotopes assez exactement. Il y a certains éléments, comme l'étain, qui ont jusqu'à onze isotopes différents. En général, ils sont plus modestes, et je vais vous rappeler les isotopes de certains éléments dont j'aurai plus particulièrement à vous parler. Pour les noyaux, nous allons utiliser une notation que nous avons adoptée au récent Conseil Solvay, de Bruxelles, pour introduire un peu d'uniformité. Nous utilisons le symbole chimique de l'élément correspondant et nous laissons aux chimistes la place libre à droite pour indiquer le nombre des atomes entrant dans la molécule; nous mettons en indice le nombre de masse en haut à gauche et le nombre atomique en bas, à gauche également. Donc, pour le noyau d'hydrogène ordinaire, nous avons la notation H(1,1).

Mais il y a plus d'un hydrogène. M. Lewis vient de découvrir l'hydrogène lourd, c'est-à-dire un hydrogène de masse atomique 2, dont le noyau contient un proton et un neutron; c'est la moitié de la particule alpha. Pour cet hydrogène lourd, qui entre pour 1/30 000e dans la composition de l'hydrogène ordinaire, nous avons la notation, masse 2, charge 1: H(1,2).

Je prends maintenant l'hélium, qui vient immédiatement après, de nombre atomique 2. Jusqu'ici, on ne connaît avec certitude que l'isotope 4, il y a peut-être un 3, peut-être un 5 ? c'est encore discutable. Nous avons pour le noyau d'hélium ou particule alpha, la notation He(2,4).

Pour le lithium, on connaît le Li 6 et le Li 7, avec les notations Li(3,6) et Li(3,7).

Ensuite, le glucinium. On l'écrit Be, parce qu'à l'étranger il s'appelle beryllium. Le béryllium est le quatrième, il a quatre protons dans son noyau et il n'y a qu'un seul isotope de masse 9: Be(4,9).

On constate, dans le cas du béryllium, comme pour l'isotope 7 du lithium, que M peut être supérieur à 2*Z. Le bore a deux isotopes. Les chimistes trouvent pour lui une masse atomique 10,805 voisine de 11, tenant à ce qu'il y a une proportion d'environ 20 p. 100 de bore 10 associé au bore 11 dans l'élément tel que la nature le présente. Le bore 11 s'écrit: B(5,11) et le bore 10: B(5,10).

Le carbone a deux isotopes connus, le 12 et le 13, le plus abondant de beaucoup est le 12: C(6,12).

L'azote (qu'il est convenu maintenant de représenter par N) n'a qu'un seul isotope, 14: N(7,14).

Je passe les intermédiaires pour arriver au magnésium, qui a rang 12 dans la classification de Mendeleiev, et les masses atomiques 24, 25, 26, avec les notations Mg(12,24), Mg(12,25) et Mg(12,26).

Puis l'aluminium avec un seul isotope de masse 27: Al(13,27).

Par conséquent, son noyau contient 13 protons et 14 neutrons. Ensuite, pour le silicium, trois isotopes : 28, 29 et 30; le silicium le plus abondant est de masse 28: Si(14,28).

Enfin, le phosphore n'a qu'un seul constituant, 31: P(15,31).

Il faut noter que les masses atomiques exactes des divers atomes neutres ne sont pas exactement égales à leurs nombres de masse, mais en diffèrent d'une petite quantité, liée, en vertu de l'inertie de l'énergie, à ce qu'on peut appeler la chaleur de formation de l'atome à partir des protons, des neutrons et des électrons qui le composent. Ainsi, l'atome d'hydrogène ordinaire de nombre de masse 1, composé d'un proton comme noyau et d'un électron négatif périphérique a pour masse atomique exacte 1,0078 dans le système O = 16; l'hydrogène lourd, de nombre de masse 2, a pour masse atomique 2,01363. On a ainsi, pour les éléments dont il sera question dans cette conférence, le tableau ci-après où les masses atomiques A résultent des mesures électromagnétiques au spectrographe de masse. L'électron, dans ce même système, aurait la masse 0,00055.

  • Symbole de l'atome: H(1) H(2) He(4) Li(6) Li(7) Be(9) B(10) B(11) C(12) C(13) N(14) N(15) O(16) O(17) O(18) Al(27) Si(28) Si(29) Si(30) P(31)
  • Nombre atomique Z: 1, 1, 2, 3, 3, 4, 5, 5, 6, 6, 7, 7, 8, 8, 8, 13, 14, 14, 14, 15
  • Nombre de masse M: 1, 2, 4, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 27, 28, 29, 30, 31
  • Masse atomique A: 1,0078; 2,0136; 4,0022; 6,0145; 7,0146; 9,0155; 10,0135; 11,0110; 12,0036; 13,0039; 14,008; 15,007; 16,0000; 17,0029; 18,0065; 26,97; 27,9818; 30,9825

J'aurai à utiliser la remarque suivante : la connaissance des nombres atomiques nous permet de savoir combien il y a d'électrons dans un fragment déterminé de matière. Si nous prenons, par exemple, un corps simple, de masse atomique A, dans un état où sa densité soit rho, et si nous voulons chercher combien il y a d'électrons dans les atomes qui constituent l'unité de volume sous cette densité rho, le nombre d'atomes par unité de volume, c'est le nombre d'atomes-grammes rho/A multiplié par le nombre d' Avogadro, N égal à 6,06 x 10^(23). Et comme chacun a un nombre d'électrons égal à Z, le nombre d'électrons est

N = 6,06.10^(23).Z/A.rho,

et comme Z/A est sensiblement 1/2, le nombre, n, d'électrons contenu par unité de volume de la substance considérée est sensiblement 3,03 .10^(23) X rho, c'est-à-dire qu'il est proportionnel à la densité de la substance, quelle que soit la nature de celle-ci. Pour les éléments lourds, le rapport Z/A est un peu inférieur à 1/2 mais, en gros, on peut dire que le nombre d'électrons par unité de volume est proportionnel à la densité de la matière avec le coefficient 3.10^(23). Ce résultat peut encore s'exprimer en disant que 1g de matière, quelle que soit sa composition chimique, contient sensiblement 3.10^(23) électrons négatifs.


4. LE SPIN DE L'ÉLECTRON.


Il convient de rappeler que la conception de l'atome nucléaire, non seulement a permis d'éclairer la chimie, mais aussi la spectroscopie. Les conséquences déduites par Bohr, puis par Sommerfeld et les créateurs de la mécanique quantique et de la mécanique ondulatoire, ont montré quelle était la fécondité de la conception électronique de l'atome au point de vue de l'interprétation des spectres, soit atomiques, soit moléculaires. C'est, d'autre part, la spectroscopie qui a permis de mettre en évidence un caractère nouveau de l'électron négatif, l'existence du spin et du moment magnétique qui lui est lié. On a constaté qu'il était nécessaire, pour interpréter la structure des spectres, d'admettre que l'électron négatif, non seulement avait une charge égale à -epsilon qui peut se déterminer par des méthodes spectroscopiques, mais devait avoir aussi un moment magnétique égal à ce qu'on appelle le magnéton de Bohr, qui est relié à la constante de Max Planck, h:

mu(B) = [h*(epsilon)]/[4*Pi*m*c]

En outre, ce moment magnétique est lié à l'existence d'un moment de quantité de mouvement ou spin égal à h/4*Pi , ce qui a conduit à l'image très simple de l'électron pivotant. Si l'on fait tourner une petite sphère électrisée, par convection de sa charge elle doit produire un moment magnétique. Ce résultat venait compléter l'image grossière que nous nous faisions de l'électron négatif. L'électron est ainsi représenté par une petite sphère chargée ou corpuscule électrisé, ayant une masse reliée vraisemblablement à son électrisation par suite de ce qu'on peut appeler l'inertie de l'électricité, et en outre, du fait de sa rotation sur elle-même, pourvue d'un moment magnétique. Cette image, d'ailleurs, donnait lieu à des difficultés. Non seulement on devait admettre indépendamment l'existence d'une charge de l'électron, et celle d'un mouvement de rotation quantifié donnant naissance au moment magnétique, mais encore la coexistence de ces deux caractères n'était guère conciliable avec la théorie électromagnétique de l'inertie.


5. LES ÉQUATIONS DE DIRAC.


M. Dirac, de façon tout à fait remarquable, en appliquant les méthodes de la mécanique ondulatoire et en linéarisant les équations de cette mécanique pour les rendre invariantes au point de vue de la relativité restreinte, est arrivé à ce que nous pouvons appeler : les équations des ondes électroniques, les équations dites de Dirac. Il résulte de cette théorie que le fait pour l'électron d'être électrisé implique l'existence du spin et, en même temps, l'existence du moment magnétique. C'est une très belle chose, non seulement d'avoir fait rentrer la théorie de la mécanique ondulatoire électronique dans le cadre de la relativité, mais surtout d'avoir établi la liaison quantitative nécessaire entre le moment magnétique et la charge de l'électron. Cette théorie de Dirac représente sous une forme abstraite notre image actuelle de l'électron, moins grossière que celle de la particule électrisée pivotant sur elle-même. Seulement, nous ne savons pas très bien encore lire ces équations. Cependant, nous en tirons la manière dont les ondes électroniques se propagent dans un champ électrique ou magnétique, nous en tirons les propriétés expérimentales. Mais le langage mathématique n'est pas encore entré suffisamment dans notre sens concret, nous ne l'avons pas suffisamment utilisé, nous ne lui avons pas donné encore cette couleur de concret que nous avons donnée, par exemple, à la notion de potentiel ou à la notion d'entropie à mesure que nous avons pris l'habitude de nous en servir. Il est probable que nos enfants, quand leurs ancêtres et eux-mêmes auront suffisamment manié les équations de Dirac, en liaison avec l'expérience, en auront une intuition plus profonde que nous et sauront les lire beaucoup mieux. Au fond, nos formules en savent plus que nous ! Comme disait Leonhard Euler : « Mon crayon sait plus d'algèbre que moi... » Malgré ce qu'il y a encore d'insuffisant dans la représentation que nous pouvons nous faire de l'électron, nous pouvons être satisfaits des résultats de sa découverte, puisque non seulement la chimie s'est trouvée éclairée d'un coup, puis la spectroscopie et aussi les phénomènes de conductibilité métallique, qui étaient si mystérieux à côté des phénomènes de conductibilité électrolytique, et se comprennent maintenant par la présence à l'intérieur du conducteur métallique d'électrons libres qui peuvent circuler dans le champ créé par les ions positifs qui restent quand les atomes du métal ont perdu ces électrons à raison d'un par atome en général. On conçoit que le flux de ces électrons d'un métal à un autre ne s'accompagne d'aucun changement chimique, puisque les électrons sont exactement les mêmes dans tous les métaux.

J'aurai l'occasion de vous rappeler tout à l'heure que nous avons pu comprendre très profondément le mécanisme de la conductibilité et élucider le paradoxe de l'existence à l'intérieur d'un métal de ces électrons libres à la manière d'un gaz, dont on pouvait supposer qu'ils devaient participer à l'agitation thermique, alors qu'ils ne contribuent en rien à la chaleur spécifique du métal. Nous comprenons maintenant, par l'intermédiaire de la théorie des quanta, comment cela est possible. Et puis, il y a le magnétisme que nous interprétons, non seulement parce que l'électron a un moment magnétique propre qui semble inter-venir seul dans les phénomènes ferromagnétiques, mais parce qu'un électron qui, comme on dit dans le langage de Bohr, circule suivant une orbite autour d'un noyau, produit par cette convection un moment magnétique, le moment orbital, qui vient se composer avec le moment magnétique électronique. Voilà, très rapidement rappelé, ce qui concerne cette découverte considérable de l'électron négatif.


6. LES RAYONS COSMIQUES.


L'électron positif, lui, est venu du, ciel, si je puis dire, puisque c'est par l'étude des rayons cosmiques qu'on a été conduit, il y a un an, à la découverte de l'électron positif. Vous savez ce que c'est que ces rayons cosmiques; ce sont des rayons très pénétrants dont on discute encore la nature. M. Dauvillier nous a fait, au mois de janvier, une très belle conférence à leur sujet comme résultat de son voyage au Groenland.... On n'est pas encore absolument certain que ces rayons cosmiques sont, comme nous le disons, des photons, c'est-à-dire de la lumière de fréquence extrêmement élevée, ou bien sont des corpuscules, électrons négatifs ou électrons positifs. Ce qu'on sait, c'est que leur passage rend les gaz conducteurs, l'air en particulier. Quand on s'élève dans l'atmosphère, on constate que l'air enfermé dans un récipient augmente de conductibilité, permet le passage d'une plus grande quantité d'électricité par l'intermédiaire d'ions dont le nombre augmente à mesure qu'on s'élève, c'est-à-dire que l'intensité de ce qu'on appelle les rayons cosmiques — auquel on attribue la production de cette conductibilité du gaz — va en augmentant avec l'altitude, ce qui fait attribuer à une cause extraterrestre leur origine. Pour étudier ces rayons cosmiques, il y a différentes méthodes. La plus concrète, celle qui a joué le rôle essentiel dans la découverte de l'électron positif, c'est l'admirable méthode de condensation de Wilson, que je rappelais tout à l'heure. Une chambre de Wilson est une boîte cylindrique dont une base est formée par une glace, de manière qu'on puisse voir ce qui se passe à l'intérieur; puis, de l'autre côté de la boîte, le fond est constitué par un piston couvert de gélatine humide, de façon à saturer d'humidité le gaz qui est dedans — soit de l'air, soit de l'argon, par exemple. Un dispositif permet de produire une détente brusque; de sorte que si le gaz renferme des ions, la vapeur d'eau se condense sur ces ions, et l'on voit des gouttes ou des traînées de gouttes qui sont produites par le passage des particules ionisantes. On peut, en éclairant, photographier ces traînées de gouttes. Un physicien américain, M. Anderson, du "Californian Institute of Technology", a travaillé avec une patience admirable à photographier ces détentes. Seulement, la difficulté, c'est que quand on fait une détente, on ne sait pas s'il passe un rayon cosmique, et l'on fait beaucoup de détentes avant de voir quelque chose. La figure représente le schéma général de l'appareil dont s'est servi M. Anderson. C'est la chambre de Wilson, de forme cylindrique plate. V est la paroi de verre qui permet, à l'aide d'une chambre photographique A de photographier ce qui se passe, à travers le trou pratiqué suivant l'axe de l'une des pièces polaires d'un électroaimant. De l'autre côté de la chambre V se trouve le fond mobile qui permet la détente. Un système facile à imaginer permet, chaque fois qu'on produit une détente, de provoquer en même temps une étincelle puissante qui vient éclairer la chambre; on peut prendre ainsi une photographie instantanée de la condensation obtenue par détente. Placée entre les pièces polaires d'un électroaimant, la chambre se trouve dans un champ magnétique sensiblement uniforme de l'ordre de 15 000 gauss. Ce champ magnétique, s'il y a des électrons, ou d'autres particules électrisées présentes dans la chambre, va incurver leurs trajectoires. De cette incurvation, on pourra tirer des renseignements sur la vitesse et par conséquent sur l'énergie des particules observées si l'on suppose connues leur charge et leur masse. La figure reproduit la photographie d'une traînée de gouttes obtenue par M. Anderson (Cette figure est extraite du journal "The Physical Review" du 15 mars 1933, p. 192 (article de M. Anderson sur l'Électron positif)). C'est une fois sur cinquante détentes qu'il observait des phénomènes comme celui-ci. Le cliché représente la chambre de Wilson, au milieu de laquelle se trouvait placée horizontalement une lame de plomb de 6 mm d'épaisseur; on y observe à côté de gouttes un peu dispersées, une traînée de gouttes qui, en présence d'un champ magnétique, se trouve incurvée plus fortement en bas qu'en haut. Il est raisonnable de considérer que cette traînée de gouttes est liée au passage, à travers le gaz, d'une particule rapide qui ionise le gaz, qui enlève des électrons à certaines des molécules qu'elle traverse. C'est sur ces ions, jalonnant le trajet de la particule, que se condensent des gouttes d'eau, et ce sont les gouttes d'eau qu'on aperçoit sous l'aspect d'une trace blanche sur le fond noir. Si l'on suppose que cette particule est un électron, de son incurvation, puisque l'on connaît le rapport e/m, on peut déduire sa vitesse et, par conséquent, son énergie. Au-dessus de la lame de plomb, la courbure, qui est très sensible, permet de calculer que l'électron a été lancé avec une énergie correspondant à une différence de potentiel de 63 millions de volts. Nous dirons que l'énergie cinétique est de 63 millions d'électron-volts. Il est bien évident que c'est la même particule qu'on retrouve de l'autre côté du plomb. Seulement, elle a perdu une partie de sa vitesse puisque la courbure de sa trajectoire dans le champ magnétique a augmenté. Nous avons vu que cette courbure est inversement proportionnelle à la vitesse. De la mesure de cette courbure on peut déduire que, si la particule est un électron, il a ici une énergie cinétique correspondant à 23 millions de volts. Il a donc perdu 40 millions d'électron-volts en traversant la lame de plomb. Ce changement d'énergie montre que le sens du mouvement de la particule est bien dirigé du haut vers le bas. Tout irait très bien et l'on pourrait interpréter ce cliché comme correspondant à un électron négatif lancé sous 63 millions de volts et se ralentissant au passage à travers la lame de plomb si, en tenant compte de la direction du champ magnétique perpendiculaire au plan de la figure, nous ne constations que l'incurvation est en sens inverse de ce qu'elle devrait être pour un électron négatif. Il s'agit, par conséquent, d'une particule électrisée positivement. Et comme, en 1932, à l'époque où M. Anderson commençait ses travaux, on ne connaissait comme particules positives que les protons, il a supposé que ces particules positives étaient des protons. Il était assez singulier, pour diverses raisons, que des protons puissent avoir une énergie aussi considérable. L'attention ayant été attirée par les travaux d' Anderson sur la présence de particules positives dans le rayonnement d'origine cosmique, les physiciens anglais Blackett et Occhialini ont eu une idée extrêmement heureuse. Ils se sont dit qu'il était tout à fait inutile de perdre son temps à faire des photographies quand on ne sait pas s'il se passe quelque chose d'intéressant dans la chambre de Wilson et d'avoir un rendement d'une plaque utile sur cinquante plaques consommées. Ils se sont arrangés pour qu'automatiquement la détente se produise ainsi que l'étincelle nécessaire à la photographie au moment où vient à passer dans la chambre une particule cosmique. Pour l'observation des rayons cosmiques, on dispose non seulement de chambres de Wilson, mais aussi de ce qu'on appelle des compteurs - compteur de Geiger qui est aussi vraiment un des plus remarquables instruments que les physiciens aient imaginés. C'est simplement un tube métallique, dans l'axe duquel se trouve tendu un fil isolé; on introduit dans le tube un gaz raréfié, à une pression de l'ordre du millimètre de mercure, et l'on établit entre le fil et le tube une différence de potentiel tout près de la décharge disruptive, mais au-dessous. Quand il passe à travers les parois de ce tube une particule ionisante, les ions qui sont produits dans le gaz par la particule sont accélérés par le champ électrique et prennent une énergie telle que, à leur tour, ils peuvent ioniser le gaz, dans lequel il se libère ainsi une quantité d'électricité beaucoup plus considérable que dans les chambres d'ionisation habituelles où l'on recueille seulement les ions produits directement par le rayonnement. Au passage de chaque rayon cosmique, correspond ainsi une sorte de déflagration qui ne dure qu'un temps extrêmement court, mais qui met en jeu une quantité d'électricité considérable et qui peut servir à commander un relais. Naturellement, si l'on ne tenait compte que de ce qui se passe dans un seul compteur, on obtiendrait des commandes qui ne viendraient pas seulement des rayons cosmiques, mais aussi d'une trace de radioactivité éventuelle à l'intérieur du compteur, etc. Mais, tout à fait ingénieusement, on a mis un compteur au-dessus de la chambre de Wilson (les rayons cosmiques viennent surtout d'en haut) et un autre au-dessous; et l'on fait en sorte que la commande de la détente dans la chambre de Wilson et de l'étincelle simultanée ne se produisent que quand il y a simultanément (à un intervalle de temps de un milliardième de seconde peut-être, puisque les rayons cosmiques vont passer successivement à travers le compteur du haut, la chambre de Wilson et le compteur du bas) passage de courant dans les deux compteurs. Dans ces conditions, on peut être à peu près certain qu'il s'agit d'une particule cosmique et que la photo-graphie ne sera pas perdue. On obtient effectivement un rendement de plus de 80 p. 100 de photographies utiles, au lieu de 2 p. 100 qu'obtenait Anderson. Blackett et ses collaborateurs ont su s'arranger pour que le délai entre le passage de la particule et la fin de la détente ne dépasse pas 1/100e de seconde. Ils déclenchaient en même temps une étincelle d'une durée d'à peu près 1/30e de seconde, de façon que la photographie saisisse instantanément le phénomène de condensation. Si l'on tardait trop à produire la détente après le passage du rayon cosmique, les ions créés sur la trajectoire de la particule diffuseraient dans le gaz et il ne resterait plus que des traînées floues peu favorables aux observations et aux mesures de courbure.

De cette façon, on a pu accumuler des informations qui ont conduit à des résultats tout à fait imprévus. En particulier, la figure reproduit une photographie obtenue par Blackett et Occhialini. Au lieu de la trajectoire unique que nous avions tout à l'heure, nous observons ici ce qu'on appelle une gerbe. Le mécanisme de production de cette gerbe n'est pas encore très bien connu, mais chacune des trajectoires correspond à une particule électrisée qui ionise le gaz sur son passage. Certaines d'entre elles ne sont pas incurvées : cela tient à ce que leur énergie est énorme. On a pu observer, à la limite de possibilité des mesures, des incurvations correspondant à une énergie qui atteint un milliard d'électron-volts; d'autres électrons sont plus rapides encore. Certaines des trajectoires sont incurvées dans un sens : ce sont des électrons négatifs suffisamment lents pour pouvoir être sensiblement incurvés par le champ; et d'autres sont incurvées en sens inverse. On voit bien qu'il y a deux espèces de particules ionisantes, des positives et des négatives. La chose intéressante, c'était d'identifier les nouvelles particules dont Anderson avait commencé par supposer qu'elles étaient des protons, faute de connaître une autre sorte de particules positives.


7. L'ÉLECTRON POSITIF.


Blackett et Occhialini, d'une part, et Anderson lui-même ont repris la question et ils ont pu aboutir à des conclusions concernant la charge de ces particules positives et leur masse. Pour ce qui concerne leur charge, la théorie de l'ionisation d'un gaz par passage d'une particule ionisante conduit à prévoir que, quand cette particule est suffisamment rapide, le nombre d'ions qu'elle produit par unité de longueur ne dépend que de la valeur absolue de sa charge et varie comme le carré de celle-ci. En prenant la peine de les compter, Anderson a constaté à 20 p. 100 près les mêmes nombres de gouttes par unité de longueur sur toutes les trajectoires, positives comme négatives. Comme l'ionisation est proportionnelle au carré de la charge, il en résulte que les charges des particules correspondantes ne peuvent différer de plus de 10 p. 100. Comme, d'ailleurs, le nombre des gouttes est égal au même degré de précision à celui que produit une particule beta de charge - epsilon, il en résulte que la charge de nos particules positives est certainement égale à + epsilon. Il est possible, de manière analogue, d'être renseigné sur la masse. Quand la vitesse de la particule ionisante diminue (on peut diminuer cette vitesse par passage à travers des écrans), l'influence de la masse devient importante; à faible vitesse et charge égale, le nombre de gouttes produites est proportionnel à la masse. Par conséquent, comme le proton a une masse 1800 fois plus grande que celle de l'électron, et comme on constate que les positifs continuent à produire -- quand on les ralentit — autant d'ions que les négatifs, il en résulte que ces particules ne peuvent pas être des protons et que leur masse, à 20 p. 100 près, est la même que celle des négatifs; c'est donc la découverte de l'électron positif. Blackett et Anderson ont abouti à cette conclusion au mois de février de l'année dernière, il y a un an aujourd'hui ou à peu près. Une fois cette découverte faite, il n'était pas très commode de ne pouvoir compter que sur les rayons cosmiques pour l'étude des électrons positifs. Après avoir été aidé par le ciel, il fallait s'aider soi-même et chercher des sources terrestres de rayons cosmiques. Les découvertes dans ce sens se sont rapidement succédées. Elles ont fait intervenir non seulement un Américain et des Anglais, mais aussi des Français et des Allemands; en particulier ici, Irène Curie et son mari Frédéric Joliot ont constaté qu'on pouvait obtenir des électrons positifs en faisant agir sur des atomes lourds, sur du plomb par exemple, des rayons gamma, c'est-à-dire des photons de très haute fréquence. D'abord, ce lut par l'intermédiaire des rayons gamma très pénétrants qui sont produits, en même temps que les neutrons, par l'action des rayons alpha du polonium sur certains atomes légers. Par exemple, quand on bombarde, avec des rayons du polonium, soit du béryllium, soit du lithium, soit du bore, soit de l'aluminium, on obtient, comme l'avaient montré Bothe et Becker, un rayonnement très pénétrant. Irène Curie et Joliot ont constaté que ce rayonnement est composé de deux parties : Il y a une partie qui n'est pas électrisée, mais qui peut, en traversant l'hydrogène, les corps hydrogénés et même d'autres atomes légers, chasser les noyaux, en particulier chasser les protons dans l'hydrogène. La façon dont elles les chassent permet d'évaluer la masse de ces particules, et l'on trouve que cette masse doit être sensiblement égale à celle du proton. Seulement, comme ces particules ne sont pas électrisées, est très rarement, au hasard d'un choc favorable, quand le neutron passera très près d'un proton ou d'un autre noyau que celui-ci pourra être chassé. A plus grande distance, comme la particule qui passe n'est pas électrisée, il n'y a pas d'action. Cette particule de masse sensiblement égale à celle du proton, mais qui n'est pas électrisée, c'est ce qu'on appelle le neutron. A côté de ce neutron, il y a une autre partie du rayonnement qui n'est pas électrisée non plus, mais qui est de la lumière constituée par ce que nous appelons des photons, et des photons d'une très grande pénétration, c'est-à-dire correspondant à un rayonnement d'une fréquence extrêmement élevée. Vous savez que, grâce à Planck et Einstein, on considère que, dans un grand nombre de phénomènes, la lumière se comporte comme composée de grains d'énergie proportionnelle à la fréquence du rayonnement, avec la constante h de Planck comme coefficient. Cette énergie du photon, on prend de plus en plus l'habitude de la mesurer en électron-volts, c'est-à-dire par la différence de potentiel sous laquelle devrait être lancé un électron pour avoir une énergie égale à celle du photon. Ces rayons gamma, où ces photons qui sont produits par les rayons alpha du polonium sur le béryllium, le bore, l'aluminium, etc., ont des énergies de 5 à 6 millions d'électron-volts. C'est considérable comme énergie individuelle et cela explique la pénétration considérable des rayons gamma correspondants. Irène Curie et Joliot ont pu montrer que quand on fait tomber ces rayons gamma sur du plomb, il en sortait des électrons positifs. Ils ont pu montrer, en interposant des écrans absorbants entre la source du rayonnement et le plomb, que ce ne sont pas les neutrons qui sont responsables de cette émission d'électrons positifs. Quand on a mis assez d'écrans pour absorber les neutrons en très forte proportion, les rayons gamma continuent à passer et les électrons positifs continuent à être produits dans la même proportion que subsistent les rayons gamma. Par conséquent, ce sont les rayons gamma qui sont responsables pour la production des électrons positifs. La figure reproduit un cliché d' Irène Curie et Joliot qui met ceci en évidence au moyen de la chambre de Wilson.

Dans ce cliché, vous voyez d'abord un gros trait rectiligne, c'est le résultat de la condensation sur les ions engendrés par un proton qui a été produit par un neutron associé au rayonnement gamma. On voit en outre deux trajectoires de moindre densité d'ionisation, incurvées en sens opposés, c'est ce qu'on appelle une paire d'un électron positif et d'un électron négatif. Je souligne ce fait expérimental que quand on produit des électrons positifs par l'action des rayons gamma sur des atomes lourds, comme l'atome de plomb, ils apparaissent toujours associés par paires à des électrons négatifs. Vous voyez ici que les deux électrons ont des énergies sensiblement égales puisque leurs incurvations sont sensiblement égales et opposées dans le même champ magnétique. On a encore observé la production d'électrons positifs quand on s'est adressé non plus seulement aux rayons gamma produits dans des conditions un peu compliquées, où le polonium doit bombarder du béryllium, etc., mais directement aux rayons gamma émis par les corps radioactifs, à condition que ces rayons gamma soient suffisamment pénétrants, c'est-à-dire que les photons qui les composent aient une énergie nettement supérieure à 1 million d'électron-volts. En particulier le thorium C" (qui descend du thorium par l'intermédiaire du mésothorium, du radiothorium et des thorium A, B, C) émet des rayons gamma dont l'énergie est bien connue : elle est de 2,6 millions d'électron-volts. Quand on fait arriver sur le plomb, élément lourd, ces rayons gamma, on obtient des électrons positifs par paires avec des négatifs.

Le cliché de la figure, obtenu par Irène Curie et Joliot, montre une de ces paires produite dans le gaz argon — et non sur le plomb — par les rayons gamma du thorium C". L'autre figure reproduit une photographie obtenue par Anderson (Cette figure est extraite du journal "The Physical Review" du 15 juin 1933, p.1034 (article de C. D. Anderson et S. H. Neddermeyer)). Il y a également une lame de plomb dans le haut, soumise à l'action des rayons gamma du thorium C". De cette lame de plomb part un électron positif, qui traverse au milieu du champ une lame d'aluminium où il est ralenti, et après laquelle sa trajectoire est plus fortement incurvée.

Partant du même point de la lame de plomb, nous voyons l'électron négatif de la paire; mais il a une énergie moindre que celle du positif et un trajet beaucoup plus court incurvé en sens opposé. C'est exactement comme sur la photographie précédente avec une plus grande différence de vitesse entre les électrons de la paire.


8. LES ÉLECTRONS DE TRANSMUTATION.


Voici donc, indépendamment des rayons cosmiques, une première possibilité d'obtenir au laboratoire des électrons positifs au moyen des rayons gamma agissant sur des atomes, de préférence des atomes lourds. On constate que le rendement en électrons positifs de cette action des rayons gamma sur les atomes augmente rapidement avec le nombre atomique, et aussi avec la fréquence, avec l'énergie des photons incidents.

Une autre source d'électrons positifs a été découverte par Irène Curie et Joliot, en faisant agir directement les rayons alpha du polonium sur l'aluminium : on constate que cette action donne lieu, d'une part à émission de protons, et, d'autre part, à émission de neutrons et d'électrons positifs. C'est, par opposition avec les précédents, que nous appellerons tout à l'heure des électrons positifs de matérialisation, ce qu'on appelle des électrons positifs de transmutation. Je vais vous les montrer sur le cliché de la figure à la partie inférieure duquel se trouve une lame d'aluminium sur lequel arrivent des rayons gamma du polonium. La trajectoire rectiligne est celle d'un proton résultant de la transmutation de l'aluminium sous l'action des rayons alpha. Il y a en même temps des neutrons, qu'on ne voit pas parce que ce n'est que par hasard qu'ils produisent quelquefois des protons en rencontrant de l'hydrogène. Puis on voit un électron positif incurvé clans le champ. Il est tout seul, il n'y a pas de paire, au contraire de ce qui se passe dans la production par des rayons gamma, qui a lieu toujours par paires. Les électrons positifs de transmutation apparaissent toujours seuls, non accompagnés d'électrons négatifs.

Voici pourquoi on les appelle des électrons de transmutation : c'est que, conformément à toute la chimie nucléaire qui commence à se développer, nous avons affaire à une chimie nouvelle où ce sont les noyaux qui réagissent les uns sur les autres. Naturellement, le rendement de ces nouvelles réactions n'est pas grand. Pour que les noyaux, qui sont tellement petits, arrivent à se rapprocher suffisamment, il faut qu'ils aient une énergie cinétique suffisante pour vaincre la répulsion qui existe entre eux, à cause de leurs électrisations de même signe. Lorsque les rayons alpha du polonium qui sont des noyaux d'hélium He(2,4), agissent sur de l'aluminium (Al(13,27)), dans certains cas nous constatons l'émission d'un proton H(1,1) suivant la réaction

Al(13,27) + He(2,4) = Si(14,30) + H(1,1)

L'aluminium réagissant sur l'hélium donne du silicium et de l'hydrogène. On constate que cette même réaction, au lieu de laisser partir un proton, peut laisser partir un neutron et un électron positif. C'est-à-dire que la masse et la charge, ici, au lieu de rester associées se séparent, la réaction de production d'un électron positif de transmutation serait celle-ci

Al(13,27) + He(2,4) = Si(14,30) + n(0,1) + epsilon+

Et, dans ce cas, l'électron positif est tout seul, non accompagné d'un électron négatif.


9. LA MÉTHODE DE M. THIBAUD.


Voilà, par conséquent, les sources diverses qui permettent d'étudier les électrons positifs, de les produire au laboratoire sans dépendre des rayons cosmiques grâce auxquels ils ont été primitivement découverts. Ici, je dois dire un mot des travaux de M. Thibaud. Jusqu'ici, pour ce qui concerne la charge et la masse des électrons positifs, et leur comparaison avec celles des électrons négatifs, nous avons utilisé des raisonnements basés sur la densité des gouttes, le long des trajectoires. Il est très désirable d'avoir des renseignements plus directs par les méthodes habituelles, c'est-à-dire en particulier par la méthode qui combine les actions électrique et magnétique pour la mesure du rapport de la charge à la masse. M. Thibaud a réalisé un dispositif expérimental très ingénieux : On ne peut pas, avec les électrons positifs — qui restent tout de même un objet assez rare — avoir des faisceaux dirigés, comme on en a avec les électrons négatifs, et qu'on peut dévier dans un champ magnétique. Il faut utiliser, autant que possible, les électrons positifs émis dans toutes les directions. M. Thibaud emploie, comme source, un petit tube renfermant du radio-thorium, enveloppé d'une feuille de plomb : les rayons gamma produisent des électrons positifs et négatifs en passant à travers le plomb. Il place cette source dans le champ magnétique produit par les pièces polaires de section circulaire d'un électroaimant. Le champ magnétique est à peu près uniforme au centre mais diminue d'intensité quand on s'approche du bord des pièces polaires, et c'est ce qu'utilise M. Thibaud. Si je suppose qu'un électron positif ou négatif soit lancé dans une direction quelconque contenue dans le plan de la figure perpendiculaire à la direction générale du champ, par la source S placée au voisinage du bord des pièces polaires et entre celles-ci, sa trajectoire va s'incurver et trouver un champ plus intense en revenant vers le centre du champ; la courbure va devenir plus forte et la trajectoire, qui serait une circonférence dans un champ uniforme, ne se fermera pas et prendra l'aspect d'une trochoïde comprise entre deux circonférences concentriques au bord des pièces polaires. Une pellicule photographique placée dans la région de ce bord diamétralement opposée à la source S recevra les électrons émis dans toutes les directions voisines du plan de la figure. La partie hachurée de la figure représente un bloc de plomb placé entre les pièces polaires et destiné à protéger le film photographique contre les rayons gamma venant directement de la source. On saura, d'après le sens du champ, de quel côté iront les électrons positifs. Les négatifs tourneront en sens inverse et viendront rencontrer le film par l'autre face; on mettra un obstacle pour les arrêter de manière à ne recevoir sur le film que les électrons positifs. En inversant le sens du champ magnétique, on substituera les électrons négatifs aux positifs pour obtenir la comparaison. En développant le film, on obtient une image avec un bord particulièrement net, prévu par la théorie et qui facilite la mesure des déplacements de cette image. Pour avoir des renseignements sur le rapport de la charge à la masse, M. Thibaud utilise un dispositif que M. Villard avait introduit autrefois à propos des rayons magnéto-cathodiques obtenus par enroulement en hélice d'électrons négatifs autour d'un tube de force magnétique. Comme l'indique la partie gauche de la figure, on intercale un champ électrique E parallèle à la direction du mouvement général de la trochoïde, au moyen de deux toiles métalliques qui laissent passer les électrons et entre lesquelles on établit une différence de potentiel, de l'ordre de 5 à 10 000 V. Quand la trochoïde arrive dans le champ électrique, elle est déviée dans un sens ou dans l'autre suivant le sens du champ électrique. La quantité delta(x) dont elle est déplacée est représentée par une formule très simple, qui est

delta(x) = (4/300)*(V/(beta*delta(H)))

Comme on connaît V, différence de potentiel en volts entre les toiles métalliques et le rapport beta, très voisin de l'unité, de la vitesse des électrons à la vitesse de la lumière, on déduit de la mesure du déplacement delta(x) la valeur de delta(H), c'est-à-dire la différence d'intensité du champ magnétique entre les deux circonférences qui comprennent la trochoïde. Et, par conséquent, cette mesure permet d'atteindre le rapport e/m. La figure 9 reproduit un des films obtenus par M. Thibaud et donne un déplacement delta(x) de 2,3 mm entre les taches lorsque la différence de potentiel entre les toiles métalliques passe de 5 000 V dans un sens, à 7 500 V en sens opposé. M. Thibaud a pu substituer, simplement en renversant lé sens du champ magnétique, les électrons négatifs aux positifs et par conséquent comparer les déplacements des trochoïdes positives et négatives. Sur la figure 10, on a porté en abscisses les potentiels qui servent à produire la déviation de la trochoïde, et en ordonnées cette déviation qui doit être proportionnelle à la différence de potentiel. On voit sur la figure que le coefficient de proportionnalité est sensiblement le même pour les électrons négatifs et pour les positifs, ou positrons. D'où l'on peut conclure, au degré de précision de ces mesures, que le rapport e/m pour le positron est compris entre la moitié et le double de ce qui concerne l'électron négatif. Ce résultat, obtenu par une méthode tout à fait différente de la numération des gouttes, est d'accord avec l'idée que l'électron positif a une masse égale à celle de l'électron négatif.


10. LES ÉLECTRONS DE MATÉRIALISATION.


Quelques explications sont nécessaires si l'on veut comprendre la signification des découvertes précédentes et leurs relations avec l'ensemble de tout ce que nous savons. D'abord un peu de théorie pour expliquer d'où viennent les paires d'électrons positifs et négatifs produits par les rayons gamma et quelle différence il y a entre ce cas et celui de la production d'électrons positifs par transmutation des rayons alpha du polonium et de l'aluminium, comme nous l'avons vu tout à l'heure. Ici, nous devons faire appel de nouveau à la théorie de relativité qui est déjà intervenue tout à l'heure à propos des équations de Dirac. Il s'agit de ce fait essentiel, conséquence de la dynamique de la relativité, que l'inertie, la masse d'une portion de matière, varie proportionnellement à son énergie interne. La formule fondamentale qui traduit ce fait, dit que l'énergie d'une portion de matière variant de delta(W), on peut être certain que sa masse varie d'une quantité delta(m) telle que:

delta(W) = (c^2)*delta(m)

On est conduit à intégrer cette relation sous la forme

W = m*(c^2)

qui permet de dire que l'énergie, mesurée à partir d'une origine qui correspondrait à l'absence de masse serait égale au produit de la masse par le carré de la vitesse de la lumière. Ce qui fait entrevoir la possibilité, si nous arrivons à libérer cette énergie, de tirer de chaque gramme de matière, en détruisant sa masse, l'énergie formidable de 9 x 10^(29) ergs ou 25 millions de kilowattheures. Cette conception qu'on peut transformer de la masse en énergie et rayonnement, non pas seulement dans les petites proportions que la chimie nous permet et où il y a une perte insignifiante de masse par combinaison proportionnellement à la chaleur dégagée, mais en attaquant plus profondément la matière, cette conception s'est trouvée entièrement confirmée et même imposée par l'astrophysique. L'étude de l'évolution des étoiles montre que quand on passe des géantes rouges comme Bételgeuse aux naines jaunes comme notre Soleil, la masse a déjà perdu à peu près 99 p. 100 de sa grandeur. Le Soleil ne conserve plus à peu près que le centième de la masse qu'il devait avoir autrefois, parce que l'on constate qu'à égales grandeurs absolues d'étoiles et à spectres identiques, les masses sont extrêmement peu variables, elles sont à peu près identiques. Par conséquent, toutes les étoiles doivent suivre une même évolution qui fait disparaître leur masse en même temps qu'elles rayonnent. L'astrophysique exige ainsi qu'au sein des étoiles, par un mécanisme que nous ne comprenons pas encore très bien, la matière se consume en donnant de la lumière, que les électrons, protons, neutrons se transforment en photons. Ces faits d'astrophysique apportent une confirmation tout à fait remarquable à la théorie de l'inertie de l'énergie. Je vais faire maintenant l'application de la relation générale au cas de l'électron positif qui nous intéresse ici. Un électron de masse m va avoir une énergie

W = m*(c^2)

La masse propre ou masse au repos de l'électron étant m(0), son énergie propre sera m(0)*(c^2) et par conséquent son énergie cinétique sera W - W(0) = (m - m(0))*(c^2).

propre sera m(0)*(c^2) et par conséquent son énergie cinétique sera W - W(0) = (m - m(0))*(c^2). Le fait que la masse de l'électron ou d'une portion quelconque de matière augmente avec la vitesse signifie simplement que l'énergie cinétique augmente avec la vitesse suivant la relation

W - W(0) = m(0)*(c^2)*[1/[sqrt(1-(v^2)/(c^2))] - 1]

puisque

m = m(0)/[sqrt(1-(v^2)/(c^2))]

En introduisant la quantité de mouvement p = mv ou

p = m(0)*v/[sqrt(1-(v^2)/(c^2))]

et en éliminant la vitesse v entre cette relation et celle qui donne l'énergie

W = m(0)*(c^2)/[sqrt(1-(v^2)/(c^2))]

on obtient

W^2 = ((m(0))^2)*(c^4) + (p^2)*(c^2)

ou

W = +-c*[sqrt(((m(0))^2)*(c^2) + (p^2))]

Cette relation nous sera utile tout à l'heure. La formule W(0) = m(0)*(c^2) nous permet de calculer à quoi correspond l'électron au repos comme réserve d'énergie. Si nous utilisons la masse connue de l'électron m(0) et si nous transformons en électron-volts, c'est-à-dire en différence de potentiel sous laquelle il faudrait lancer l'électron pour lui communiquer cette énergie sous forme cinétique, on trouve 500 000 électron-volts. L'énergie propre de l'électron est ainsi équivalente à celle qu'on fournit quand on le lance sous 500 000 V, son énergie totale est alors le double de cette quantité et sa masse égale à 2*m(0). Si l'on fait le même calcul pour un proton, en supposant qu'un proton, dont la masse est 1800 fois plus grande que celle de l'électron, puisse se détruire en se combinant avec un électron négatif, cela libérerait une énergie de 900 millions d'électron-volts. Maintenant, si l'on admet que la matière puisse disparaître en donnant naissance à du rayonnement par dématérialisation, il est nécessaire d'admettre le processus inverse, que les astrophysiciens imaginent dans l'espace interstellaire où les étoiles ont rayonné de la lumière.... Il se peut que les photons, qui constituent ce rayonnement, en se rencontrant au hasard des circonstances et du temps, redonnent de la matière cosmique, des nébuleuses, puis des étoiles. Il y a là l'idée d'un cycle éternel qui semble de plus en plus prévaloir. En fait, la naissance des paires d'électrons positifs et négatifs aux dépens des photons y est attribuée actuellement à ce phénomène de matérialisation. Mme Curie a proposé pour eux le terme d'électrons de matérialisation. Par exemple, le photon gamma du thorium C", de 2,6 millions d'électron-volts, dans des circonstances favorables, c'est-à-dire en rencontrant un noyau atomique, peut se matérialiser en donnant un électron positif et un négatif. Et ces deux électrons vont représenter l'énergie du photon gamma. Il y a là une confirmation quantitative possible. En effet, nous avons vu que, d'après les photographies, en admettant que le positron ait la même masse que l'électron négatif, nous pouvons calculer les énergies cinétiques des deux électrons d'une mème paire puisque nous connais-sons les vitesses d'après les courbures. Celle du positif est d'ailleurs toujours supérieure à celle du négatif. On constate que la somme des énergies cinétiques de l'électron négatif et de l'électron positif, est égale à 1,6 million d'électron-volts. Cette somme reste constante pour toutes les paires produites par le même rayonnement gamma. Si nous retranchons 1,6 million d'électron-volts de 2,6 que représente le photon gamma, il reste 1 million d'électron-volts comme énergie correspondant à la création des deux électrons et c'est exactement le double des 500 000 électron-volts que représente la masse propre d'un électron. La matérialisation avec production d'une paire d'électrons n'apparaît ainsi comme possible que pour des photons d'énergie supérieure à 1 million d'électron-volts, minimum indispensable pour fournir l'énergie propre des deux électrons; la différence entre l'énergie du photon et ce minimum se retrouve en énergie cinétique des deux électrons. Autre confirmation: Si l'énergie cinétique totale de 1,6 million d'électron-volts ne se répartit pas également entre les deux électrons, un cas extrême est celui où le négatif ne prendrait rien et le positif prendrait tout. Or, si le positif prend tout, il doit avoir 1,60 million comme énergie cinétique. Effectivement, on constate bien qu'il a 1,60 comme énergie cinétique maximum. La théorie s'accorde ici encore avec l'expérience; le calcul a pu être fait en utilisant les méthodes de la mécanique ondulatoire. MM. Oppenheimer et Plesset ont pu calculer la probabilité pour qu'un photon se dissocie ainsi en deux électrons. Et ils ont constaté que cette matérialisation ne pouvait avoir lieu qu'en présence d'un champ électrique très intense. Il faut, en quelque sorte, qu'un champ électrique tende très fortement à séparer un électron positif et un négatif en exerçant sur eux des actions de sens opposés pour que leur apparition ait lieu lorsque la quantité d'énergie nécessaire est disponible sous forme d'un photon. Le champ électrique intense nécessaire se trouve seulement au voisinage d'un noyau atomique, surtout quand le nombre atomique et par conséquent la charge de ce noyau est élevé. Si nous avons un noyau qui porte la charge Z avec un rayon de l'ordre de 10(-12) cm, le champ au voisinage immédiat du noyau prend, dans le cas du plomb dont le nombre atomique Z est égal à 82, la valeur énorme de 4x10^(16) unités électrostatiques C. G. S., soit plus de 10^(19) V : cm. Oppenheimer et Plesset ont calculé la probabilité pour qu'un photon arrivant dans un pareil champ donne lieu au phénomène de matérialisation d'une paire d'électrons. Ils ont constaté que cette probabilité augmentait avec la fréquence ou l'énergie du photon et avec l'intensité du champ, c'est-à-dire avec le nombre atomique du noyau rencontré. D'accord avec ces résultats, on constate expérimentalement que les rayons y donnent beaucoup plus d'électrons de matérialisation avec les atomes lourds : plomb, platine, qu'avec les atomes légers; de plus, ce sont les photons de grande énergie qui, à nombre égal de photons, donnent le plus grand nombre de paires d'électrons positifs et négatifs. Cette génération de la paire d'électrons dans le champ électrique intense au voisinage d'un noyau permet d'expliquer le fait que l'énergie cinétique de l'électron positif est toujours supérieure à celle du négatif. Cela résulte de l'action du champ électrique du noyau qui, en raison de la charge positive de celui-ci tend à repousser l'électron positif et à retenir le négatif. Voilà un ensemble de confirmations tout à fait remarquables pour l'hypothèse de la matérialisation. On peut tirer aussi une confirmation de la transformation inverse. Un électron positif prend naissance, par matérialisation d'un photon, en même temps qu'un électron négatif . D'autre part, nous avons vu que l'espace occupé par de la matière est plein d'électrons négatifs, puisqu'il y en a 3,0x10^(23) par gramme d'une substance quelconque. L'électron positif, en présence de cette masse énorme d'électrons négatifs, va avoir une probabilité considérable de se dématérialiser par recombinaison avec un électron négatif. Il en résulte que l'électron positif ne peut être considéré que comme un constituant éphémère de la matière. Les théoriciens dont je parlais tout à l'heure ont pu calculer la probabilité, pour un électron positif, de disparaître, et ils lui attribuent une vie moyenne de 10(-9) s dans l'eau. Dans l'air atmosphérique, dont la densité est environ 1000 fois plus petite, la vie moyenne serait de l'ordre de 10(-6) s. Comme les électrons positifs observés ont une vitesse voisine de celle de la lumière, en 10(-6) s, ils parcourent 300 m, c'est-à-dire beaucoup plus que les dimensions d'une chambre de WILSON; par conséquent, dans la traversée de la chambre, la probabilité d'une dématérialisation par rencontre avec un électron négatif est très faible. Les considérations précédentes expliquent que nous n'ayons pas constaté plus tôt l'existence des électrons positifs. Nous sommes ainsi conduits à prévoir que les électrons positifs vont, en se recombinant à des négatifs, en se dématérialisant, redonner du rayonnement. Maintenant, le rayonnement sous forme d'un photon représente non seulement de l'énergie, mais représente aussi de la quantité de mouvement, — on le sait depuis Albert Einstein — une quantité de mouvement égale au quotient de son énergie par la vitesse de la lumière. D'autre part, on peut prévoir et vérifier que les probabilités de dématérialisation augmentent quand la vitesse des électrons diminue, de telle sorte que l'énergie cinétique est généralement faible par rapport au million d'électron-volts que représente la dématérialisation de deux électrons. D'autre part, ils n'ont pas de quantité de mouvement notable, de sorte que s'ils produisent de la lumière, comme chaque photon représente une quantité de mouvement, ils ne peuvent pas produire un seul photon, à moins de prendre appui sur quelque chose, sur un noyau atomique, par exemple. Mais, en général, quand un positron rencontre un électron négatif, ils n'ont pas de quoi s'appuyer, par conséquent, il faut qu'ils produisent au moins deux photons qui représentent ensemble une quantité de mouvement nulle. Ces deux photons doivent posséder des quantités de mouvement égales et opposées et, par conséquent, être émis dans des directions opposées avec des énergies égales. Donc, ils doivent représenter chacun 500 000 électron-volts. C'est effectivement ce que Tarrant et Gray ont constaté lorsque, il y a plusieurs années, ils ont fait arriver des rayons gamma suffisamment pénétrants sur des atomes lourds. L'expérience a montré qu'il fallait que ces rayons gamma aient notablement plus der million d'électron-volts pour donner lieu à un nouveau phénomène qu'on appelle la diffusion anormale des rayons gamma ou la diffusion nucléaire. Les rayons gamma, au-dessous de cette énergie, ne sont absorbés ou diffusés que par les électrons négatifs sous forme d'effet photoélectrique ou d'effet Compton, mais on constate qu'au delà de million d'électron-volts par photon, l'absorption va en augmentant très vite avec le nombre atomique des atomes et avec l'énergie du photon (précisément les deux conditions d' Oppenheimer et Plesset pour la matérialisation du photon). On constate, en outre, la production des rayons gamma de 500 000 électron-volts, quelle que soit l'énergie des rayons gamma incidents, et quelle que soit la nature de la matière. C'était un résultat assez difficile à interpréter avant la découverte de l'électron positif et de la possibilité de matérialisation des photons. Il se comprend, au contraire, très bien, aujourd'hui. Les photons gamma, s'ils ont plus de 1 million d'électron-volts, peuvent donner, par rencontre d'un noyau, lieu à la matérialisation d'une paire d'électrons, 1 électron négatif s'en va de son côté, le positif aussi. L'électron négatif n'a pas beaucoup de chances de rencontrer un positif, puisque notre monde terrestre est plein de négatifs; mais, au contraire, le positif, a près avoir perdu la plus grande partie de sa vitesse, a beaucoup de chances de neutraliser un électron négatif en donnant naissance, ainsi que nous l'avons vu, à deux photons de 500 000 électron-volts, quelle que soit la matière sur laquelle le photon gamma primitif a fait sa matérialisation, et quelle que soit l'énergie de ce photon. Plus récemment, Irène Curie et Joliot, d'une part, et Thibaud, d'autre part, ont cherché à montrer que quand on fait arriver des électrons positifs sur de la matière, il en sortait des rayons gamma de 500 000 V. Je n'ai pas le temps d'entrer dans des détails, mais ils ont, l'un et l'autre, vérifié le fait. Il est remarquable que quand on fait arriver des électrons négatifs, ce n'est pas du tout la même chose : il se produit des rayons de Röntgen, qui ont, en général, une fréquence beaucoup moins élevée, et ont un spectre continu au lieu d'avoir une longueur d'onde parfaitement définie. La figure II représente les résultats obtenus par M. Thibaud en faisant passer des positrons ou des électrons négatifs à travers une lame absorbante dont la masse par unité de surface est allée jusqu'à 1, 1 g : cm2. Les ordonnées représentent, en échelle logarithmique, lorsque. le rapport entre l'ionisation produite dans un gaz au delà de la lame absorbante à l'ionisation produite dans ce même gaz par les positrons ou les électrons incidents. Ces résultats mettent en évidence une dissymétrie entre les électrons et les positrons qui confirme l'hypothèse d'après laquelle la matérialisation qui se produit pour des rayons gamma supérieurs à 1 million d'électron-volts est suivie d'une dématérialisation des électrons positifs qui donne des rayons y de 500 000 électron-volts beaucoup moins absorbables que les rayons X produits par les électrons négatifs.


11. LA THÉORIE DES LACUNES.


Maintenant, encore un peu de théorie. La découverte de l'électron positif est venue donner raison à une anticipation tout à fait géniale de Dirac. Dirac avait annoncé qu'il devait exister une parenté profonde entre les particules positives et les particules négatives, d'après laquelle, comme on dit dans un langage pittoresque, les particules positives devaient être des trous ou des lacunes, dans un espace rempli d'électrons négatifs d'énergie négative. Je voudrais vous demander un peu de patience.pour essayer d'expliquer ce qu'on veut dire par là. L'affirmation peut paraître assez paradoxale, mais correspond à quelque chose de très profond, de très important, en relation avec toute notre conception de la mécanique quantique et de la mécanique ondulatoire. En effet, on s'aperçoit de plus en plus qu'au lieu d'avoir à s'occuper de corpuscules, de particules individuelles, on est conduit à développer l'aspect qu'on appelle ondulatoire, où chaque espèce de matière, chaque espèce de lumière est caractérisée par une certaine onde de fréquence déterminée par l'énergie et proportionnelle à celle-ci; la différence essentielle entre la matière et la lumière, c'est que les ondes lumineuses ne sont pas sensibles, dans la manière dont elles se propagent à l'existence d'un champ électrique ou d'un champ magnétique, tandis qu'au contraire les ondes de Louis de Broglie, les ondes matérielles, les ondes électroniques, protoniques, sont influencées dans leur propagation par la présence d'un champ. C'est l'incurvation de ces ondes dans un champ électromagnétique qui traduit l'électrisation des corpuscules associés, dont les trajectoires seraient, par rapport à ces ondes, une représentation approximative analogue à ce que sont les rayons lumineux par rapport aux ondes lumineuses et l'optique géométrique par rapport à l'optique physique. On retrouve ainsi la mécanique corpusculaire comme première approximation de la mécanique ondulatoire. Ce qui fait la fécondité. de la mécanique ondulatoire, c'est qu'elle a permis de rendre compte des discontinuités essentielles dont la chimie a fourni les premiers exemples, où nous voyons les atomes se constituer avec des propriétés discontinues à mesure qu'augmente le nombre entier d'électrons associés à un noyau. L'interprétation de ces faits est liée à l'idée que chaque noyau, chaque centre électrisé peut donner lieu, autour de lui, dans le champ électrique qu'il produit, à des états stationnaires d'ondes électroniques. De même que dans un tuyau sonore, les ondes élastiques peuvent donner lieu à une série discontinue d'états stationnaires harmoniques d'un état fondamental, et caractérisés chacun par une fréquence ou une hauteur du son, de même le développement de la théorie des ondes électroniques de de Broglie, de Schrödinger et de Dirac a montré que ces ondes peuvent donner lieu, dans un champ électrique, comme celui qui entoure un noyau positif, à différents régimes d'ondes stationnaires, à différents états correspondant chacun à une certaine fréquence, et par conséquent à une énergie déterminée, puisque l'énergie est proportionnelle à la fréquence d'après la relation de Planck. Autour d'un noyau, par conséquent, qu'il soit d'hydrogène, ou qu'il ait une charge plus grande multiple Z de celle du proton, il y a une série discontinue d'états possibles pour les électrons et caractérisés chacun par certains nombres quantiques qui jouent un rôle analogue au rang de l'harmonique pour les tuyaux sonores.

Alors intervient l'énoncé remarquable de ce qu'on appelle le principe d'exclusion de Pauli, déduit par son auteur de la spectroscopie et qui se trouve avoir une fécondité extraordinaire. Il se passe pour les électrons l'inverse de ce qui se passe pour les photons dont un nombre quelconque peut être associé à un état stationnaire donné des ondes lumineuses. Si un électron se trouve associé à un certain état Stationnaire possible pour les ondes électroniques. Si, comme on le dit, cet état est occupé, il ne peut pas y avoir d'autre électron dans le même état. Il y a une espèce d'impénétrabilité qui ne permet pas à un état stationnaire des ondes électroniques d'être occupé à la fois par plus d'un électron. Le nombre d'électrons associés à un état ne peut être que zéro ou un. Par exemple, l'état stationnaire de moindre énergie des ondes électroniques autour d'un noyau correspond à deux possibilités; il y a deux états d'égale énergie correspondant aux deux nombres quantiques de spin possibles. Il ne peut pas y avoir plus de deux électrons dans ces états de moindre énergie, qui constituent ce qu'on appelle le groupe K composé de deux électrons au maximum; de même, les états correspondant à la fréquence ou à l'énergie immédiatement supérieure sont au nombre de 8 qui forment le groupe L; ce groupe peut avoir 8 électrons au maximum; par conséquent, dans ce qu'on appelle la seconde couche, il ne peut pas y avoir plus de 8 électrons. Et puis ensuite 18, conformément à l'ordre de périodicité constaté par l'expérience dans la succession des éléments chimiques qui vient ainsi confirmer la théorie ondulatoire de l'atome. C'est ce genre de considérations qui permet aussi de comprendre la théorie électronique des métaux. Ici, nous n'avons plus un seul noyau comme dans le cas de l'atome, mais nous avons un réseau d'ions positifs ayant une structure cristalline, avec un certain nombre d'électrons libres dont la charge négative totale doit être égale et opposée de celle du réseau constitué par les ions positifs du métal. Pour déterminer les différents états dans lesquels ces électrons peuvent se trouver, il faut résoudre le problème suivant étudié en particulier par M. Léon Brillouin : Étant donnée une structure réticulaire de particules positives, et par conséquent le champ électrostatique qu'elle produit, quels sont les modes stationnaires dont les ondes électroniques sont susceptibles dans ce champ ?, On trouve ici encore une série discontinue d'états correspondant à des fréquences et, par conséquent, à des énergies qui varient jusqu'à l'infini. Nous ne disposons que d'un nombre limité d'électrons. Pour que la charge totale du métal soit nulle, comment les électrons vont-ils se distribuer entre les différents états possibles, s'y associer ? Il ne peut y en avoir plus d'un par état. Si l'énergie totale disponible n'est pas grande, si la température est basse, ils vont occuper seulement les états de moindre énergie. Seulement, comme il n'y a, en général, aucun état d'énergie cinétique nulle, tous les états occupés auront une énergie finie et tous les états seront occupés jusqu'à un certain état d'énergie maximum déterminé par le nombre des électrons présents, à raison d'un électron par état. Cette distribution correspondra à une certaine énergie cinétique totale pour les électrons libres, même au zéro absolu. La théorie prévoit, en outre, que si l'on suppose que la température s'élève, cette répartition des électrons entre les états possibles, et par conséquent leur énergie totale, ne variera de manière appréciable que pour une élévation de température très supérieure, pour la plupart des métaux, à celle qui correspond à la température ordinaire. C'est seulement à des températures extrêmement élevées que les électrons libres commenceront à quitter les états qu'ils occupent au zéro absolu pour occuper des états d'énergie plus grande, vacants jusque-là. Ceci explique le fait que, malgré la présence d'électrons libres, il n'y ait pas de contribution à la chaleur spécifique qui leur corresponde dans un métal. Cette conception fondée sur le principe d'exclusion de PAULI a permis, non seulement de perfectionner la théorie de la conductibilité métallique, mais de compléter aussi celle de leurs propriétés magnétiques. J'évoque ces résultats pour préciser l'usage que nous sommes de plus en plus conduits à faire de la notion d'états stationnaires pour les ondes. Au fond, c'est là le grand résultat de la théorie des quanta, d'avoir ramené, par l'introduction des ondes matérielles, le problème de la structure de la matière à l'étude des états stationnaires possibles pour ces ondes et de la manière dont ces états peuvent être excités, c'est-à-dire occupés par des électrons. Autour du noyau atomique, il y a des modes stationnaires possibles, et c'est l'occupation ou la non-occupation de ces modes stationnaires par les électrons, un par état au plus, qui permet de développer toutes les théories de la classification de Mendeleiev et toute la chimie; dans le cas des métaux, il s'agit des états électroniques possibles à l'intérieur d'un réseau de particules positives. Maintenant, j'en viens au milieu le plus simple, qui est le vide. Dans le vide, nous pouvons aussi avoir des ondes électroniques, et ces ondes électroniques correspondent, quand elles sont associées à des électrons, à des vitesses déterminées de ceux-ci; on est ainsi conduit à chercher quels sont les états stationnaires possibles pour ces ondes, et les énergies correspondantes. Mais jusqu'ici, nous n'avons considéré que des états d'énergie positive, aussi bien autour du noyau que pour l'intérieur d'un métal. Dirac, comme conséquence de sa théorie, a été conduit à admettre que les ondes électroniques pouvaient donner lieu à des états stationnaires d'énergie négative, aussi bien que d'énergie positive. Il ne faut pas trop chercher le sens physique. Une énergie, au fond, n'est définie que par rapport à une origine, à un zéro. Mais ce zéro est arbitraire. Par conséquent, nous pouvons admettre qu'il y ait une énergie négative par rapport à ce zéro. La façon dont s'introduit cette nécessité d'une énergie négative des électrons négatifs est représentée par la formule même qui donne l'énergie d'un électron libre dans la mécanique de la relativité. C'est encore ici la relativité qui est responsable. En mécanique ancienne, l'énergie cinétique (1/2)*m*(v^2) est essentiellement positive. Mais, en relativité, l'énergie d'un électron négatif est donnée par la relation quadratique que je vous ai rappelée tout à l'heure. Pour un électron dont la quantité de mouvement est p, l'énergie doit être égale à:

W = +-c*[sqrt(((m(0))^2)*(c^2) + (p^2))]

Un double signe s'introduit dans l'expression même de l'énergie de l'électron et les physiciens ne doivent pas reculer devant lui, de même que les mathématiciens ont eu avantage à ne pas reculer devant l'imaginaire sqrt(-1), dont les techniciens font un si constant usage aujourd'hui. Je vous ai fait remarquer que nos formules en savent souvent plus que nous. Dirac s'est dit : Il faut admettre comme conséquence des formules qu'il peut y avoir des électrons d'énergie négative. Seulement, il résulte de la formule que la valeur absolue de l'énergie sera toujours supérieure à m(0)*(c^2) puisque (p^2) est plus grand que zéro. C'est-à-dire que, dans le vide, nous pouvons avoir pour les électrons une infinité d'états d'énergie positive supérieure à (m(0))*(c^2) et une infinité d'états d'énergie négative inférieure à — (m(0))*(c^2). Ces états des électrons correspondent à toutes les valeurs de l'énergie extérieure à l'intervalle entre — (m(0))*(c^2) et + (m(0))*(c^2). La théorie des quanta prévoit la possibilité de transitions entre les états d'énergie positive et ceux d'énergie négative, c'est-à-dire une, probabilité finie pour qu'un électron occupant un état d'énergie positive puisse passer à un état d'énergie négative et inversement. Le premier passage libérerait une énergie supérieure à 2*(m(0))*(c^2), sous forme de rayonnement par exemple, et le passage inverse absorberait cette même énergie, exigeant ainsi sa présence: sous forme d'un photon qui devrait ainsi avoir une énergie supérieure à 1 million d'électron-volts, puisque (m(0))*(c^2) vaut, comme nous l'avons vu, 500 000 électron-volts. Par conséquent, nous sommes bien obligés, pour que la théorie soit cohérente,, de considérer comme possible l'existence d'états d'énergie négative pour les électrons et de chercher une signification physique à ces états d'énergie négative. Nous suivons ainsi une voie tout à fait logique. Dirac est admirable en ce sens qu'il ne recule pas devant les conséquences de la logique, Il a dit ceci : Peut-être les choses se passent-elles de telle façon que dans l'espace vide tous les états d'énergie négative sont occupés par des électrons à raison, comme toujours, d'un électron par état., Si tous les états d'énergie négative sont ainsi occupés dans tout l'espace, on ne s'apercevra pas de leur existence en raison de l'homogénéité même de l'espace, mais on s'apercevra, au contraire, de l'existence d'électrons d'énergie positive qui seront toujours en très petit nombre par rapport au nombre des états d'énergie positive possibles. La conséquence de cette conception est que, s'il arrive qu'un état d'énergie négative ne soit pas occupé, il en résulterait une rupture dans les conditions naturelles de l'espace. La théorie montre que cette lacune, dans la distribution normale des électrons négatifs d'énergie négative se comporte comme un centre électrisé positivement et d'énergie positive, avec la masse propre m(0) égale à celle d'un électron négatif, c'est-à-dire exactement comme l'expérience le montre pour l'électron positif. Dans cette conception, on conçoit très bien en quoi consiste la dématérialisation. S'il n'y a pas du tout d'électrons négatifs d'énergie positive, cette lacune va subsister; mais s'il y a des électrons négatifs d'énergie positive, ils peuvent sauter, pour combler la lacune, occuper l'état vacant d'énergie négative; l'énergie, qui devient disponible, supérieure à 2*(m(0))*(c^2), doit être émise sous forme de rayonnement et correspond à la dématérialisation simultanée d'un électron négatif d'énergie positif et de l'électron positif que représentait la lacune. Inversement, si un photon a un quantum d'énergie suffisant, et s'il se trouve dans les conditions voulues (champ électrique assez intense), il peut fournir à un électron négatif d'énergie négative, l'énergie suffisante pour passer à un état non occupé d'énergie positive et laisser derrière lui une lacune dans les états d'énergie négative, c'est-à-dire un électron positif. D'où production aux dépens d'un photon d'une paire d'électrons, l'un positif et l'autre négatif. L'énergie du photon doit être supérieure à 2*(m(0))*(c^2); il doit y avoir plus de 1 million d'électron-volts dans le photon, conformément à ce que nous a montré l'expérience. Dirac avait vu cette possibilité il y a plus de deux ans. Seulement, il avait fait comme Anderson; on ne connaissait que le proton comme particule positive, et Dirac avait dit : Une lacune, dans la distribution normale d'électrons négatifs d'énergie négative, ce doit être un proton. Mais Hermann Weyl a montré que cette lacune devait se comporter avec la même masse que l'électron, et pas du tout comme le proton qui est 1800 fois plus inerte. Par conséquent, une difficulté subsistait jusqu'à ce que la découverte de l'électron positif soit venue donner une actualité extraordinaire à la conception de Dirac. Je voudrais avoir réussi à vous faire comprendre la relation qu'il y a entre les conceptions de Dirac sur la série discontinue mais infinie, des états stationnaires possibles d'énergie positive et négative pour les ondes électroniques dans l'espace, avec la série, tellement imposée par l'expérience, des états stationnaires pour les ondes électroniques autour d'un noyau — qui est à la base de toute la chimie — ou bien avec la série des états dans un métal, qui est à la base de toute la théorie de la conductibilité des métaux et de leurs propriétés magnétiques. Une conséquence intéressante, c'est que nous ne voyons pas sur la Terre beaucoup d'électrons positifs parce qu'il y a partout des électrons négatifs d'énergie positive pour combler les lacunes représentées par les électrons positifs pour, en parlant un langage plus expérimental, se dématérialiser avec les électrons, positifs; mais que, dans l'espace intra-stellaire, les électrons positifs doivent être au contraire abondants faute d'électrons négatifs d'énergie positive, ce qui semble bien en liaison avec la théorie des rayons cosmiques. Nous devons imaginer l'électron positif comme habitant normal de l'espace intra-stellaire; nous ne le trouvons pas normalement ici parce qu'il y a beaucoup trop d'électrons négatifs pour ne pas combler immédiatement la lacune que représente chaque électron positif.


12. UNE RADIOACTIVITÉ NOUVELLE.


J'ai déjà parlé trop longtemps, mais je voudrais encore insister un peu sur la distinction entre les électrons positifs correspondant à nos paires d'électrons qui sont des électrons de matérialisation et les électrons de transmutation, qu' Irène Curie et Joliot ont obtenu par l'action des rayons a. du polonium sur l'aluminium d'abord, puis sur le bore et le magnésium. L'aluminium se transforme en silicium et donne soit un proton, soit un neutron et un électron positif tout seul, sans négatif pour faire la paire. Irène Curie et Joliot viennent de constater cette chose remarquable que quand il y a, dans cette transmutation, au lieu d'émission d'un proton, émission d'un neutron et d'un électron positif, les deux choses ne se font pas en même temps et que l'émission de l'électron positif peut être très différée. Ils ont découvert il y a quinze jours que, s'ils prennent de l'aluminium, du bore ou du magnésium, et qu'ils les bombardent avec des rayons alpha du polonium, il y a émission instantanée de protons ou de neutrons, mais que l'émission des électrons positifs qui accompagnent les neutrons est différée. S'ils portent les substances bombardées sous le compteur de Geiger, ils constatent que ces substances continuent d'émettre des électrons positifs après avoir été soustraites à l'action des particules alpha, en manifestant une véritable radioactivité provoquée, mais d'une nouvelle espèce, puisque au lieu de rayons gamma ou photons, de rayons beta ou électrons négatifs, de rayons alpha ou noyaux d'hélium, comme les corps radioactifs habituels, ce sont des électrons positifs qu'émet la matière radioactive nouvelle. La même loi exponentielle de décroissance en fonction du temps se vérifie. Pour l'aluminium, la diminution est de moitié en 3 mn 15 s. Pour le bore, elle est de moitié en 14 mn. Ces expériences — c'est la dernière nouvelle que m'a donnée Joliot hier — ont été reproduites au Laboratoire Cavendish, chez Lord Rutherford, en Angleterre, et leurs résultats ont été complètement confirmés. Il y a là une découverte tout à fait remarquable, dans le fait qu'un noyau puisse garder un électron positif, et rester dans un état instable qui le conduit à émettre cet électron au bout d'un temps assez long de l'ordre de plusieurs minutes. Nous pouvons représenter ces résultats de la manière suivante : dans le cas de l'aluminium, le noyau d'aluminium, plus un noyau d'hélium donne un noyau de silicium, plus un proton ou bien un neutron et un électron positif.

Al(13,27) + He(2,4) = Si(14,30) + H(1,1)

ou bien

Al(13,27) + He(2,4) = Si(14,30) + n(0,1) + epsilon+.

Si, comme nous le constatons, l'émission de l'électron positif est différé, quel doit être le noyau intermédiaire ? Il doit avoir 15 comme nombre atomique et 30 comme nombre de masse. La substance de rang 15, dans la classification de Mendeleiev, c'est le phosphore. Par conséquent, il s'agit d'un phosphore 30, qui n'existe pas de manière permanente puisque le seul phosphore stable est de masse 31. Il s'agit donc d'un phosphore instable dont le noyau va, en un temps de l'ordre de 3 mn, perdre une charge positive, une unité de son nombre atomique, en conservant son nombre de masse 30 et donner un silicium par les deux réactions nucléaires consécutives :

Al(13,27) + He(2,4) = P(15,30) + n(0,1) et P(15,30) = Si(14,30) + epsilon+.

La conclusion s'impose donc qu'il doit y avoir apparition momentanée d'un phosphore instable, qu'on peut chercher à isoler. Seulement, quelques minutes d'existence, ce n'est pas bien long pour les opérations chimiques nécessaires.... Mais on y arrivera très probablement. Dans le cas du bore, c'est le bore 10 qui est responsable, nous avons, avec émission d'un proton,

B(5,10) + He(2,4) = C(6,13) + H(1,1)

et, avec émission d'un neutron,

B(5,10) + He(2,4) = N(7,15) + n(0,1)

Il s'agit donc d'un azote 13, qui n'existe pas de manière permanente; il est instable et se détruit en gardant son nombre de masse et en perdant un électron positif pour donner du carbone 13 que nous savons exister :

N(7,13) = C(6,13) + epsilon+.

Par conséquent, le bombardement du bore par les particules a doit donner un noyau d'azote N(7,13), qui est instable. On trouve ici la manifestation de ce fait qu'un noyau ne peut pas être stable quand il contient plus de protons que de neutrons, puisque le noyau N(7,13) contient 7 protons et 6 neutrons, tandis que le noyau stable N(7,14) contient autant de protons que de neutrons. Pour identifier ce nouvel azote instable, on dispose d'un temps de l'ordre de 14 mn. On y arrivera probablement. Cela pose des problèmes très importants que je me borner à signaler. Les jeunes gens qui s'en occupent viendront d'ici peu vous parler de leurs nouveaux résultats. Une dernière question importante est celle des relations qu'on peut imaginer entre ces constituants nouveaux de la matière, neutron et électron positif et les constituants antérieurement connus, électron négatif et proton. Puisque l'aluminium, par exemple, sous l'action des rayons alpha du polonium peut donner tantôt un silicium 30 avec un proton, tantôt un silicium 30 avec un neutron et un électron positif, il paraît raisonnable d'admettre que le proton peut résulter de l'association d'un neutron avec un électron positif et que cette combinaison s'accompagne d'émission d'énergie. Par conséquent, il faut que la masse du proton soit inférieure à la somme de la masse du neutron et de celle de l'électron positif, ce qui donne une limite inférieure pour la masse du neutron. Les valeurs trouvées par la méthode du spectrographe de masse pour le proton sont de l'ordre de 1,00725, ce qui conduirait pour le neutron à un minimum de 1,0067 puisque la masse de l'électron est 0,00055 dans le système où l'atome d'oxygène O est pris égal à 16. La masse 1,0067 est précisément celle que Chadwick attribue au neutron, ce qui laisserait supposer que le proton n'est pas très stable par rapport à l'ensemble du neutron et de l'électron positif séparés, ce qui explique peut-être l'indifférence d'émission d'un proton ou bien d'un neutron suivi d'un électron positif. La masse 1,012 attribuée par Joliot au neutron correspondrait au contraire à une grande stabilité du proton. Dans cette série de considérations qui s'enchaînent, vous avez constamment vu la théorie venir au secours de l'expérience, ou même la précéder, comme dans le cas de la théorie de Dirac, par rapport à l'électron positif. J'espère que ce que j'appellerai, si vous voulez bien, une leçon préliminaire, sera suivie d'autres communications et qu' Irène Curie, Joliot, Jean Thibaud et leurs émules viendront nous apporter prochainement des résultats nouveaux et des connaissances encore plus profondes sur le monde qui nous entoure, ainsi que sur les relations entre la matière et l'électricité.

  • Source: Bulletin de la Société Française des Electriciens.