À la fin du 19ème siècle, la nature des rayons cathodiques (ces faisceaux lumineux observés dans les tubes à décharge) restait encore incertaine. S’agissait-il d’ondes électromagnétiques ou de particules matérielles ? C’est en étudiant leur comportement sous l’action de champs électriques et magnétiques que Joseph John Thomson parvint à trancher cette question et à mettre en évidence l’existence d’une nouvelle particule : l’électron.
Le dispositif expérimental repose sur un tube à vide dans lequel deux électrodes sont placées sous haute tension. La cathode émet un faisceau de rayons cathodiques qui se propage en ligne droite vers un écran fluorescent, où il produit une tache lumineuse visible. Ce faisceau peut être soumis à l’action de champs électrique et magnétique appliqués perpendiculairement à sa direction de propagation.
L’idée fondamentale de Thomson consiste à analyser la déviation du faisceau sous l’effet de champs électrique et magnétique afin d’en déduire la nature et les propriétés des entités qui le composent. Mais cette démarche repose d’abord sur une hypothèse essentielle : celle selon laquelle les rayons cathodiques seraient constitués de particules matérielles chargées.
À l’époque, cette hypothèse est loin d’être évidente. Certains physiciens considèrent encore que les rayons cathodiques pourraient être de nature ondulatoire, à l’image des ondes lumineuses ou électromagnétiques. Thomson choisit au contraire d’adopter un modèle corpusculaire et d’en explorer les conséquences. Il s’agit donc d’une hypothèse de travail, dont la validité devra être confirmée, ou infirmée, par l’expérience.
Dans ce cadre, si les rayons cathodiques sont effectivement constitués de particules chargées animées d’une vitesse \(\overrightarrow{v}\), alors leur trajectoire doit être modifiée lorsqu’elles sont soumises à des champs électrique et magnétique. Plus précisément, ces particules devraient subir une force dépendant de leur charge, de leur vitesse et des champs appliqués, conformément aux lois de l’électromagnétisme.
L’expérience devient alors un test direct de cette hypothèse : si une déviation mesurable du faisceau est observée, et si cette déviation est compatible avec les lois connues de la dynamique des particules chargées, cela constituera un argument fort en faveur de la nature corpusculaire des rayons cathodiques. À l’inverse, l’absence de déviation, ou une déviation incompatible avec ces lois, remettrait en cause cette interprétation.
Ainsi, toute la démarche de Thomson consiste à confronter une hypothèse physique simple (la nature particulaire des rayons cathodiques) à des observations quantitatives précises. Ce n’est qu’au terme de cette confrontation que l’hypothèse pourra être validée et conduire à l’identification d’une nouvelle entité fondamentale : l’électron.
Une particule de charge \(q\), animée d’une vitesse \(\overrightarrow{v}\), soumise à un champ électrique \(\overrightarrow{E}\ \)et à un champ magnétique \(\overrightarrow{B}\), est en effet soumise à la force de Lorentz :
\[\overrightarrow{\mathbf{F}}\mathbf{= q}\left( \overrightarrow{\mathbf{E}}\mathbf{+}\overrightarrow{\mathbf{v}}\mathbf{\land}\overrightarrow{\mathbf{B}} \right)\]
Dans un premier temps, Thomson applique uniquement un champ électrique uniforme entre deux plaques parallèles. La force électrique \({\overrightarrow{F}}_{E} = q\overrightarrow{E}\), perpendiculaire au mouvement initial, provoque une accélération transversale de la particule. Le mouvement reste uniforme selon la direction initiale, mais devient uniformément accéléré dans la direction du champ : la trajectoire est donc une parabole.
En notant \(L\ \)la longueur de la zone soumise au champ, et \(v\ \)la vitesse initiale des particules, on peut montrer que la déviation \(d\ \)observée sur l’écran est donnée par :
\[d = \frac{qEL^{2}}{2mv^{2}}\]
Cette relation montre que la déviation dépend à la fois de la charge, de la masse et de la vitesse des particules. À ce stade, il est impossible de séparer ces grandeurs.
Dans un second temps, Thomson applique simultanément un champ électrique et un champ magnétique, orientés de manière que leurs effets se compensent. Il ajuste les intensités des champs jusqu’à ce que le faisceau ne soit plus dévié. Dans cette configuration, la force électrique et la force magnétique ont même intensité et s’opposent :
\[qE = qvB\]
On en déduit directement la vitesse des particules :
\[v = \frac{E}{B}\]
Ce résultat est essentiel, car il permet de déterminer la vitesse indépendamment de la masse et de la charge.
En réinjectant cette expression dans la formule de la déviation obtenue précédemment, Thomson parvient à éliminer la vitesse et obtient une relation ne dépendant que du rapport entre la charge et la masse :
\[\frac{m}{q} = \frac{L^{2}B^{2}}{2dE}\]
Cette méthode permet donc de mesurer le rapport \(\frac{q}{m}\ \)des particules constituant les rayons cathodiques.
Le résultat obtenu est remarquable : Thomson mesure un rapport charge sur masse \(\frac{q}{m}\) de l’ordre de :
\[\frac{q}{m} \approx 1,7 \times 10^{11}\text{ C.}{Kg}^{- 1}\]
Cette valeur est extrêmement grande comparée à celle des ions connus à l’époque. Par exemple, pour l’ion hydrogène \(H^{+}\), on a :
\[\frac{q}{m} \approx 10^{8}\text{ C.}{Kg}^{- 1}\]
Soit une valeur environ mille fois plus faible.
Une telle différence ne peut pas être attribuée à une simple variation expérimentale : elle traduit une propriété intrinsèque des particules constituant les rayons cathodiques. Deux interprétations sont alors envisageables. Soit ces particules portent une charge électrique beaucoup plus grande que celle des ions connus, soit leur masse est beaucoup plus faible.
Thomson privilégie la seconde hypothèse. En effet, il observe que le rapport \(\frac{q}{m}\ \)mesuré est indépendant de la nature du gaz contenu dans le tube ainsi que du matériau de la cathode. Cela suggère que les particules mises en jeu sont identiques dans tous les cas, ce qui serait difficile à expliquer si leur charge variait fortement d’une situation à une autre.
Il en conclut que ces particules possèdent une charge comparable à celle des ions connus, mais une masse extrêmement faible, environ mille fois plus petite que celle de l’atome d’hydrogène. Cette conclusion est révolutionnaire : elle implique que l’atome, jusqu’alors considéré comme indivisible, contient des constituants plus élémentaires.
Ainsi, les rayons cathodiques sont interprétés comme des flux de particules universelles, présentes dans toute la matière. Ces particules seront ensuite identifiées comme les électrons, première entité subatomique mise en évidence expérimentalement.
Cette découverte marque une rupture majeure : elle démontre que l’atome n’est pas indivisible et contient des constituants plus élémentaires. Les rayons cathodiques sont ainsi identifiés comme des flux d’électrons, première particule élémentaire mise en évidence expérimentalement.
Enfin, il est important de noter que cette expérience ne permet de déterminer que le rapport \(\frac{q}{m}\), et non les valeurs individuelles de la charge et de la masse. Ce n’est que quelques années plus tard, notamment grâce à l’expérience de Millikan, que la charge élémentaire sera mesurée, permettant d’en déduire la masse de l’électron.