Sir Joseph John Thomson
Les électrons
par Myriam Beaudoin et Annie Collerette
Biographie
John Thomson est un physicien anglais. Il est né en 1856 au Manchester, en Angleterre. Lorsqu'il fut plus âgé, ses parents l'envoyèrent étudier au " Trinity College " à Cambridge où il apprit les propriétés électriques de la matière. Quelques années plus tard, il entra dans un autre collège pour terminer ses études et par la suite, vers l'âge de vingt-huit ans, il devint professeur de physique expérimentale. Il y enseignera pendant environ 42 ans et finira par devenir directeur. Il sera également professeur à l'institut Royal de Londres et sera nommé président de la Société royale.
Durant sa vie, Thomson fit plusieurs expériences et introduisit plusieurs théories. Dans les années 1880, il se pencha sur les tubes de Crookes et après s'être posé quelques questions à ce sujet, il finira par conclure que les rayons cathodiques dans les tubes sont constitués de particules chargées négativement. Plus tard, vers les années 1900, il mesura la charge massique de l'électron. Il proposera aussi une théorie qui sera : les atomes sont sous forme de sphères d'électricité positive dans lesquelles sont enfoncés des électrons, des grains d'électricité négative. Puis, il proposera un modèle de l'atome, dit modèle de Thomson, et après, vers 1913, il inventera le spectographe de masse et découvrira les premiers isotopes. Enfin, toutes ses recherches et ses affirmations finiront par lui donner le prix Nobel de physique en 1906.
Découverte
Le 30 avril 1897 fut une journée spéciale pour Joseph John Thomson. En effet, il annonça, ce jour-là, une de ses découvertes. À l'aide d'aimants et de champs électriques, il travailla sur le comportement des rayons cathodiques. Il conclut que les rayons lumineux dans le tube cathodique étaient des électrons, c'est-à-dire de la matière formée de petites particules chargées d'électricité négative. Il découvrit aussi qu'un atome d'hydrogène avait une masse d'environ 1000 fois plus grande que ceux-ci. Il observa également la production de particules positives dans le tube cathodique. Ce qui l'amena à conclure que les éléments constitutifs de l'atome étaient des particules positives et négatives. Pour préciser que l'atome était constitué de ces charges, Thomson imagina un modèle atomique nommé Plum-Pudding dont l'agencement consistait en une enveloppe positive contenant des charges négatives.
Voici le modèle que Thomson imagina :
Lors de cette découverte, Joseph John Thomson utilisa le tube à rayon cathodique pour prouver ce qu'il disait.
Sur cette photo, on voit Joseph John Thomson et le tube à rayon cathodique. Il annonçait la découverte des électrons en 1897.
Cette image que vous voyez ci-haut représente le tube à rayon cathodique utilisé pour la découverte. Il mesure environ un mètre de longueur et il a été conçu à la main. Le long doigt en verre projetant vers le bas du globe a été scellé après avoir servi pour créer un vide dans le tube.
Les deux plaquettes au milieu ont été connectées à une batterie très puissante; ce qui a créé un champ électrique puissant par lequel les rayons cathodiques avaient passé. Thomson pouvait aussi utiliser des aimants qui étaient placés de chaque côté de la portion du tube droit de la plaquette électrique. Cela lui permettait d'utiliser l'électricité ou le magnétisme ou la combinaison des deux ensembles pour causer la déviation du rayon cathodique. Différentes étapes avaient été suivies afin d'arriver à la conclusion de ces résultats. Premièrement, lorsqu'il plaça un objet dans la trajectoire du rayon cathodique, l'ombre fut dirigée sur le contour lumineux du tube. Ce qui signifiait que le rayon cathodique parcourait sur une ligne droite. Il a démontré aussi que le rayon cathodique s'emparait de l'énergie qui pouvait faire du travail. Ensuite, il fit dévier le rayon cathodique dans la ligne droite de la trajectoire du champ magnétique. (Cette découverte en 1855 précède de dix ans l'unification de l'électricité et le magnétisme par James Clerk Maxwell.) Bien que les scientifiques avaient plusieurs hypothèses, les rayons cathodiques étaient chargés négativement. Joseph John Thomson fut le premier individu à faire dévier le rayon cathodique avec un champ électrique.
La courbe du rayon cathodique dirigée vers le pôle positif confirme la charge négative du rayon cathodique. Joseph John Thomson avait utilisé la notion e/m pour mesurer la charge massique de l'électron. La valeur de la charge des électrons est de 1,602x10-19 coulombs et la masse des électrons est de 9,109x10-31 kilogrammes. Alors la valeur pour la proportion de l'équation e/m est de 1,759x1011 kilogrammes. La proportion e/m est importante puisque c'est le plus loin qu'il pouvait aller avec le tube à rayon cathodique. C'est à partir de cela qu'il a trouvé l'équation mathématique Ne=Q et qu'il a réussi à calculer l'électricité totale utilisée. Donc N est le nombre de particules, E est la charge et Q est la charge totale.
Impact sur la société
Le modèle atomique (modèle de Thomson) est plus précisément une particule portant des charges électriques négatives appelées électrons. Et bien aussi petits qu'ils soient, les électrons jouent un rôle fondamentaux dans notre société, car ils sont partout.
Comme exemple, ils se promènent jour et nuit dans les fils électriques en milliers de méga watts dans les centrales hydroélectriques. On les retrouve aussi dans le domaine de la robotisation; grâce à eux, nous avons pu atteindre un niveau de production qui était inconcevable. Il y a aussi la médecine : grâce aux électrons et au microscope, nous avons pu sonder l'infiniment petit. Nous savons qu'ils seront encore présents dans le futur, car imaginez les possibilités incalculables de la télématique et de l'aéronautique spatial, dont le développement dépend entièrement des applications technologiques de l'électron. Et même si vous n'êtes pas un médecin ou un astronaute, vous êtes en contact avec des électrons à tous les jours si ce n'est pas à toutes les minutes, car ils sont présents dans la télévision, le microscope, les jeux vidéo, le téléphone, la radio, la calculatrice et plusieurs autres appareils.
Bibliographie
Livres
BANDZUCK, Claude, et autres. Odyssée Sciences Physiques 416-436, Montréal, Éditions du Renouveau pédagogique inc, 1991, 527 p.
Le petit Larousse illustré 1994, Paris, Larousse, 1993.
Documents dans W3
Alamnehe, Abass Belay. (Page consultée le 4 février 1997). Ethiopian Science and Technology, [En ligne]. Adresse URL : http://truman.cs.missouri.edu/abass2.html
Laurent, Pierre. (Page consultée le 17 février 1997). ThomsonJJBiographie, [En ligne]. Adresse URL : http://www.unicaen.fr/home/expoRontgen/Biographies/ThomsonJJBiographie.html
Park, John L. (Page consultée le 20 févreir 1997). Chem Team:Thomson's Cathode Ray Tube, [En ligne] Adresse URL : http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/Disc-of-Electron-Image.html
Recherche : Myriam Beaudoin et Annie Collerette, Centre Le Goéland, Sherbrooke, QC
Page mise à jour : 19 octobre 1997
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