Grand dictionnaire universel du XIXe siècle/atome s. m. (supplément 2)
** ATOME s. m. ― Encycl. Atomes tourbillons. L’esprit conçoit difficilement ce que les chimistes et les physiciens appellent atomes, ces particules extrêmement ténues qu’il faut se figurer comme effectivement insécables, bien que mathématiquement on puisse toujours concevoir la moitié, le dixième, le centième, le millionième d’une quantité si petite qu’elle soit. Sir William Thomson a imaginé à ce sujet une théorie fort ingénieuse, qui assimile les atomes à des tourbillons d’un fiuide où les frottements n’existent pas. Cette théorie, si elle n’est pas nécessairement l’expression de la réalité, est du moins fort élégante et permet de fixer les idées en donnant un corps à la notion si abstraite jusque-là de la particule indivisible. La théorie de W. Thomson repose sur les beaux travaux d’Helmoltz sur les propriétés des tourbillons d’un fluide parfait et emprunte son idée première au phénomène bien connu des couronnes tourbillonnantes de fumée telles qu’en produisent les bulles d’hydrogène phosphoré crevant à la surface de l’eau ou que savent en lancer les fumeurs par un mouvement approprié des lèvres. Il est donc indispensable de rappeler quelques-unes des propriétés intéressantes de ces couronnes. Nous commencerons par indiquer un procédé à la fois sûr et commode pour les obtenir. L’appareil (fig. 1) consiste en une caisse carrée en bois dont l’une des faces est percée d’un large orifice circulaire, tandis que la face opposée est formée par une toile fortement tendue.
Ce n’est pas seulement la fumée de sel ammoniac qui traverse l’air, c’est une masse d’air chargé de fumées, masse chassée de la caisse et devenues, pour ainsi dire, en vertu de son mouvement tourbillonnant, une substance distincte de l’air ambiant et se déplaçant à travers ce dernier aussi indépendamment que le pourrait faire un solide.
Ces tourbillons d’air ou de fumée seraient l’image exacte des tourbillons théoriques d’Helmoltz s’ils se formaient et se mouvaient dans un fluide parfait, c’est-à-dire où les frottements des particules en mouvement relatif les unes par rapport aux autres seraient nuls. Evidemment, dans l’air le frottement n’est pas nul, et même on peut dire que s’il l’était il serait impossible de produire les anneaux tourbillons; c’est, en effet, grâce au frottement des particules d’air sur les bords de l’orifice et au frottement des particules entre elles que la pression exercée sur le fluide engendre un mouvement tournant. Si le frottement était nul, on ne pourrait pas plus détruire les tourbillons préexistants qu’on ne pourrait en créer de nouveaux. Mais bien que, ou plutôt de même que la génération des anneaux tourbillonnants suppose l’existence d’uu frottement entre les particules du fluide au sein duquel ils se produisent, ce frottement même les désorganise après un parcours assez limité ; toutefois il n’est pas tel que l’anneau ne puisse se propager sans altération sensible assez loin et assez longtemps pour donner lieu à des observations intéressantes. Dans des expériences du savant anglais P.-G. Tait, faites en public, c’est-à-dire dans des conditions défavorables, les anneaux de 0m,,5 à 0m,,20 de diamètre parcouraient de 6 à 8 mètres sans altération bien sensible.
Poussons plus loin l’étude expérimentale de ces anneaux. Si nous remplaçons l’orifice circulaire par un orifice carré ou elliptique, nous engendrons des tourbillons qui, à l’origine, sont carrés ou elliptiques, mais qui oscillent continuellement autour de la forme circulaire. La forme circulaire se présente ainsi comme la forme d’équilibre stable vers laquelle tend un anneau tourbillonnant quelconque. Reprenons donc l’orifice circulaire et examinons l’action réciproque de deux anneaux. Lorsque deux anneaux viennent à se toucher, ils ne se confondent point, mais il se mettent à vibrer rapidement en s’éloignant l’un de l’autre, comme le feraient deux corps élastiques après un choc. Un cas intéressant à étudier est celui où les deux anneaux se déplacent parallèlement à leur plan, leurs centres décrivant la même trajectoire perpendiculaire à ce plan et le second allant plus vite que le premier. Quand les deux anneaux ne sont plus qu’à une petite distance l’un de l’autre, l’anneau postérieur se contracte, sa vitesse s’accélère, il finit par passer au travers du premier ; mais alors sa vitesse décroît et son diamètre augmente jusqu’au moment où son compagnon l’a traversé et a pris l’avance à son tour; les deux anneaux se pénètrent ainsi alternativement sans perdre leur individualité tant que le frottement du milieu ambiant, les courants d’air et les diverses causes extérieures ne les ont pas altérés. Enfin, si l’on essaie de couper un anneau tourbillonnant à l’aide d’une lame, l’anneau s’infléchit, se dérobe, mais ne se laisse pas entamer, et, dès que la lame est éloignée, il reprend sa forme primitive après quelques oscillations.
Helmoltz a démontré, au cours de son travail sur les tourbillons dans les fluides parfaits, qu’un tel anneau est en effet indivisible. C’est cette indépendance, cette autonomie, jointe à l’insécabilité, qui a suggéré à M. Thomson l’idée de faire de ces tourbillons l’image des atomes et qui a été pour lui le point de départ de sa nouvelle conception sur la constitution du monde. Ajoutons que si les anneaux en forme de tores où les mouvements particuliers se font circulairement autour d’un axe circulaire sont les seuls que nous sachions effectivement produire, Helmoltz a envisagé les tourbillons à un point de vue beaucoup plus général ; un filament tourbillonnant pourrait avoir une infinité de formes, présenter des nœuds, des spires, et cependant, abstraction faite du frottement, un tel tourbillon aurait encore son autonomie et son insécabilité. Cela posé, voici la conception de Thomson. L’univers est constitué par un milieu où le frottement est nul et que parcourent des tourbillons. Empruntons ici l’exposé de Wurtz, qui est à la fois très rapide et très clair. « Un fluide remplit tout l’espace et ce que nons nommons matière sont les portions de ce fluide animées de mouvements tourbillonnants. Ce sont des légions innombrables de fractions ou portions infiniment petites ; mais chacune de ces portions est parfaitement limitée, distincte de la masse entière et distincte de toutes les autres, non par sa substance propre, mais par sa masse et par ses modes de mouvement, qualités qu’elle conserve éternellement. Ces portions-là sont les atomes. Dans le milieu parfait qui les renferme, aucun d’eux ne peut changer ou disparaître, aucun ne peut naître spontanément. Partout les atomes de la même espèce sont constitués de la même façon et doués des mêmes propriétés. » Cette hypothèse nous ramène à l’ancienne conception d’une matière unique qui a souvent tenté les penseurs, mais dont la réalité sans doute sera toujours inaccessible à la démonstration.
Quoi qu’il en soit, pour que l’hypothèse de Thomson soit acceptable, il faut qu’elle ne soit pas incompatible avec les faits observés et les lois expérimentales; i1 faut donc, en particulier, qu elle se prête à une interprétation de l’attraction universelle. « Eh bien, dit le savant anglais P.-G. Tait, la seule explication plausible qui ait été proposée est celle de Lesage de Genève, qui a donnée au commencement de ce siécle. Elle consiste à admettre que « à côté des grosses particules de matière qui sont les atomes tangibles de la matière sensible, si grand que soit leur nombre, il y a une quantité infiniment plus grande d’atomes bien plus petits qui s’élancent dans toutes les directions avec des vitesses énormes. » Lorsque deux particules de la matière sensible sont à une certaine distance l’une de l’autre, chacune protège l’autre d’une partie du bombardement des particules impondérables qu’elle recevrait si elle était seule, et chacune sera bombardée sur le côté opposé à sa voisine bien plus que sur la face qui la regarde ; il est aisé d’établir par le calcul que cet excès de bombardement équivaut à une attraction réciproque en raison inverse du carré de la distance. Il faut encore que cette attraction soit proportionnelle au produit des masses des deux particules, et cela exige que les masses de matière soient comme treillagées, en sorte qu’il passe au travers un nombre de molécules bien plus grand que celui des molécules qui les heurtent. C’est donc une nouvelle hypothèse à greffer sur l’hypothèse fondamentale. Il faut, en outre, expliquer la source de l’énergie des plus petites particules, ce qui est encore à faire. Aussi, bien que séduisante au premier abord, la théorie de Thomson a-t-elle encore besoin d’un sévère contrôle expérimental avant de pouvoir être acceptée.
— Dimensions des atomes. Rien n’est moins certain, en réalité, que l’existence des atomes au sens où l’on prend d’habitude ce mot; mais ce qui est tout à fait mis hors de doute par les phénomènes chimiques, c’est qu’une matière ne peut pas être divisée au delà d’une certaine limite sans qu’elle cesse d’avoir ses caractères spécifiques. Une comparaison fera concevoir cette proposition, qui peut paraître paradoxale à première vue. Imaginons une construction faite d’un nombre extrêmement grand de moellons dont les interstices sont comblés par du mortier. Vue de loin, une telle masse paraîtra homogène. Brisons-la en pièces assez grosses pour que chacune contienne encore un grand nombre de moellons ; les morceaux conserveront les caractères du tout, car ils seront constitués de la même façon que le tout lui-même, le mortier et les moellons y étant sensiblement en même proportion. Mais brisons la masse en morceaux de plus en plus menus. Il arrivera un moment où les morceaux cesseront d’être comparables au tout ; dans les uns le moellon dominera, dans les autres ce sera le mortier, et sans même avoir poussé la division assez loin pour que le mortier soit entièrement séparé du moellon, on aura deux matières aussi différentes entre elles qu’elles sont différentes de la matière primitive. On peut se figurer ainsi la décomposition des corps. L’eau, par exemple, dont chaque goutte, vue dans le plus puissant microscope, nous parait homogène, comme la construction dont nous venons de parler paraîtrait homogène vue de loin dans le meilleur télescope, finit par se résoudre, sous l’action de différentes forces telles que la chaleur ou le courant électrique en deux matières distinctes et n’ayant ni l’une ni l’autre les caractères de l’eau. Il était intéressant, en dehors de toute idée sur la constitution des atomes, de se rendre compte du degré de ténuité que doivent atteindre les particules pour que l’hétérogénéité apparaisse et qu’une matière soit résolue en plusieurs matières, en ces matières où aucune division n’a pu jusqu’ici révéler d’hétérogénéité et qu’on appelle corps simples ou éléments ». Loschmidt parait être le premier qui ait donné à ce sujet un résultat approximatif. W. Thomson a fourni depuis, par diverses méthodes, des évaluations concordantes.
Sans nous arrêter aux considérations de Cauchy, qui démontrent que la dispersion des rayons lumineux telle qu’on l’observe dans le prisme ne peut s’expliquer que si les particules ont des dimensions de beaucoup inférieures (10.000 fois par exemple) à la longueur d’onde de la lumière, c’est-à-dire au dix-millième de millimètre, arrivons aux évaluations de Thomson. On sait que le cuivre et le zinc mis en contact, c’est-à-dire extrêmement rapprochés, car il n’y a pas de contact absolu, se chargent d’électricité et par conséquent s’attirent ; s’ils se fusionnaient en une seule matière, les forces électriques effectueraient un travail qui équivaut à une certaine quantité de chaleur. La quantité d’électricité mise en jeu, et par conséquent le travail des forces électriques, augmentent avec la surface, c’est-à-dire au fur et à mesure que les masses de cuivre et de zinc sont plus divisées.
On peut concevoir que cette division soit telle, que la chaleur équivalente au travail effectué par les forces électriques, quand les particules se fusionnent, soit suffisante pour amener effectivement la fusion en un alliage homogène. Or, on sait par expérience la quantité de chaleur dégagée dans la formation de cet alliage, qui est le laiton. En s’appuyant sur diverses données expérimentales, dont quelques-unes, il est vrai, laissent un peu de place à l’incertitude, on calcule que, si les particules métalliques étaient réduites à 36 billionnièmes de millimètre, la quantité de chaleur de combinaison serait notablement supérieure à celle qu’on observe. On doit en conclure que les particules doivent avoir des dimensions supérieures à 0mm,000 000 036.
Une troisième évaluation est fondée sur la considération des phénomènes capillaires. On sait qu’une surface liquide se comporte comme une lame de caoutchouc tendue; en particulier, une bulle d’eau de savon peut être assimilée à un ballon de caoutchouc; en y insufflant du gaz par un tube, on la distend mais, si on laisse l’orifice du tube libre, la bulle se dégonfle et diminue de diamètre. Or, pendant que l’on souffle une bulle de savon, sa température s’abaisse, et ce phénomène est corrélatif de la diminution de tension superficielle quand la température croit. On a calculé que, si l’on pouvait réduire l’épaisseur de la bulle à 50 billionnièmes de millimètre et si les données expérimentales pouvaient s’appliquer, par extrapolation, à ce cas irréalisable, la quantité de chaleur qu’il faudrait fournir à la bulle pour maintenir sa température en équilibre avec le milieu ambiant, et sans compter celle qui équivaut au travail nécessaire pour vaincre les forces moléculaires, est suffisante pour échauffer une masse d’eau quatre fois plus grande à 100°. On ne peut guère concevoir un pareil résultat et l’on est conduit à admettre que la tension superficielle à température constante est beaucoup diminuée quand on arrive à une telle ténuité; mais cette diminution de tension superficielle ne se conçoit elle-même que si l’épaisseur de la lame est de l’ordre de grandeur du rayon de la sphère d’action moléculaire et qu’il n’y ait plus qu’un petit nombre de particules dans l’épaisseur. La quatrième méthode d’évaluation se fonde sur la théorie cinétique des gaz; elle ne peut être expliquée ici ; nous dirons seulement que le calcul conduit au nombre 50 billionnièmes de millimètre pour les dimensions des particules. Tous les nombres trouvés sont du même ordre de grandeur, et si l’on peut donner par une image frappante l’idée de la grosseur des dernières particules matérielles, on peut dire que ces particules sont à un grain de plomb ce qu’un grain de plomb est par rapport à la Terre. Autrement dit, si l’on pouvait construire un microscope assez puissant pour faire paraître un grain de plomb de chasse aussi gros que la Terre, ses molécules paraîtraient sensiblement de la grosseur d’un grain de plomb.