CONSÉQUENCES THÉORIQUES ET GÉNÉRALISATION DE L'AUTO-IONISATION

Conséquences macroscopiques.

Le phénomène que nous avons décrit dans cette seconde partie, qui est relativement important chez les corps légers, puisqu'il peut abaisser jusqu'à quelques centièmes le rendement de fluorescence, est susceptible d'expliquer et de coordonner tout un ensemble de résultats expérimentaux relatifs à l'absorption et à l'émission des rayons X. On peut aussi généraliser cet effet en le rattachant à divers phénomènes du domaine de l’optique et de la radio-activité. Nous allons parcourir rapidement ces diverses observations en remarquant la grande parenté qui les relie, parenté de principe puisqu'il s’agit toujours de la transformation directe de l'énergie d’excitation des atomes en énergie cinétique et en énergie d’excitation de niveaux moins profonds, sans rayonnement électromagnétique extérieur.

Tout d’abord, dans le domaine même où l'effet a été mis directement en évidence, il se répercute macroscopiquement de deux manières sur les phénomènes qui se produisent lors de l'excitation d'un radiateur par les rayons X : 1° en diminuant l'importance de la fluorescence en rayons caractéristiques ; 2° en augmentant la quantité de rayonnement électronique.

Diverses expériences permettent de se rendre compte de ces effets. Nous signalerons d'abord les résultats, déjà anciens, de. Barkla, restés inexpliqués jusqu’à ces derniers temps, et qui s’interprètent immédiatement par l'eftet photoélectrique complexe. D’autres expériences montreront tantôt l'abondance des rayons électroniques, tantôt la diminution de la fluorescence.

Expériences de Barkla. — Cet auteur a montré () que l'évaluation expérimentale du rapport de l'énergie rendue par un radiateur soumis aux rayons X, à l'état de fluorescence, à celle qu’il restitue sous forme de radiations corpusculaires, n'est pas en accord avec l'équation photoélectrique d'Einstein. En particulier, en excitant un corps par du rayonnement de fréquence v, très peu supérieure à celle de son niveau K, on ne devrait récolter, si les atomes ionisés suivaient tous le mode d'évolution avec fluorescence, que de l'énergie électromagnétique, les photoélectrons sortant avec de petites vitesses, et n’emportant que l'excès de Av, sur Av... Au contraire, Barkla, étudiant le brome, a trouvé un partage à peu près égal de l’énergie restituée entre les deux formes, électromagnétique et corpusculaire. On peut donc déduire de ces résultats, comme l’a fait Bothe (?), que le rendement de fluorescence pour K du brome doit être de l'ordre de 0,5 ; on voit que ces conclusions sont en excellent accord avec le nombre frouvé ici pour le Krypton, voisin immédiat du brome dans le tableau périodique.

D'ailleurs, toutes les expériences dans lesquelles on a étudié les niveaux d'absorption des corps par des méthodes d'ionisation manifestent en réalité le même phénomène : au moment où la fréquence incidente est suffisante pour l'excitation d’un niveau, apparaît subitement une ionisation

(t) Phil. Trans., ae JFO.

(2) Physik. Zeits., 26 (1925), 4ro.

L'EFFET PHOTOÉLEOTRIQUE COMPOSÉ 59 considérable. Cette ionisation est due aux rayons tertiaires, qui sont émis dès ce moment avec toute leur énergie, tandis que l'effet des rayons secondaires est encore négligeable et ne s’accroit qu'au fur et à mesure de l’augmentation de la fréquence incidente.

Deux des clichés présentés ici illustrent particulièrement bien ces considérations. Sur le cliché 8 planche II, on voit ce qui se passe dans le krypton excité peu au-dessus de son niveau K : les rayons $ secondaires qui n’emportent que la différence entre le quantum incident et Av, sont très courts,

visibles seulement sous forme de glomérules ; au contraire, les rayons tertiaires sont grands et représentent presque toute l'énergie du quantum absorbé : ils produisent à eux seuls toute l'ionisation observable. Sur le cliché 14 planche IV, on peut reconnaître l'effet photoélectrique complexe sur K du xénon : le rayon secondaire est le plus court des 4, l’excitation dépassant à peine le niveau K (3 ou 4 kv) ; le tertiaire, rapide, sort des limites de la plaque ; les deux quaternaires égaux sont nettement distincts. Ici encore il est bien évident que toute l'ionisation du milieu est due aux rayons d’autoionisation.

Spectres magnétiques de rayons secondaires. — La méthode de M. de Broglie pour l'étude des rayons B secondaires a permis de constater l'existence d’une émission électronique accessoire, accompagnant les rayonnements photoélectriques. MM. de Broglie et Thibaut ont signalé (1) que sur les spectres magnétiques obtenus on pouvait toujours observer, en plus des bandes correspondant aux rayons $ secondaires, et qui suivent la loi d’Einstein, des bandes supplémentaires, indépendantes de la fréquence incidente, ne dépendant que du radiateur, et dont la place correspond bien à ce qu’on doit attendre des rayons tertiaires.

(:) Comptes Rendus, t. CLXXX (1925), p. 179.

6o PIERRE AUGER

Travaux de M. Holweck. — C'est surtout dans le domaine des rayons X mous, que les effets des émissions tertiaires se font sentir, le rendement de la fluorescence s’abaissant alors jusqu'à des valeurs très petites (déjà moins de 10 o/o dans l'argon). C’est ainsi que M. Holweck ayant cherché à étudier le rayonnement de fluorescence K de l’aluminium, n’a pu en obtenir une quantité suffisante pour le déceler, presque toute l'énergie absorbée étant rendue sous forme de rayons f tertiaires, dont il a pu d’ailleurs vérifier la très grande abondance.

D'autre part, les niveaux périphériques des atomes lourds se conduisent à peu près de la même manière que les niveaux profonds des corps légers, et leur rendement de fluorescence peut devenir très petit. On doit attribuer à ceci le fait qu’on n’observe pas de rayonnements caractéristiques des anticathodes, dans les tubes à rayons mous : M. Holweck a montré (!) que les rayons X produits dans ces tubes étaient presque uniquement constitués par du fond continu, fortement rassemblé vers les courtes longueurs d'onde, et dont:le début très net dans cette région suit parfaitement la loi du quantum. Les apparitions brusques de séries de raïes, qui se produisent au passage des discontinuités d'absorption, n’ont ici qu'une importance énergétique très faible, ces rayons de fluorescence ne sortant guère des atomes sources, tandis que la production du fond continu, qui ne fait sans doute pas intervenir le même mécanisme, n’est pas altéré. Nous verrons plus tard comment ces remarques permettent de concevoir le fonctionnement des anticathodes en général.

Enfin en ce qui concerne les corps de la première ligne du tableau périodique, M. Holweck a fait des observations importantes qui s'interprètent toujours selon les mêmes idées, en suivant avec précision les effets macroscopiques d'ionisation qui se produisent au voisinage des discontinuités K d'absorption de ces corps.

() Annales de Physique.

L'EFFET PHOTOÉLECTRIQUE COMPOSÉ Gr Généralisations.

Radioactivité. — Quittons les rayons X pour rechercher

dans la région des rayons très pénétrants, des rayons y des corps radioactifs, des effets analogues. Nous trouverons la réplique exacte de l'effet photoélectrique composé dans l'émission des rayonnements électroniques qui composent le spectre 8 de ces corps. La théorie de cette émission telle qu'on l’admet actuellement, comporte en effet deux phénomènes. D'abord la transformation nucléaire déterminant la perte d'un électron et suivie de remaniements qui libèrent des quantités d'énergie caractéristiques des niveaux nucléaires. Ces quanta nucléaires peuvent donner lieu à des rayonnemepts électromagnétiques, qui sont alors les rayons y nucléaires qu’on étudiera par ia méthode des cristaux ou celle des rayons £ secondaires. Mais on à pu montrer (Ellis, Lise Meitner) qu’une forte proportion de ces quanta étaient repris par l'atome même dont le noyau les a produits, déterminant l’effet photoélectrique interne dans ses niveaux électroniques profonds.(K, L, etc.) ; les électrons ainsi extraits forment le spectre de rayons & du corps radioactif.

On voit que l’analogie avec les processus de production des rayons tertiaires et quaternaires est très étroite. C’est ici le noyau qui joue le rôle du niveau primitivement excité (peutêtre existe-t-il réellement pour ce noyau un rayon électromagnétique primaire, analogue au rayon ionisant des expériences décrites 1ei : ce serait le rayon ultra- X dont M. Jean Perrin a suggéré l'existence). L'énergie libérée dans ce noyau par les rémaniements internes peut donner lieu à du rayonnement y caractéristique (analogue à la fluorescence) ou bien se portant sur des électrons des niveaux qui lui sont extérieurs, les chasser sous forme de rayons 6. La liaison

entre le noyau et les premiers niveaux électroniques est du même genre que celle qui relie les différents niveaux entre eux. Les nombres qui mesurent ce rendement en rayons 7 sont d'ailleurs du même ordre que ceux qui représentent le rendement de fluorescence des niveaux profonds des éléments

lourds

Fluorescence optique. — Une généralisation du même genre peut être faite aussi de l’autre côté de l'échelle des fréquences, dans le domaine du spectre optique. Ce sont alors les régions les plus périphériques des atomes (électrons de valence, etc.) ou des portions de molécules tout entières, qui sont le siège de l'absorption et de l'émission lumineuse ; nous pouvons constater entre ces régions, dans une même molécule ou dars des molécules voisines, des liaisons très analogues à celles que nous venons de signaler dans la partie profonde des atomes.

Prenons en effet le schéma de la théorie de la fluorescence, telle que M. Jean Perrin l’a donné. Une molécule (de fluorescéine par exemple) recevant de la lumière violette, en absorbe un quantum et passe dans un état excité ; dans cet état elle dure quelque temps, puis revient à son état normal en libérant un quantum d'énergie plus petit ou égal à celui qu'elle avait absorbé : cette énergie redonne de la lumière, de fréquence moindre, qui est la lumière de fluorescence. Si le rendement de cette fluorescence était égal à r, c'est qu'à chaque quantum absorbé correspondrait un quantum lumineux restitué. Mais en réalité ce rendement est souvent de beaucoup inférieur à l'unité, impliquant la disparition de l’énergie d’excitation par une autre voie que celle de la fluorescence. Les travaux de M. Jean Perrin ont montré que l’on devait rapporter à une action de molécule à molécule voisine cette déperdition, la molécule excitée pouvant agir directement sur une autre molécule du corps fluorescent peu éloignée, qui lui extrait pour ainsi dire son énergie

d'activation. Cette nouvelle molécule pourra passer dans un état d’excitation moins élevé que le précédent, le surplus d'énergie étant transformé en énergie cinétique, et en agitaton thermique par conséquent ; les mêmes phénomènes se reproduiront pour cette nouvelle activation (fluorescence ou fuite de l'énergie sur une particule voisine) et le résultat final sera toujours de la chaleur, pour toute, la portion d'énergie qui n'a pas quitté la matière en jeu sous forme de lumière, plus ou moins dégradée.

Cette action directe (cette « induction ») se produit entre molécules de même espèce, pourvu que leur distance réciproque soit assez petite (de l’ordre du centième de la longueur d'onde de la lumière de fluorescence) : elle explique alors l'existence de l’optimum de fluorescence; dans une solution concentrée, les molécules étant plus voisines agissent plus facilement les unes sur les autres et diminuent la fluorescence ; dans une solution très diluée le rendement devient bon, mais le nombre de molécules décroissant, la fluorescence baisse pour cette autre raison ; c’est donc pour une concentration moyenne que l’optimum se réalise.

Nous pouvons rattacher à ces considérations le fait que le sulfate neutre de quinine n'est pas fluorescent, à l'inverse du sulfate acide : dans ce dernier sel, en effet, il n’y a qu'un groupement actif (quinine) par molécule, comme dans le cas général des substances fluorescentes. Dans la molécule de sulfate neutre, au contraire, deux groupes quinine sont présents et réagissent très facilement l’un sur l’autre, de telle sorte que l'activation de l’un est infailliblement transformée par l’action de l’autre, en chaleur.

Mais ce n’est pas seulement entre particules de matière de même nature qu’existe cette induction : M. Francis Perrin a montré que certains sels, tels que l’iodure de potassium, abaissaient le rendement de fluorescence de l'Uranium, les molécules de ce corps, activées par la lumière, cédant leur

énergie aux ions iode (qui sont seuls actifs) avec transforma- . tion finale en chaleur (t).

En résumé, nous trouvons dans toute l’échelle des fréquences émises par les atomes et groupés d’atomes, depuis Île noyau jusqu'aux molécules les plus complexes, des actions directes, permettant à l'énergie d'activation ou d’excitation de passer d'une région à l’autre de la matière sans se manifester au dehors par du rayonnement électromagnétique et finissant plus ou moins vite par prendre la forme cinétique, rayonnement corpusculaire, ou agitation thermique. Ces actions se produisent toujours entre les parties matérielles susceptibles de vibrer (qu’on peut se représenter schématiquement par des oscillateurs fictifs) et dont les fréquences ne sont pas trop éloignées; elles sont favorisées d’une façon

() 11 semble bien que tous ces effets dans lesquels une fluorescence, dont nous connaissons l'existence, est diminuée ou annulée, comportent comme cas extrêmes de nombreux phénomènes ou de la fluorescence pourrait apparaître, mais n’a en réalité jamais lieu. Par exemple de quelle manière pouvons-nous concevoir que la lumière, absorbée par un corps coloré, se transforme finalement en chaleur ? Les intermédiaires manquent, et doivent être sans doute cherchés dans des phénomènes d’induction quantique comme ceux décrits ci-dessus : La lumière incidente excite les molécules ou portions de molécules absorbantes ; cette énergie d’excitation, qui pourrait servir à produire de la fluorescence, passe grâce à l'influence des parties de la molécule les unes sur les autres, ou à cause du voisinage d’autres molécules (solvant, etc.), à l’état d'énergie cinétique.

De même, comment s’échauffe une anticathode de tube à rayons X°? L’effet immédiat de l’impact des corpuscules cathodiques, est l’ionisation des atomes du métal qu'ils frappent. Une petite partie de l’énergie ainsi communiquée à l’anticathode est émise sous forme de rayons X. Une beaucoup plus grande partie redonne des rayonnements électroniques, qui augmentent encore l’ionisation, en la reportant peu à peu vers les niveaux périphériques. Finalement l’énergie de l'excitation de ces derniers niveaux et celle que produit la recombinaison des ions formés est transformée en agitation thermique grâce à l’action des atomes les uns sur les autres, le voisinage étant très étroit dans les solides, et facilitant le jeu de l'induction quantique.

, # # L EFFET PHOTOËELECTRIQUE COMPOSE 65

considérable par le rapprochement des régions actives et ne se produisent plus quand la distance des oscillateurs est trop grande. Les exemples typiques que nous avons passés en revue se rapportent à l'interaction : 1° du noyau et des niveaux atomiques profonds (K) ; 2° entre niveaux voisins : K, L, L; M etc. ; 3° d’un groupement atomique à l’autre dans la même molécule; 4° d'une molécule à une autre. Nous allons tenter d'analyser un peu plus profondément le mécanisme de ces phénomènes.

Modèles dynamiques.

Absence de rayonnement intermédiaire. — Nous n'avons fait jusqu'à présent aucune hypothèse sur le genre de relation existant entre les niveaux qui interviennent dans l'émission des rayons tertiaires, comme entre les molécules de substance fluorescente. Cependant de l’énergie passe d’une région dans l’autre.

Une hypothèse simple consiste à admettre l'existence intermédiaire d’un rayonnement électromagnétique, qui n’est autre que le rayonnement de fluorescence ; les phénomènes successifs seraient alors les suivants : ionisation d’un niveau, retour à son état normal avec émission d’un quantum de fluorescence, absorption de cette radiation dans un niveau supérieur du même atome, émission par ce niveau d'un électron (rayon tertiaire) par un véritable effet photoélectrique interne. Dans cette façon de voir, il faudrait admettre pour l’atome qui produit une radiation un coefficient d’absorption extrêmement grand.

Cependant cette hypothèse se heurte à des difficultés quand on cherche à la généraliser : par exemple dans l'interaction des molécules de matières fluorescentes, il est difficile

d'admettre qu'une molécule neutre, voisine simplement + 5

66 PIÈRRE AUGER

d'une molécule active, prenne un coefficient d'absorption énorme, suffisant pour qu’elle capte infailliblement le quantum de fluorescence. En outre la considération de l’optimum montre que l'absorption anormale décroît très vite quand les molécules s'éloignent, et cesse quand elles sont distantes de quelques dizaines de fois leur rayon.

D'autre part, quelle représentation pouvons-nous nous faire de la radiation électromagnétique lorsqu'elle n’a encore parcouru depuis son lieu d'émission qu’une petite fraction de sa longueur d’onde (un centième dans le cas de la fluorescence). Dans le cas, décrit au cours de ce travail, de l'effet photoélectrique complexe, on ne peut même dire quel serait le trajet parcouru par cette radiation intermédiaire, car elle prendrait naissance quelque part entre les électrons K et L, pour disparaître ensuite absorbée dans ce niveau L luimême. À

Il me paraît plus conforme aux phénomènes réellement observés, de laisser de côté les rayonnements électromagnétiques, et de concevoir les relations entre les oscillateurs dont il s’agit ici sur un principe différent de celles qui existent entre émetteur et absorbant classiques. -

Transformation de Klein-Rosseland. — Une autre manière de voir assez conforme à certaines idées modernes sur la physique atomique consisterait à prendre l’atome comme un tout, dans le mécanisme intérieur duquel nous ne savons pas pénétrer. Nous pouvons lui communiquer de l'énergie, par excitation, il nous en rend à son tour sous forme de radiations électromagnétiques ou corpusculaires; une sorte d'équivalence réciproque s’établirait ainsi au sujet de ces diverses formes d'énergie.

La conception à laquelle on arrive ainsi est celle qu’a proposée Rosseland (!) comme généralisation des idées de

(1) Zeit. f. phys., t. XIV (1923), p. 178.

Klein et Rosseland sur les chocs de seconde espèce. On sait qu'ils désignent ainsi le choc d'un électron sur un atome excité, l'électron pouvant dans ce cas enlever l'énergie d'excitation à l'atome et le quitter avec une vitesse accrue d'autant, le tout ne s'accompagnant d'aucun rayonnement. Ces chocs représentent l'inverse thermodynamique des chocs de première espèce, bien plus fréquents dans l'observation courante, et dans lesquels l'électron excite l’atome qu'il frappe, lui abandonnant une partie de son énergie cinétique. Dans un choc de deuxième espèce, toute l'énergie d'excitation d’un atome se porte sur un électron, en quelque sorte étranger et passe ainsi à l'état cinétique. Dans l'effet photoélectrique composé cest un électron qui faisait partie intégrante de l'atome excité, qui est chassé par le même transfert d’énergie (!). Rosseland a étendu ces idées aux phénomènes de radioactivité.

Induction quantique. — Cependant il peut sembler intéressant de se représenter par un mécanisme, plus ou moins apparenté aux notions familières de l’électrodynamique classique, ces transformations internes des atomes excités, ou ces interactions de molécules actives et neutres. Le modèle qu'on peut imaginer variera un peu suivant qu'il y a ou non résonnance entre l’oscillateur excité et celui sur lequel il agit. Voyons tout d'abord le cas le plus simple, celui de l’optimum de fluorescence. M. Francis Perrin a comparé la molécule fluorescente excitée à un primaire de transformateur, qui ne rayonne que très peu quand il est seul, mais que le voisinage du secondaire permet de vider de son énergie, ce secondaire étant représenté par la molécule neutre

(:) L’inverse thermodynamique du rayonnement tertiaire consisterait dans le bombardement d’atomes préalablement ionisés deux fois dans leur niveau L (par exemple), par des électrons d'énergie hv,, — 2h». On réaliserait ainsi l'excitation du

niveau K avec des quanta inférieurs à hv..

voisine. On voit comment cela permet d'interpréter l’apparition d'énergie cinétique : la molécule neutre (secondaire du

transformateur) qui entre en vibrations de résonnance, et la

molécule active primaire sont analogues à deux circuits

parallèles et de même sens, qui se repoussent; les molécules

s'éloignent, et dans ce mouvement l'énergie d’oscillation des

deux circuits se transforme en énergie cinétique bientôt

répartie en agitation thermique.

C’est donc une sorte d’induction qui permettrait l’action à distance. Mais il faudrait voir là une «induction quantique » différente sur bien des points de l’électrodynamique classi-

que : les échanges d'énergies se font en effet ici sans résidu. La molécule active ne conserve aucune portion de son énergie d’excitation, la molécule induite revient à l’état neutre après l'opération; toute l'énergie présente passe à l'état cinétique sur les deux particules qui portent les oscillateurs, grâce à leur répulsion ; en outre aucun rayonnement électromagnétique n’accompagne cette transformation.

Dans le cas où les oscillateurs en présence ne sont pas en résonnance, il faut sans doute pour que l'induction se produise un voisinage beaucoup plus étroit : par exemple, l'iodure de potassium ne détruit la fluorescence qu’à une concentration élevée (F. Perrin). On peut imaginer (Jean Perrin), dans le cas où la fréquence de l’induit est plus faible que celle de l’inducteur, qu'il garde de l'énergie de celui-ci de quoi s’activer, le surplus passant seul à l’état cinétique. Ceci nous conduit aux conditions de l'effet photoélectrique complexe, où le niveau récepteur, s'active aux dépens de l’inducteur, avec émission de l'excès d'énergie sous forme de rayon corpusculaire.

Transformations adiabatiques. — Si nous voulons nous faire dans ce cas une image précise (d'autant plus hypothétique, naturellement) du mécanisme du transfert d'énergie nousnous adresserons à la conception de transformation adia-

batique. L'état d’oscillateur primaire excité sera représenté par le niveau K auquel manque un électron ; le retour à l’état neutre se produit quand un électron de L descend sur cette place libre ; simultanément, pendant que cette descente a lieu, un autre électron L quitte ce niveau, son énergie cinétique augmentée de l'énergie potentielle qu'il prend ainsi représentant alors à chaque instant la partie de l'énergie d'activation qui est libérée par la descente du premier électron L. Quand celui-ci est en place dans K, l’électron chassé s'éloigne sous forme de rayon tertiaire, prenant finalement à une distance suffisante de son point de départ, la vitesse que nous avons trouvés plus haut. Cette transformation d’ensemble se produit sans rayonnement, elle est en quelque sorte adiabatique.

On conçoit facilement comment ces transformations sont d’autant plus probables que les fréquences des niveaux qui interviennent sont plus voisines et peut-être aussi que les distances des différents électrons intéressés sont plus petites. Ceci permettrait sans doute d'interpréter les variations systématiques du rendement de fluorescence.