Sir William CROOKES - Mise en évidence du rayonnement électromagnétique – Le radiomètre

25/01/2018
Publication 3EI 3EI 2018-91
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-91:22152
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Sir William CROOKES - Mise en évidence du rayonnement électromagnétique – Le radiomètre

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Mise en évidence du rayonnement électromagnétique – Le radiomètre La Revue 3EI n°91 Janvier 2018 Thème 24 Sir William CROOKES - Mise en évidence du rayonnement électromagnétique – Le radiomètre Jean-Jacques ILARY Professeur de Physique/Chimie à la retraite LGT de Mirepoix – Route de Limoux – 09500 Mirepoix 1. Biographie Chimiste et physicien anglais W. CROOKES est né et mort à Londres (1832-1919). Sa carrière scientifique fut aussi précoce qu’abondante et éclectique. Dès 1851, il réalisa de remarquables travaux sur les composés du sélénium. Tout au long de sa vie, il s’intéressa à la spectrographie. Ce qui lui permis, en 1861, de découvrir un nouvel élément, qui possède une raie d’émission vert clair, qu’il nomma THALLIUM (du grec thallos : pousse verte). En 1886, il découvre de nouveaux éléments dans la gadoline (hydroxyde de gadolinium). Enfin en 1895, il identifie l’hélium. La toute nouvelle branche de la physique, la radioactivité, ne put qu’éveiller sa curiosité scientifique. Il réalisa la séparation de l’uranium et du protactinium et observa la dégradation progressive de ces produits. Ce qui l’amena à concevoir le Spinthariscope (du grec spintharie : étincelle). Cet appareil permet d’observer les désintégrations provoquées par l’interaction des radiations avec le sulfure de zinc. Ne permettant pas d’étude quantitative, il ne fut que très peu utilisé en physique. Par contre, début du XX siècle, il rencontra un très vif succès auprès de la société mondaine, soucieuse de paraître au courant des dernières découvertes scientifiques. Mais on retrouve son œuvre dans des domaines aussi divers que la fabrication du sucre de betterave, la teinture des tissus, la gestion des égouts, etc. Mais pour la postérité, son nom restera associé aux tubes à rayons cathodiques et au radiomètre. A la fin de sa vie, il s’adonna au spiritisme. Lauréat de la Royal Medal en 1875, de la Médaille Davy en 1888, de la Médaille Copley en 1904. 2. Les décharges dans les gaz Dès le début du XIXième siècle, de nombreux physiciens s’intéressèrent aux effets d’une décharge dans un gaz. En 1808, Humphry DAVY (1778-1829) fit jaillir un arc lumineux, entre deux charbons, placés dans une enceinte de verre. Entre ces deux électrodes, était appliquée une tension créée par un ensemble de 800 piles Volta. Cet « œuf de DAVY » constitue en quelque sorte la première lampe électrique. En 1838, Michael FARADAY (1791-1867), élève de DAVY, améliore l’œuf de son maître en remplaçant les charbons par deux électrodes terminées par des sphères. Cet œuf de FARADAY lui permit d’étudier l’évolution des formes des effluves en fonction de l’écartement des électrodes, de la pression du gaz dans l’ampoule, de la nature du gaz utilisé. Il pensa avoir découvert un nouvel état de la matière qu’il nomma « matière radiante ». Résumé : A la fin du XIXe siècle de nombreux scientifiques font preuve d’imagination pour mettre en évidence des principes, des éléments non visibles directement. Ce fut le cas de William CROOKES qui chercha toute sa vie à mettre en évidence, par l’expérimentation des résultats scientifiques et calculatoires. Les appareils qu’il a dû inventer lui ont permis, en l’absence d’appareil de mesure comme on l’entend actuellement, de mettre en évidence ces phénomènes. Je propose après un rappel historique afin de resituer les personnages de l’époque, de présenter un des instruments de mesure inventé par CROOKES. Mise en évidence du rayonnement électromagnétique – Le radiomètre La Revue 3EI n°91 Janvier 2018 Thème 25 Vers 1850 Heinrich GEISSLER (1815-1879) poursuit l’étude de ces phénomènes. Ce physicien, fils d’un maître verrier, réalisa des tubes à décharges de formes effilées et aux volutes très décoratives. Ses appareils eurent, surtout, un très vif succès dans les cabinets scientifiques mondains. Ni FARADAY, ni GEISSLER ne surent apporter une explication théorique à ces observations. 3. Les tubes de CROOKES W. CROOKES, attiré par toute nouveauté scientifique, participa activement à l’amélioration de la production des rayons cathodiques. Les formes filiformes des tubes de GEISSLER, furent abandonnées au profit d’un volume plus important. Cette modification permit par la suite d’y introduire certains éléments (écran métallique en forme de croix de Malte, plaques constituant un condensateur plan…) Les techniques du vide ayant été perfectionnées, la pression du gaz emprisonné put être abaissée à 0,1 bar voire 0,005 bar. En 1851 RUHMKORFF avait mis au point un générateur, nettement moins encombrant que les batteries de piles voltaïques, et qui permettait d’appliquer entre anode et cathode des tensions de l’ordre de quelques centaines de kilovolts jusqu’à plusieurs centaines de kilovolts. En donnant une forme concave à la cathode, on obtient une meilleure concentration du faisceau de rayons cathodiques. L’anode ne sera plus disposée à l’opposé de la cathode. Enfin, la paroi interne sera enduite d’une matière fluorescente. Au vu de sa participation à l’amélioration de ces dispositifs, on parle plus souvent de tubes de CROOKES que de tubes à rayons cathodiques. A noter que le terme « tube cathodique » sera encore utilisé de nos jours, pour désigner les tubes des anciennes télévisions. Une différence avec les tubes CROOKES, leur anode est chauffée. La plupart des savants de cette époque utilisèrent les tubes de CROOKES pour tenter de comprendre la nature des rayons cathodiques. On pourrait citer Julius PLUCKER, Eugen GOLSTEIN, Jean-Baptiste PERRIN, Heinrich HERTZ, mais il serait difficile d’en faire une liste non exhaustive. On se limitera à trois exemples : 1869, Johann Wilhem HITTORF (1824-1914) en interposant sur le trajet des rayons un écran métallique montra que leur propagation est rectiligne. Il observa leur déviation par l’action d’un champ magnétique. 1897, Joseph John THOMSON (1856-1940). Après avoir dévié le faisceau tour à tour par un champ électrique puis par un champ magnétique, il en déduisit qu’ils sont formés par des particules chargées négativement. Il put déterminer leur charge et leur masse. Il arriva à la conclusion qu’elles proviennent de l’atome donc celui-ci n’est indivisible. Il donna le nom d’électrons à ces particules. 1895 Wilhem Conrat RONTGEN (1845-1923) en plaçant une anticathode dans un tube de CROOKES découvre un rayonnement inconnu qu’il appela « rayon X ». 4. Le radiomètre de CROOKES En 1871, James MAXWELL (1831-1879) déduisit théoriquement qu’une surface exposée à un rayonnement électromagnétique, subit de la part de celui-ci une pression appelée pression de radiation ou pression du rayonnement. En 1873, W. CROOKES imagina un appareil, le radiomètre, pour mettre en évidence l’existence de cette pression. Cet appareil est constitué par une ampoule sous vide partiel, dans lequel un système rotatif constitué de quatre ailettes en mica, est mobile autour d’un axe vertical. Sur chaque ailette, l’une des faces a été argentée, l’autre recouverte de noir de fumée. Exposé à la lumière, le système se met en rotation. Suivant les prévisions de MAXWELL, les faces noires absorbent la lumière et s’échauffent, les claires réfléchissantes reçoivent plus d’énergie rayonnante et doivent donc repousser les faces sombres. L’expérience montra que la rotation s’effectue en sens inverse. De plus, même avec un éclairement très intense, si le vide est trop poussé, le système ne tourne pas. La solution est donc dans l’ampoule de verre. Plusieurs explications furent proposées ! La face noire absorbe plus la lumière que la face claire, donc s’échauffe plus. Les molécules situées dans Radiomètre de CROOKES Mise en évidence du rayonnement électromagnétique – Le radiomètre La Revue 3EI n°91 Janvier 2018 Thème 26 son voisinage voient leur énergie cinétique augmenter et repoussent plus violemment que celles situées sur l’autre face. Cette explication, longtemps adoptée dans l’enseignement, semble incomplète. Une forte pression devant la face brillante et une dépression derrière la face sombre devraient limiter les rotations très rapides par fort éclairement. EINSTEIN et REYNOLDS ont proposé un complément d’interprétation. Les différences de température entre les deux faces de l’ailette entrainent des différences de densités entre les gaz situés dans ces zones. Le déplacement du gaz de la zone de densité élevée (face claire) vers la zone de densité faible (face sombre) va créer une diminution de résistance à l’avancement côté face brillante. Une expérience très simple à mettre en œuvre est de présenter un fer à repasser chaud devant la sphère en verre. Une faible rotation apparaît et dépend du réglage effectué sur le fer, donc de la quantité d’infrarouges émis. Cet appareil a été utilisé en enseignement de Physique en collège jusque dans les années 80. Avec d’autres appareils de ce type, il était possible de montrer réellement aux élèves certaines notions physiques. Conclusion Les scientifiques ont, tout au long de l’histoire, fait preuve d’ingéniosité et de créativité pour réaliser des mesurages indirects des phénomènes qu’ils avaient découverts ou envisagés. Ils étaient souvent des experts dans de nombreux domaines tels que la verrerie, la chaudronnerie, etc. L’électronique et l’informatique ont permis de simplifier l’étude, et ont toutefois occulté des compétences de mise en œuvre expérimentale. Radiomètre & fer à repasser Faites connaître la Revue 3EI ! Les 90 numéros de la Revue 3EI