Annexe 7 : Preuve d’une nouvelle entité : J.J. Thomson et l’électron
En discutant de l’existence des électrons, Ian Hacking a écrit : » En ce qui me concerne, si vous pouvez les pulvériser, alors ils sont réels « (Hacking 1983, p. 23). Il a poursuivi en développant ce point de vue. « Nous sommescomplètement convaincus de la réalité des électrons lorsque nous entreprenons de construire-et réussissons assez souvent à construire-de nouveaux types de dispositifs qui utilisent diverses propriétés causales bien comprises des électrons pour interférer dans d’autres parties plus hypothétiques de la nature » (p. 265).
Hacking s’inquiétait du fait que la simple manipulation de la première citation,le changement de la charge sur une goutte d’huile ou sur une sphère deniobium supraconductrice, qui n’implique que la charge de l’électron, étaitun motif insuffisant pour croire aux électrons. Sa deuxième illustration, qu’il jugeait plus convaincante parce qu’elle mettait en jeu plusieurs propriétés de l’électron, était celle de Peggy II, une source d’électrons polarisés construite au Centre de l’accélérateur linéaire de Stanford à la fin des années 1970. Peggy II a fourni des électrons polarisés pour une expérience qui a diffusé des électrons sur du deutérium pour étudier le courant neutre faible. Bien que je sois d’accord avec Hacking pour dire que la manipulabilité peut souvent nous fournir des raisons de croire en une entité théorique, son illustration est loin d’être adéquate. Les physiciens manipulaient l’électron au sens de Hacking au début du vingtième siècle. Ils croyaient en l’existence des électrons bien avant Peggy II, et je soutiendrai qu’ils avaient de bonnes raisons pour cette croyance.
La position que j’adopte est une position qui pourrait raisonnablement être appelée réalisme « conjectural ». Elle est conjecturale parce que, bien que nous ayons de bonnes raisons de croire en l’existence d’une entité ou en la vérité d’une loi scientifique, nous pourrions avoir tort. A une époque, les scientifiques avaient de bonnes raisons de croire au phlogiston et au calorique, des substances dont nous avons maintenant de bonnes raisons de croire qu’elles n’existent pas. Ma position inclut à la fois le point de vue de Sellars selon lequel » avoir de bonnes raisons de soutenir une théorie est ipsofacto avoir de bonnes raisons de soutenir que les entités postulées par la théorie existent » (Sellars 1962, p. 97), et le » réalisme des entités » proposé par Cartwright (1983) et par Hacking (1983). Hacking, comme mentionné ci-dessus, et Cartwright mettent tous deux l’accent sur la manipulabilité d’une entité comme critère de croyance en son existence. Cartwright insiste également sur le raisonnement causal dans le cadre de sa croyance dans les entités. Dans sa discussion sur le fonctionnement d’une chambre à nuages, elle déclare : « …s’il n’y a pas d’électrons dans la chambre à nuages, je ne sais pas pourquoi les traces sont là » (Cartwright, 1983, p.99). En d’autres termes, si ces entités n’existent pas, nous n’avons pas d’histoire causale plausible à raconter. Hacking etCartwright accordent tous deux l’existence à des entités telles que les électrons, mais n’accordent un statut « réel » ni aux lois ni aux théories, qui peuvent postuler ou s’appliquer à de telles entités.
Contrairement à Cartwright et Hacking, je suggère que nous avons canal aussi de bonnes raisons de croire aux lois et théories qui régissent le comportement des entités, et que plusieurs de leurs illustrations impliquent implicitement de telles lois. J’ai plaidé ailleurs pour la croyance en la réalité des lois scientifiques (Franklin 1996). Dans cette section, je me concentrerai sur la réalité et l’existence des entités, en particulier de l’électron. Je suis d’accord avec Hacking et Cartwright pour dire que nous pouvons aller au-delà de Sellars et avoir de bonnes raisons de croire en des entités, même sans lois. Hacking et Cartwright mettent l’accent sur l’expérimentation des entités. Je soutiendrai que l’expérimentation sur les entités et la mesure de leurs propriétés peuvent également fournir des raisons de croire en leur existence.
Dans cette section, je discuterai des raisons de croire en l’existence de l’électron en examinant les expériences de J.J. Thomson sur les rayons cathodiques. Son expérience de 1897 sur les rayons cathodiques est généralement considérée comme la « découverte » de l’électron.
Le but des expériences de J.J. Thomson était clairement énoncé dans l’introduction de son article de 1897.
Les expériences discutées dans cet article ont été entreprises dans l’espoir d’obtenir des informations sur la nature des rayons cathodiques. Les opinions les plus diverses sont émises au sujet de ces rayons ; selon l’opinion presque unanime des physiciens allemands, ils sont dus à un processus dans l’éther auquel – dans la mesure où, dans un champ magnétique uniforme, leur parcours est circulaire et non rectiligne – aucun phénomène observé jusqu’ici n’est analogue : une autre opinion sur ces rayons est que, loin d’être entièrement éthériens, ils sont en fait entièrement matériels, et qu’ils marquent le parcours de particules de matière chargées d’électricité négative (Thomson 1897, p. 293).
Le premier ordre du jour de Thomson était de montrer que les rayons cathodiques portaient une charge négative. Ceci avait vraisemblablement été démontré auparavant parPerrin. Perrin plaça deux cylindres métalliques coaxiaux, isolés l’un de l’autre, devant une cathode plane. Les cylindres avaient chacun un petit trou à travers lequel les rayons cathodiques pouvaient passer sur le cylindre intérieur. Le cylindre extérieur était mis à la terre. Lorsque les rayons cathodiques pénètrent dans le cylindre intérieur, un électroscope fixé à celui-ci indique la présence d’une charge électrique négative. Lorsque les rayons cathodiques étaient déviées magnétiquement afin qu’ils ne passent pas par les trous, aucune charge n’était détectée. « Maintenant, les partisans de la théorie aetheriale ne nient pas que des particules électrisées soient tirées de la cathode ; ils nient, cependant, que ces particules chargées aient plus de rapport avec les rayons cathodiques qu’une balle de fusil n’en a avec l’éclair lorsqu’un fusil est mis à feu » (Thomson 1897, p. 294).
Thomson a répété l’expérience, mais sous une forme qui n’était pas ouverte à cette objection. L’appareil est illustré à la figure 14.Les deux cylindres coaxiaux avec des trous sont représentés. Le cylindre extérieur est mis à la terre et le cylindre intérieur est relié à un électromètre pour détecter toute charge. Les rayons cathodiques deA passent dans l’ampoule, mais n’entreraient pas dans les trous des cylindresà moins d’être déviés par un champ magnétique.
Figure 14.Appareil de Thomson pour démontrer que les rayons cathodiques ont une charge négative. Les fentes des cylindres sont représentées. D’après Thomson (1897).
Lorsque les rayons cathodiques (dont la trajectoire était tracée par la phosphorescence sur le verre) ne tombaient pas sur la fente, la charge électrique envoyée à l’électromètre lorsque la bobine d’induction produisant les rayons était mise en action était petite et irrégulière ; lorsque, par contre, les rayons étaient courbés par un aimant de façon à tomber sur la fente, une grande charge d’électricité négative était envoyée à l’électromètre….. Si les rayons étaient tellement courbés par l’aimant qu’ils dépassaient les fentes du cylindre, la charge passant dans le cylindre retombait à une très petite fraction de sa valeur lorsque la visée était correcte. Ainsi, cette expérience montre que, de quelque façon que nous tordions et déviions les rayons cathodiques par des forces magnétiques, l’électrification négative suit le même chemin que les rayons, et que cette électrification négative est indissolublement liée aux rayons cathodiques (Thomson 1897, p. 294-295, c’est nous qui soulignons).
Cette expérience a également démontré que les rayons cathodiques étaient déviés par un champ magnétique exactement de la manière à laquelle on s’attendrait s’il s’agissait de particules matérielles chargées négativement.
Figure 15.Appareil de Thomson permettant de démontrer que les rayons cathodiques sont déviés par un champ électrique. Il a également été utilisé pour mesurer le \(\bfrac{m}{e}\). D’après Thomson (1897).
Il y avait, cependant, un problème pour l’opinion selon laquelle les rayons cathodiques étaient des particules chargées négativement. Plusieurs expériences, en particulier celles de Hertz, n’avaient pas réussi à observer la déviation des rayons cathodiques par un champ électrostatique. Thomson entreprend de répondre à cette objection. Son appareil est représenté sur la figure 15. Les rayons cathodiques provenant de C passent par une fente dans l’anode A, et par une autre fente en B. Ils passent ensuite entre les plaques D et E et produisent une tache phosphorescente étroite et bien définie à l’extrémité du tube, auquel est également fixée une échelle pour mesurer toute déviation. Lorsque Hertz a réalisé l’expérience, il n’a constaté aucune déviation lorsqu’une différence de potentiel était appliquée entre D et E. Il en a conclu que les propriétés électrostatiques du rayon cathodique étaient nulles ou très faibles. Thomson admet que la première fois qu’il a réalisé l’expérience, il n’a constaté aucun effet. « En répétant cette expérience, j’ai d’abord obtenu le même résultat, mais des expériences ultérieures ont montré que l’absence de déflexion est due à la conductivité conférée au gaz raréfié par les rayons cathodiques. En mesurant cette conductivité, on a constaté qu’elle diminuait très rapidement à mesure que l’épuisement augmentait ; il semblait qu’en essayant l’expérience de Hertz à un épuisement très élevé, il y aurait une chance de détecter la déflexion des rayons cathodiques par une force électrostatique (Thomson 1897, p. 296).Thomson a effectivement réalisé l’expérience à une pression plus faible et a observé la déflexion.
Thomson a conclu :
Comme les rayons cathodiques portent une charge d’électricité négative,sont déviés par une force électrostatique comme s’ils étaient électrisés négativement, et sont actionnés par une force magnétique exactement de la manière dont cette force agirait sur un corps électrisé négativement se déplaçant le long du trajet de ces rayons, je ne vois pas d’échappatoire à la conclusion qu’il s’agit de charges d’électricité négative portées par des particules de matière. (Thomson 1897, p. 302)
Ayant établi que les rayons cathodiques étaient des particules de matière chargées négativement, Thomson s’est ensuite interrogé sur la nature de ces particules : « Quelles sont ces particules ? Sont-elles des atomes, ou des molécules, ou de la matière dans un état de subdivision encore plus fin ? » (p. 302). Pour répondre à cette question, Thomson a mesuré le rapport charge/masse des rayons cathodiques. La méthode de Thomson utilise la déflexion électrostatique et magnétique des rayons cathodiques, comme le montre la figure 15. Il comprenait également un champ magnétique qui pouvait être créé perpendiculairement à la fois au champ électrique et à la trajectoire des rayons cathodiques.
considérons un faisceau de particules de masse \(m\) de charge\(e\), et de vitesse \(v\). Supposons que le faisceau traverse un champ électrique F dans la région entre les plaques D et E, qui a une longueur \(L\). Le temps de passage d’une particule dans cette région\(t = \bfrac{L}{v}\). La force électrique sur la particule est \(Fe\) et son accélération \(a = \bfrac{Fe}{m}\). La déviation d à l’extrémité de la région est donnée par
\
Envisageons maintenant une situation dans laquelle le faisceau de rayons cathodiques traverse simultanément \(F\) et un champ magnétique\(B\) dans la même région. Thomson ajuste \(B\) de sorte que le faisceau ne soit pas dévié. Ainsi, la force magnétique est égale à la force électrostatique.
Cela détermine la vitesse du faisceau. Ainsi,
Chacune des quantités de l’expression ci-dessus a été mesurée afin que le \(\bfrac{e}{m}\) ou le \(\bfrac{m}{e}\) puisse être déterminé.
En utilisant cette méthode, Thomson a trouvé une valeur de \(\bfrac{m}{e}\) de \((1,29\pm 0,17)\times 10^{-7}\). Cette valeur est indépendante du gaz contenu dans le tube et du métal utilisé dans la cathode, ce qui suggère que les particules sont des constituants des atomes de toutes les substances. Elle était également beaucoup plus petite, d’un facteur 1000, que la plus petite valeur précédemment obtenue, \(10^{-4}\), celle de l’ion hydrogène dans l’électrolyse.
Thomson a remarqué que cela pouvait être dû à la petitesse de \(m\) ou à la grandeur de \(e\). Il a soutenu que \(m\)était petit en citant les travaux de Lenard sur la portée des rayons cathodiques dans l’air. Cette portée, qui est liée au libre parcours moyen des collisions et qui dépend de la taille de l’objet, était de 0,5 cm. Le libre parcours moyen des molécules dans l’air est d’environ \(10^{-5}\) cm. Si le rayon cathodique voyageait tellement plus loin qu’une molécule avant d’entrer en collision avec une autre molécule, Thomson affirmait qu’il devait être beaucoup plus petit qu’une molécule.
Thomson avait montré que les rayons cathodiques se comportaient comme on s’attendrait à ce que les particules matérielles chargées négativement se comportent. Ils déposaient une charge négative sur un électromètre, et étaient déviés par les champs électriques et magnétiques dans la direction appropriée pour une charge négative.En outre, la valeur du rapport masse/charge était bien plus petite que la plus petite valeur obtenue précédemment, celle de l’ion hydrogène. Si la charge était la même que celle de l’ion hydrogène, la masse serait beaucoup plus faible. En outre, les rayons cathodiques se déplacent plus loin dans l’air que les molécules, ce qui implique également qu’ils sont plus petits qu’un atome ou une molécule. Thomson en conclut que ces particules chargées négativement étaient des constituants des atomes. En d’autres termes, les expériences de Thomson nous avaient donné de bonnes raisons de croire à l’existence des électrons.
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