Rayons Anodiques: Découverte, Propriétés
Les rayons anodiques ou rayons de canal, également appelés positifs, sont des faisceaux de rayons positifs formés de cations atomiques ou moléculaires (ions à charge positive) dirigés vers l'électrode négative d'un tube de Crookes.
Les rayons anodiques commencent lorsque les électrons qui vont de la cathode à l'anode entrent en collision avec les atomes du gaz enfermé dans le tube de Crookes.
Lorsque les particules du même signe se repoussent, les électrons qui se dirigent vers l'anode déclenchent les électrons présents dans la croûte des atomes de gaz.
Ainsi, les atomes qui sont restés chargés positivement, c'est-à-dire qu'ils ont été transformés en ions positifs (cations), sont attirés par la cathode (avec une charge négative).
Découverte
C'est le physicien allemand Eugen Goldstein qui les découvrit, les observant pour la première fois en 1886.
Par la suite, les travaux effectués sur les rayons anodiques par les scientifiques Wilhelm Wien et Joseph John Thomson ont fini par prendre en charge le développement de la spectrométrie de masse.
Propriétés
Les propriétés principales des rayons anodiques sont les suivantes:
- Ils ont une charge positive, la valeur de leur charge étant un multiple de la charge de l'électron (1, 6 10-19 C).
- Ils se déplacent en ligne droite en l'absence de champs électriques et de champs magnétiques.
- Ils s'écartent en présence de champs électriques et de champs magnétiques en se dirigeant vers la zone négative.
- Ils peuvent pénétrer dans des couches minces de métaux.
- Ils peuvent ioniser les gaz.
- La masse et la charge des particules qui constituent les rayons anodiques varient en fonction du gaz contenu dans le tube. Normalement, sa masse est identique à la masse des atomes ou des molécules dont ils sont issus.
- Ils peuvent provoquer des modifications physiques et chimiques.
Un peu d'histoire
Avant la découverte des rayons anodiques, la découverte des rayons cathodiques avait eu lieu tout au long des années 1858 et 1859. Cette découverte est due à Julius Plücker, mathématicien et physicien d'origine allemande.
Par la suite, le physicien anglais Joseph John Thomson a étudié en profondeur le comportement, les caractéristiques et les effets des rayons cathodiques.
De son côté, Eugen Goldstein - qui avait déjà effectué d’autres recherches sur les rayons cathodiques - a découvert les rayons anodiques. La découverte eut lieu en 1886 et il s'en rendit compte lorsqu'il réalisa que les tubes à décharge avec la cathode perforée émettaient également de la lumière à l'extrémité de la cathode.
Il découvrit ainsi qu’outre les rayons cathodiques, il existait d’autres rayons: les rayons anodiques; ceux-ci se sont déplacés dans la direction opposée. Comme ces rayons passaient à travers les trous ou les canaux de la cathode, il a décidé de les appeler des rayons de canaux.
Cependant, ce n’est pas lui, mais Wilhelm Wien qui a par la suite étudié de manière approfondie les rayons anodiques. Wien, avec Joseph John Thomson, finit par poser les bases de la spectrométrie de masse.
La découverte des rayons anodiques par Eugen Goldstein fut un pilier fondamental du développement ultérieur de la physique contemporaine.
Grâce à la découverte des rayons anodiques, des essaims d'atomes à mouvement rapide ont été organisés pour la première fois, et leur application a été très fertile pour différentes branches de la physique atomique.
Le tube à rayons anodiques
Dans la découverte des rayons anodiques, Goldstein a utilisé un tube à décharge muni d’une cathode perforée. Le processus détaillé par lequel les rayons anodiques sont formés dans un tube à décharge de gaz est le suivant.
En appliquant une grande différence de potentiel de plusieurs milliers de volts au tube, le champ électrique créé accélère le petit nombre d'ions toujours présents dans un gaz et créés par des processus naturels tels que la radioactivité.
Ces ions accélérés entrent en collision avec les atomes du gaz, arrachant les électrons et créant plus d'ions positifs. À leur tour, ces ions et électrons attaquent à nouveau plus d'atomes, créant plus d'ions positifs dans ce qui est une réaction en chaîne.
Les ions positifs sont attirés par la cathode négative et certains passent à travers les trous de la cathode. Quand ils atteignent la cathode, ils ont déjà accéléré suffisamment rapidement pour qu’ils entrent en collision avec d’autres atomes et molécules du gaz, ils excitent l’espèce à des niveaux d’énergie plus élevés.
Lorsque ces espèces retrouvent leurs niveaux d'énergie d'origine, les atomes et les molécules libèrent l'énergie qu'elles avaient précédemment gagnée. l'énergie est émise sous forme de lumière.
Ce processus de production de lumière, appelé fluorescence, provoque l'apparition d'une brillance dans la région où les ions sortent de la cathode.
Le proton
Bien que Goldstein ait obtenu des protons avec ses expériences avec des rayons anodiques, ce n’est pas à lui que la découverte du proton a été attribuée, car il n’a pas été en mesure de l’identifier correctement.
Le proton est la particule la plus légère des particules positives produites dans les tubes à rayons anodiques. Le proton est produit lorsque le tube est chargé d'hydrogène gazeux. De cette façon, lorsque l'hydrogène est ionisé et perd son électron, des protons sont obtenus.
Le proton a une masse de 1, 67 10-24 g, presque identique à celle de l'atome d'hydrogène, et a la même charge mais le signe opposé de celui de l'électron; c'est-à-dire 1, 6 ∙ 10-19 C.
Spectrométrie de masse
La spectrométrie de masse, développée à partir de la découverte des rayons anodiques, est une procédure analytique permettant d’étudier la composition chimique des molécules d’une substance en fonction de sa masse.
Il permet à la fois de reconnaître des composés inconnus, de compter les composés connus et de connaître les propriétés et la structure des molécules d’une substance.
Par ailleurs, le spectromètre de masse est un appareil permettant d'analyser de manière très précise la structure de différents composés chimiques et isotopes.
Le spectromètre de masse permet de séparer les noyaux atomiques en fonction de la relation entre la masse et la charge.
