A L'AIDE DE LA LUMIÈRE ULTRA-VIOLEHE

Par John-S. TOWNSEND.

Traduit de l'anglais par M. MOUUN.

Philosophical Magazine, t. V, igoS, p. 389 à 398.

Dans cette Note l'auteur donne d'abord les résultats de quelques expériences faites, par la méthode précédemment indiquée^ sur l'acide chlorhydrîqae et b vapeur d'eau, résultats qui lui permettent de conclure que les ions Dépiifs produits par les chocs dans l'air, l'acide carbonique, l'hydrogène, la st^^ d'eau et l'acide chlorhydrique, sont identiques aux ions émis par le zioc>oa5 l'influence de la lumiérr ultra-violette (dans le cas de la vapeur d'eau, Tapp»reil n'était pas relié directement à la trompe pour éviter Tintrodactioi <!« vapeur d'eau dans cette dernière; un dispositif spécial permettait d'en déterminer la pression : se reporter au Mémoire, PhiL Ma^., t. V, 1903, p. 3901-

Nous extrairons des Tableaux donnés par M. Townsend les quelques rrsaltats suivants :

H Cl.

Pression.

i,3jt i,5i

2,62 ij86

Pression.

/ip

Pour la vapeur d'eau, il était dirHciie de maintenir la pression constante par suite de condensations.

Fig. I.

Dans un grand nombre de cas, les rapports — ^ et -^ sont égaux; mais, pour

Fig. 2.

HCI

ïT

•LjH

des champs suffisamment grands, le rapport augmente avec la dislance des plateaux, ce qui montre qu'une autre cause d'ionisation entre enjeu.

Les courbes des figures i et 2 représentent, comme précédemment, les

valeurs de - en fonction de — • On peut voir, ici encore, qu'une courbe unique

passe par tous les points, ce qui apporte une nouvelle confirmation é la tbéont

J*ai déjà montré comment on peut déduire de ces résultats quelque* propriétés physiques des gaz et des ions, telles que le chemin libre moyen d'un ion et la valeur approximative de la dimension dune molécule. La première de ces quantités peut se trouver en déterminant le nombre de molécules qu'un seul ion rencontre en tra\crsaiit i^™ du gaz; ce sera la valeur maxima vers laquelle tend a quand le champ électrique augmente. Dans ce but, une simple étude des courbes obtenues dans le cas de la lumière ultra-violette est suffisante.

Soit un ion qui se déplace dans un gaz sous l'action d'un champ électrique X. La vitesse avec laquelle il rencontre une molécule dépend de son libre parcours avant la collision. Supposons que deui nouveaux ions prennent naissance chaque fois que la vitesse an moment du choc excède une certaine valeur, de sorte qu'un ion acquerra la vitesse nécessaire sous l'action d'un champ X s'il pa^ court un chemin x tel que X^>V, V étant une différence de potentiel constante. Supposons que le gaz soit sous la pression de i*"ei soit N le nombre de rencontres d'un ion avec les molécules do gai

quand il parcourt une distance de i''"'. Le chemin libre moyen sera |j

et le nombre des libres parcours qui excèdent la dislance î sera Ne"^'. Quand Xj?=V, de nouveaux ions seront produits, de sorte que le nombre d'ions que produit un seul ion, en Iraversaol

i*"" de gaz, sera Ne *'. C'est la valeur a correspondant à X quand p = 1. Les équations des courbes seraient donc de la forme

a = Ne ' , où N et V sont des constantes à déterminer à l'aide de points quelconques de la courbe. Cette formule simple donne les valeurs de a avec une réelle exactitude pour les champs intenses et les Tableaux suivants montrent comment elle s'applique aux gai qui ont été examinés.

yli> ; N = i5,a, V = 26,0.

X= 1400. 800. 600. 400. 200. 100. 'W a d'après la courbe 11 9,4 7,9 5,8 2,5 o,;3 o,i5

a = NÊ X 11,6 9,4 8 5,8 2,2 0,33 o.o;

a d'après la 2* formule 11, 5 9.5 8 5, y 2,6 0,66 o>

SUR LA CONDUCTIBILITÉ PRODUITE DANS LKS GAZ. {)Sy

Hydrogène : N = 5, 5 y V = 25,i.

a d'après la courbe 5,i 4,i 3,6 2,8 1,3; o,36 o,o8

a = Ne X 5,0 4,o 3,5 2,8 1,87 o,35 o,o5

Acide carbonique ; N = 18,9, V = 22,9.

a d'après la courbe .. . i3,8 11 9 6,4 4,8 2,8 0,82 o,i5

a = Ne X i3,2 11 9,2 6,4 4»^ a>*8 o,25 o,oo3

Acide chlorhydrique .* N = 22,2, V = i6,5.

a d'après la courbe. . 17,5 i5,4 i3 8,9 6,8 4,i i ,ai 0,40

Gi=Ne ^ 17,5 i5,4 i3,i 8.9 6,5 3,5 0,57 0,12

Vapeur d'eau .• N = 12,7, V = 20.

a d'après la courbe 9,4 7,3 5,i 3,6 i,3i o,44

a = Ne ^ 9,4 7,3 5,i 3,2 o,85 1,19

Ainsi, pour l'air, quand N=i5,2 et V= 26 nous obtenons les valeurs de a données par le Tableau III. Les valeurs de a données d'après les courbes (dans la première Note) sont données dans le même Tableau, la pression/? étant de i""".

Les valeurs de a correspondant aux champs les plus intenses concordent, comme on peut le voir, avec les nombres obtenus par la

formule simple a=:N£ ' , de sorte que N représente la valeur maxima de a, ou le nombre de chocs que subit un ion en traversant 1*""* de gaz sous la pression de i"'".

Puisque la formule ne concorde pas avec les résultats expérimentaux pour les plus petites valeurs du champ, il est nécessaire de modifier l'hypothèse primitive pour obtenir l'explication des résultats dans toute l'étendue de variation du champ.

On a supposé que deux nouveaux ions, un positif et un négatif, sont produits par un choc dans tous les cas où la vitesse dépasse une certaine valeur. Il est probable qu'il y a, à côté de la vitesse de l'ion

9*8 J.-S. TOWKSKND.

négatif, d'autres causes qui déterminent ce qui se passe au moment di choc, de sorte que des ions pourront être produits dans certains ca> quand l'iou négatif rencontre la molécule avec une vitesse relalivement faible. La comparaison entre les nombres obtenus expérimeulalemoil

et ceux qui sont donnés par la formule a = Ne ' monlre quecec fournit Texplication la plus correcte. A.insi, pour l'air, cesoDlseaie ment les plus grandes valeurs de a que Ton retrouve en supposai que l'ion négatif doit avoir une vitesse correspondant à une chulede potentiel de ao volts. Il est évident, d'après les valeurs de xoblenob pour les champs les plus faibles, que de nouveaux ions sont prodoiu quand la vitesse est plus petite que celle-ci. Prenant la valeur 10,2 déjà obtenue pour N, nous pouvons arriver à une formule plus correcte si nous prenons en considération quelques collisions pour faquelles la vitesse est aussi petite que celle qui correspond à une chate de potentiel d'environ 10 volts. SoitCi le nombre mojen de nou^ewi ions provenant de C collisions pour lesqueUes la vitesse estcompnse entre les vitesses correspondant à 10 et à âo volts. SoilCj le nombre provenant de C collisions quand les vitesses sont comprises entre celles qui correspondent à 20 et à 3o volts. On peut supposer que, pour des voltages supérieurs à 3o volts, la vitesse acquise sera soffisanté pour produire de nouveaux ions à chaque collision.

Le nombre de collisions qui se produisent par centimètre quand t vilesse est comprise entre celles qui correspondent à io"**^*etàao • est

Le nombre moyen d'ions provenant de ces collisions sera a s'exprimera donc par la somme de trois termes

Le nombre N a déjà été déterminé et il reste à déduire 7^^^ 0

expériences. On trouvera que les formules donnent des résuluts^ accord avec ceux qui ont été obtenus pour l'air, quand

-4 =0,118, -7r= 0,349 et N = i5,i.

Les nombres correspondant aux diflTérentes valeurs du champ sont donnés dans la dernière ligne du Tableau précédent pour l'air.

Dans le cas de l'hydrogène, les résultats expérimentaux sont très bien représentés en supposant que des ions sont produits dans quelques cas quand la vitesse correspond à environ 20^"***. Pour les autres gaz, il semble que les chocs pour lesquels les vitesses correspondent à environ 5**^*^* ou 10^"*^* donnent lieu à une production de nouveaux ions dans certains cas.

D'après cette théorie, il n'est possible de trouver qu'une limite supérieure de l'énergie nécessaire pour ioniser une molécule. Une valeur précise de cette dernière quantité ne peut être tirée des expériences. Il n'y a qu'une très faible probabilité pour qu'un ion positif en produise d'autres par choc quand il possède l'énergie cinétique qu'il acquiert en se déplaçant entre deux points dont la différence de potentiel est de I o*'"*** à 20"^^"*^*. Les ions positifs ne sont pas, par conséquent, aussi efficaces pour produire des ions que les ions négatifs, de sorte qu'il est permis de supposer que des ions peuvent être produits par d'autres causes plus efficaces que les ions négatifs.

Depuis que j'ai mis en évidence que des ions sont produits par des ions négatifs dont la vitesse, au moment du choc avec la molécule, est relativement faible, un certain nombre de Notes ont été publiées, dans lesquelles ce principe a été appliqué à la décharge continue ordinaire dans un tube contenant des gaz à basse pression. Dans l'une de ses Notes, sur ce sujet, J. Stark (') renvoie à mon travail et déclare que les vitesses que j'ai données dans ma première Note sont trop faibles. Suivant Stark, un ion négatif doit se déplacer entre deux points dont la différence de potentiel est de 5o^"*'' pour acquérir une vitesse suffisante pour produire de nouveaux ions par choc, parce qu'il y a une chute de potentiel de So''***** au voisinage de l'anode quand une décharge continue se produit dans l'air. Même si l'on admettait que la chute de potentiel à cette électrode puisse s'expliquer par cette propriété de l'ion négatif en mouvement, le phénomène ne donne aucune raison de supposer que de nouveaux ions ne sont pas produits par chocs quand la vitesse de l'ion négatif est plus petite que celle qui correspond à So^*****.

La longueur des chemins libres moyens d'un ion négatif qui se déplace dans un gaz à i """ de pression est donnée en centimètres dans

(') J. Stark, Annalen der Physik^ 1902, Band Vil, p. 437.

le Tableau suivant. Les chemins libres moyens sonl les inverses des valeurs ci-dessus de N.

Si nous supposons que le choc entre un ion négatif et une moléoilf se produit quand Tion arrive à une distance R du centre de la molécule, R est alors déterminé par l'équation 7rR^/i = N, où n eslk nombre de molécules par centimètre cube d'un gaz à i™" de pression. Les valeurs suivantes de io*X R en centimètres ont été détermiocej

en prenant n égal à — ^ — •

Le rayon S de la sphère d'action déduit des expériences de \iscosité est donné dans la troisième ligne du Tableau. Ces valeurs ont été tirées des valeurs données pour itS^No par Meyer (Mryeb, Kinetic theory of gases, p. 3oo), No, nombre de molécules par centimètre cube de gaz à 760""* de pression, étant pris égal à 2 x 10" comme dans le calcul fait précédemment pour R.

Air. H». CO». H CI. H'O.

Chemin libre moyen ^«^ • 0,066 o, i8a o,o53 o,o45 0,079

lo^xR 1,36 0,82 ï,52 1,64 i,î4

La quantité 2 S est la plus petite distance entre les centres de deux molécules pendant une collision et n'est pas la même que 2R. Cette dernière quantité est déduite de la valeur maxima.de a, de sorte qiie. dans ce cas, nous ne considérons que les collisions qui donûeraient naissance à de nouveaux ions si l'ion négatif se déplaçait avec uiif certaine vitesse.

Il ressort des nombres ci-dessus, qu'un ion négatif peut psser a l'intérieur de la sphère d'action de la molécule avec une grande vitesse sans produire de nouveaux ions.