INTRODUCTION

L'effet photoélectrique. — Les corps frappés par les rayons X émettent des électrons : ceci n’est qu’un cas particulier d’un phénomène très général, qu'on nomme d'ordinaire « effet photoélectrique », et qui consiste dans la perte d'électricité négative, sous forme de rayons électroniques, par la matière, lorsqu'elle reçoit du rayonnement électromagnétique.

Les aspects expérimentaux de l'effet photoélectrique sont assez variables suivant la fréquence de la lumière incidente (ce terme étant pris dans son sens général d’ondes électromagnétiques) ; par exemple dans lultra-violet, ce sera une charge positive acquise par une lame métallique irradiée, tandis que pour les rayons y, ce sera une sorte de radioactivité secondaire qu'acquerra la matière sous leur influence. Cependant on peut faire rentrer tous les phénomènes de cet ordre dans un schéma général, quantitatif aussi bien que qualitatif, grâce à la conception des niveaux d'énergie, et des quanta de radiation. C’est un des résultats les plus remarquables desrecherches physiques récentes, auquel s’attache le nom de M. Einstein.

On peut en effet se représenter les choses de la manière suivante. Dans la matière constituant le corps en expérience, existent des électrons, liés de diverses manières aux atomes dont ils font partie de telle sorte qu’il faut dépenser, pour les

éloigner de ce support, des quantités d'énergie w,, w,, etc.,

caractérisant l'énergie de liaison de chacune de ces espèces d'électrons. Le rayonnement incident, d’autre part, possède une fréquence propre v, (nous le supposerons monochromatique pour simplifier). L'effet photoélectrique se manifeste alors par l'émission de rayons électroniques (photoélectrons), dont les vitesses v,, v,, … sont régies pat l'équation d'Einstein :

1/2 mo? —=-hv, — w

où m désigne la masse de l’électron et À la constante de Planck (1). On peut concrétiser cette relation en disant qu’un quantum de radiation incidente a disparu, son énergie Av, se portant sur un électron : une portion w en est utilisée à la rupture de la liaison (extraction de l’électron depuis son niveau), le reste apparaît sous forme d'énergie cinétique.

Rayons £ secondaires. — Dans le domaine de la lumière visible le résultat le plus frappant de l'effet photoélectrique est surtout la perte d'électricité négative qu'implique le départ des électrons. Lorsque les fréquences v, s'élèvent, par exemple pour les rayons X, les photoélectrons sont animés de vitesse assez grandes pour produire des effets d'ionisation, ou d'impression photographique. Ils deviennent alors comparables aux rayons f des corps radioactifs, et on leur donne le nom (qui pourrait être appliqué en réalité à tous les photoélectrons) de rayons 8 secondaires.

Divers procédés d’analyse expérimentale ont été utilisés avec succès dans l'étude de ces rayons, en particulier les

(1) Nous avons donné la formule en mécanique ordinaire, valable pour de petites valeurs de v. Pour des fréquences très élevées, il faudrait écrire :

qu ; — 1|\= Av — w.

eo

avec les notations ordinaires en théorie de relativité.

L'EFFET PHOTOÉLECTRIQUE COMPOSÉ à

méthodes d’ionisation. On a pu ainsi confirmer l’existence, dans les atomes, d'électrons situés sur des niveaux d'énergie distincts, et qui sont arrachés par le rayonnement X lorsque le quantum de celui-ci atteint la valeur de ces niveaux. Un faisceau monochromatique de rayons Rüntgen, dont on ferait croître progressivement la fréquence, attaquerait de cette manière successivement les différentes régions de l’atome en allant de la périphérie vers le centre, d’après le modèle de Bohr, ce qui correspond chaque fois à une absorption plus forte : nous reconnaissons là, dans ces seuils d’excitation, les discontinuités d'absorption, désignées communément par les lettres K, L, M, etc., caractéristiques de chaque espèce atomique. La méthode des « spectres magnétiques » de M. de Broglie a apporté une vérification très complète de ces idées, en permeltant la mesure des vitesses des photoélectrons pour des rayonnements monochromatiques de fréquence connue.

Remaniements électroniques. —- L’atome qui vient d’être profondément ionisé par le départ d’un photoélectron, se trouve dans un état instable dit état excité, et ne reviendra dans son état normal qu'après toute une série de remaniements intérieurs, terminés par une recombinaison. Ces transport d'électrons de niveau à niveau peuvent donner lieu d’après le modèle de Bohr, aux rayonnements caractéristiques qui constituent le spectre d'émission de haute fréquence des corps. On doit voir là une véritable fluorescence, la lümière ainsi rendue étant moins aiguë que celle qui a été primitivement absorbée : les nombreuses investigations effectuées depuis quelques années sur ces spectres de rayons X ont confirmé cette théorie de l’évolution « rayonnante » de l'atome excité. Remarquons cependant que les recherches spectrographiques ne peuvent permettre d'affirmer que c'est là le seul mode de retour des ions à l’état normal : une évolution «non rayonnante » ne comportant pas l'émission de raies spectrales passerait inaperçue. Les mesures de rende-

ment de fluorescence, qui pouvaient donner des indications à ce sujet, sont actuellement difficiles, vu l'incertitude qui règne encore dans les mesures absolues d'intensité des rayons X. Cependant nous verrons plus tard que Barkla signalait dès 1918 des résultats incompatibles avec l’équation d'Einstein, mais que la considération des rendements de fluorescence permet d'interpréter facilement.

D'autre part tous ces phénomènes ne sont connus d’une façon générale que macroscopiquement, pour des quantités importantes de matière, les ionisations et les émissions se produisant simultanément pour un grand nombre d’atomes. Il est évident qu’une analyse microscopique de ces effets, permettant d'observer les conditions de l’absorption et de l'émission d’un seul quantum de radiation, d’un seul rayon 8 secondaire, doit pouvoir donner des renseignements nouveaux, plus précis à certains points de vue, sur ces apparitions et disparitions quantiques d'énergie, ainsi que sur les remaniements intra-atomiques qui les accompagnent ou les déterminent. Cette étude de l’évolution individuelle d’un atome à la suite d’une excitation photoélectrique est possible dans les gaz, grâce aux effets d’ionisation que les différents rayonnements produisent dans ce milieu, et qui permettent

de les déceler et de les analyser.

Effet photoélectrique dans les gaz. — Comme tout autre corps, un gaz traversé par un. faisceau de rayons X est le siège d’une émission électronique. Le phénomène fut mis en évidence d’une manière très frappanteen 1912 par C.T.R. Wilson, grâce à sa méthode de condensation que nous décrirons plus loin. Il montra comment les trajectoires des électrons que le rayonnement incident arrache aux atomes gazeux, peuvent être observées dans tous leurs détails, avec une finesse qui n’est atteinte par aucun autre procédé d’étude : le plus petit effet d’ionisation se manifeste aussitôt d’une manière visible et photographiable, dans la chambre de

détente de son appareil. Le cas des gaz est d’autre part très avantageux au point de vue de la simplicité des phénomènes, les atomes étant relativement loin les uns des autres, et ne perturbant pas les photoélectrons, dès leur sortie, comme ce serait le cas avec des matières plus condensées.

Cette méthode permet donc. d'obtenir des renseignements très complets et relativement précis sur l'émission photoélectrique, et sur les phénomènes qui suivent l'ionisation profonde qu'elle détermine. C’est cette double étude que j'ai entreprise en 1922 au laboratoire de chimie-physique de la Sorbonne.

Un certain nombre de résultats, relatifs aux directions d'émission des rayons 6 secondaires (t), ainsi qu'à l'effet photoélectrique complexe (?) ont été publiés au cours du travail. Le présent mémoire expose les recherches effectuées sur l’évolution des atomes après leur excitation, montrant en particulier l'existence de transformations « non rayonnantes » qui ne s’accompagnent pas d'émission électromagnétique : l'énergie libérée se porte alors directement sur certains électrons au sein même de l’atome, produisant l” « auto-ionisation » de celui-ci, et amenant l'apparition de rayons £ tertiai-

res et quaternaires.

() Comptes Rendus, 1. CLXX VII, pp. 929 et 1535; t. CLXXX,

pp. 1742 et 1939. , (2) Comptes Rendus, t. CLXXVIL, p. 169 ; t. CLXXX, p.65 ; Jour--

nal de Physique, t. VI, p. 205 (1925).