INTERPRÉTATION DES CLICHÉS OBTENUS L'EFFET PHOTOÉËLECTRIQUE COMPOSÉ

Observations.

Aspect général des clichés. — Ayant effectué les opérations que comporte la prise des clichés, on développe ceux-ci, et on les examine par transparence, sur un verre dépoli éclairé par dessous. On aperçoit dans ces conditions sur chacune des plaques la forme de la chambre de détente, et dans la partie centrale les traces des rayonnements électroniques produits sur le passage des rayons X. Il faut disposer les plaques comme les deux projections d'uue épure, le trajet parcouru par le faisceau de rayons X, invisible par lui même, étant parallèle à la ligne de terre. De place en place a lieu l'effet photoélectrique, et l’on voit alors une trajectoire prendre son origine sur cette ligne et suivre un chemin plus ou moins contourné dans le gaz.

Si l’on examine un certain nombre de photographies, obtenues dans les mêmes conditions, on arrive facilement à distinguer différentes espèces de trajectoires électroniques et à les ranger, malgré la variété infinie des formes réalisées, dans des catégories assez nettes. Un classement de ce genre a été donné par C. T. R. Wilson (‘), mais comme :l opérait

(:) Proc. Roy. Soc., t. CIV, p. 1.

dans l’air, mélange gazeux très complexe, le nombre des types est assez grand, et l’ensemble est compliqué en outre par la considération des «paires » développées par cet auteur. Nous ne retiendrons, pour commencer, que les deux grandes catégories des trajectoires d'absorption et de diffusion : la première, représentant des rayons secondaires véritables, correspond à l'effet photoélectrique tel que nous l’avons passé en revue dans l'introduction ; la seconde espèce, qui a été étudiée depuis par plusieurs auteurs, comprend Îles trajectoires de recul des électrons sur lesquels s’est produit l'effet Compton (ou diffusion par électrons libres). La distinction est en général très facile, les électrons secondaires quittant le pinceau de rayons X sous des angles avoisinant en moyenne go° et parcourant des distances relativement grandes, tandis que les rayons de recul, toujours projetés dans une direction voisine de celle du faisceau excitateur, ne dépassent généralement pas, dans les conditions réalisées au cours de ce travail, quelques millimètres de long. Le cliché 1 de la planche I montre côte à côte une trajectoire secondaire et un rayon de recul, et permet de se rendre compte de la différence. Il est probable que la plupart des trajectoires courtes, isolées, décrites par C. T. R. Wilson, « fish tracks », « sphere tracks », etc., se rapportent, comme il l’a supposé, à l'effet Compton.

Nous ne nous occuperons ici que de la première espèce de rayons, les « photoélectrons » arrachés aux niveaux profonds des atomes gazeux par le mécanisme de l'absorption quantique. Nous verrons que les aspects observés ont présenté, grâce à l'emploi d’un matériel expérimental bien défini (rayons X filtrés et atmosphères de composition simple) une grande régularité, facilitant considérablement leur interprétation.

Structure de l’origine. — Envisageons pour commencer le cas d’un gaz pur : en fait j'ai commencé ces recherches

par l'étude de l’argon. Avec une atmosphère formée de ce gaz, et des rayons X de 4o kv., on observe les aspects représentés par le cliché 2, planche I. Les trajectoires électroniques sont bien séparées les unes des autres, certaines d’entre elles sont nettement visibles en entier. Quand on peut apercevoir leur extrémité terminale on remarque qu'elle est plus dense que sur le reste du parcours, ce qui s'explique par le ralentissement du photoélectron, qui ionise alors le gaz plus intensément : c’est donc là un caractère général des fins de parcours de rayons £.

Mais les débuts de trajectoires qui sont toujours visibles puisqu'elles sont situées sur le passage même des rayons X, sont elles aussi, marquées d’un épaississement très net, sphérique, indiquant la présence d’un amas d'ions ; l’interprétation précédente ne s'applique pas, l’électron possédant alors sa plus grande vitesse, et il faut attribuer à une cause indépendante cette ionisation supplémentaire (‘). Un rayonnement corpusculaire très peu pénétrant, & mou », prenant naissance à la suite de l'émission photoélectrique pendant cette période troublée qui se termine par le retour à l’état normal de l'atome excité, permettrait d'expliquer ces origines épaissies.

Dans le cas que nous venons de traiter, celui de l’argon pur, les trajectoires de ces rayons £ mous sont trop courtes pour être observées ; mais nous disposons d’un moyen simple pour les allonger comme nous l'avons indiqué dans la première partie de cet exposé. Diluons notre argon dans une grande quantité d'hydrogène, par exemple 95 0/0, et reprenons avec cette nouvelle atmosphère l’étude précédente : le résultat confirme complètement les hypothèses faites.

(:) On pourrait évidemment aussi invoquer le recul du reste positif au moment du départ électronique, mais contrairement à ce qui se passe en radioactivité lors de l'émission «, la vitesse prise par ce reste est très petite, et son énergie cinétique tout à fait insuffisante pour justifier un effet d’ionisation quelconque.

L'aspect des clichés est alors celui que reproduit la planche I cliché 3 : on distingue le départ des photoélectrons dont la trajectoire longue et fine va sortir des limites de la photographie ; on aperçoit aussi, partant des mêmes points, des rayons & mous, parcourant 1 mm. environ (en vraie gran- ” deur ; les reproductions sont agrandies environ deux fois) ; les traces de ces électrons lents sont plus épaisses que les précédentes, la densité des ions formés étant plus grande.

Rayons tertiaires. — L'existence d’un rayonnement électronique supplémentaire, de même origine que le rayon £ secondaire proprement dit, étant ainsi reconnue, l'étude de ses caractères peut être faite en faisant varier les conditions d'opération, soit : 10 la tension excitatrice des rayons X incidents, c’est-à-dire la valeur du quantum producteur de Peffet photoélectrique ; 2° le numéro atomique du corps absorbant, sur les atomes duquel se produit l'effet photoélectrique.

Il est facile de se rendre compte que l’action de la tension excitatrice est nulle. Si l’on compare différents clichés, obtenus avec l’atmosphère hydrogène-argon et avec des rayons X produits sous 20, 4o, 60, 80 kv.,on apercevra un changement graduel dans l'aspect des rayons secondaires qui s’allongent et s’amincissent à mésure que la vitesse du photoélectron émis augmente. Au contraire, les rayons supplémentaires, que l’on peut appeler « rayons Ê tertiaires » gardent identiquement les mêmes caractères ; ce n’est que si les rayons X deviennent trop mous pour ioniser K de l’argon, ou trop pénétrants pour être encore absorbés dans l'atmosphère étudiée, que les paires de trajectoires secondaires-tertiaires cesseront de se présenter.

Au contraire, l'influence de la nature du corps absorbant est considérable. Nous verrons comment le néon donne lieu à de simples épaississements des débuts de trajectoires secondaires, tandis que pour l’argon, dans les mêmes conditions, le rayon tertiaire est bien visible, et mesure envi-

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ron 1 mm. Les autres gaz rares manifestent le même accroissement : le tertiaire mesurant 12 mm. pour le krypton et plus de / cm. avec le xénon. Dans tous les cas les variations de fréquence des rayons X incidents ne modifient pas ces caractères, pourvu qu’elles ne sortent pas du domaine d’excitation des corps en expérience.

Une autre renïarque importante est que le rayon tertiaire n'est pas loujours présent. Dans l’argon, on l’observe 8 fois sur 10 environ, autrement dit il y a un cinquième des trajecçoires qui sont simples, formées seulement du rayon secondaire. La proportion n’est pas la même dans le krypton, les trajectoires doubles sont relativement moins nombreuses.

Sans pousser plus loin cette étude qualitative, nous pouvons énoncer les règles suivantes ({) :

1° Le tertiaire et le secondaire partent du même point.

2° Le tertiaire, contrairement au secondaire, est homogène, sa longueur ne varie pas suivant la fréquence des rayons X excitateurs et ne dépend que du numéro atomique du corps absorbant. |

3° Sa direction est à première vue indépendante de celle du secondaire. |

4° Sa présence n'est pas constante, il manque plus souvent dans le cas des éléments lourds.

(t) J'ai signalé pour la première fois l’existence et les propriétés des rayons tertiaires dans une note de juillet 1923 (Comptes Rendus, t. CLXXVII, p. 169) les interprétant par l'hypothèse de la réabsorption interne des rayonnements caractéristiques et indiquant l’analogie avec la théorie de Ellis (Proc. Camb. Phil. Soc.) sur les spectres de rayons $ des corps radioactifs.

C’est évidemment à ces rayons tertiaires qu’il faut attribuer la formation de certaines catégories de paires de trajectoires décrites par C. T. R. Wilson (Proc. Roy. Soc., t. CIV, p. 1), sans doute celles qui partent d’un même point. Je n’ai guère rencontré, au cours de ce travail, les autres catégories de paires de trajectoires de C.T. R. Wilson.

Interprétation. — Il est naturel d'après ces caractères d'attribuer la production des rayonnements mous accompagnant la sortie du photoélectron aux réarrangements qui suivent nécessairement ce départ : comblement,de la place laissée vide, remplacement des électrons par d’autres plus périphériques, jusqu’à reporter le trouble apporté par le premier départ, sur le niveau Île plus extérieur, ce qui correspond à la configuration la plus stable de l'atome ionisé. Ces transformations, d’après la théorie de Bohr, provoquent l'émission de rayonnements électromagnétiques caractéristiques constituant le spectre de haute fréquence de l'élément étudié.

Si l'on veut chercher dans cette émission la cause ionisante manifestée par la présence des rayons électroniques mous, il faut admettre l'absorption très intense de ces rayons X caractéristiques qui donnerait lieu à un effet photoélectrique dans le milieu environnant, et par conséquent à la production des rayons corpusculaires. On serait ainsi conduit à des coefficients, d'absorption très grands, le milieu empêchant les rayons de fluorescence de parcourir plus de quelques centièmes de millimètre (l’origine commune des trajectoires sécondaires et tertiaires peut être certifié avec cette précision).

Il est évident que ces conséquences sont inacceptables, les mesures d'absorption montrant que des atmosphères du genre de celles réalisées dans cette étude sont très peu opaques, même pour les rayons X de quelques milliers de volts. Il faut donc attribuer tout le rôle d’émetteur à un seul et même atome duquel jailliraient successivement les électrons produisant les effets observés, à la suite de l'absorption d'un quantum de radiation incidente.

J'ai appelé d’une façon générale « effet photoélectrique composé » (1) cette émission de plusieurs électrons par un

(:) Journal de Physique, t. VI, p. 205 (1925).

, LA p:

même atome excité. Nous allons en donner une théorie simple, qui permet de prévoir tous les cas expérimentaux, et qui nous conduira à quelques rapprochements avec les phénomènes optiques de fluorescence, ainsi qu'avec certaines observations sur les émissions 8 des corps radioactifs.

Interprétation théorique

Processus d’évolution non rayonnant. — Etudions la suite des transformations que subit un atome, qui reçoit un rayonnement de fréquence y, capable d’exciter son niveau K.

19 Tout d'abord un électron de ce niveau (dont la valeur énergétiqueesthv ) est chassé avec une vitesse v que donne l'équation photoélectrique d’Einstein (prise sans correction de relativité, les vitesses entrant en jeu restant petites par

rapport à celle de la lumière) :

— mo? = hv, — hv.

Cet électron constitue le rayon f secondaire, de parcours

variable avec v,.

2° Il reste un ion positif qui après une certaine vie dans l’état excité, subit un remaniement. Un électron provenant d’un niveau extérieur à K vient prendre la place laissée vide par le départ du photoélectron. Ce sera le plus souvent un électron L. Ce processus libère une quantité d'énergie E telle ques

E — hyx — hv. 3

Ce qui constitue un quantum caractéristique du corps étudié.

3° Nous allons supposer maintenant que cette énergie puisse se manifester de deux façons différentes :

A) Suivant la théorie bien connue qui explique la production des spectres, il y a émission d’un rayonnement électromagnétique, de fréquence v donné par :