LEUR VITESSE DE RECOMBINAISON DANS LES GAZ RÔNTGENISÉS

Par E. RUTHERFORD.

Traduit de l'anglais par H. BÉNARD.

Philosophical Magazine, 5* série, t. XLIV, nov. 1897, P* 432-44o*

Rappel des expériences (i) montrant que Tair rôntgenisé conserve la propriété de décharger les corps électrisés positivement et négativement pendant un temps court après que les rayons ont disparu.

Dans le présent Mémoire on a étudié la durée de cette persistance de la conductibilité pour l'air et les autres gaz et, à Taide des données ainsi obtenues, on a pu déterminer la mobilité des ions dans difTérents gaz.

Deux méthodes distinctes ont été employées pour déterminer la durée de la conductibilité, et toutes les deux ont donné des résultats concordants.

i ** En faisant circuler de l'air avec une vitesse connue le long d'un tube, et en mesurant la conductibilité à différentes distances du point où agissent les rayons ;

2^ En soumettant le gaz à une force électromotrice à des intervalles de temps déterminés après la disparition des rayons, et en mesurant la quantité d'électricité qui a traversé le gaz.

Première méthode.

Un cylindre d'aluminium était relié à un long tube de laiton de t ^ de longueur et de 3^*° de diamètre. Le cylindre d'aluminium était placé au-dessus d'une ouverture ménagée dans la boite métallique renfermant la bobine et le tube et destinée à constituer un écran élec-

(*) J.-J. Thomson et Mo. Clelland, Proc, Boy, Soc, t. LIX, 1896; J.-J. Thomson et RuTHERFORD, PhU. Mag.^ novembre 1896, Mémoire traduit dans ce Recueil.

6aO E. RUTHERFORD.

trique parfait contre toutes les perturbations électrostatiques extérieures. Une plaque de plomb épaisse, recouvrant le cylindre d'aluminium, protégeait soigneusement contre tout rayonnement dirigé vers les régions extérieures. Le tube d'aluminium était relié en série avec un gazomètre rempli d'air, dont la pression était réglable à l'aide de poids placés au sommet. Avant d'atteindre le tube d'aluminium, l'air traversait un tube plein de coton de verre destiné à le débarrasser de ses poussières. Trois électrodes égales et identiques, isolées, étaient placées à des intervalles connus le long du tube de laiton. Le tube de laiton était relié à la terre, et l'une des électrodes à rélectromètre. Les deux paires de quadrants étaient reliées ensemble', et le tout chargé à un potentiel élevé (pratiquement, environ loo volts). On isolait alors les deux paires de quadrants Tune de l'autre. Quand on excitait les rayons, aucun efl'et n'était produit sur l'électromèlre, â moins qu'on ne fît circuler dans le tube un courant d'air venant du gazomètre : le mouvement de l'aiguille de l'électromètre montrait alors que l'air passant sur les électrodes était conducteur. On mesurait séparément la vitesse de déperdition pour chacune des électrodes, et comme la capacité du circuit de l'électromètre restait à peu prè§ identique dans les trois cas, les vitesses de déperdition étaient proportionnelles à la conductibilité de l'air au voisinage de chaque électrode.

En notant le volume d'air qui sortait du gazomètre pendant un temps donné, et connaissant le diamètre du tube métallique, on pouvait calculer facilement la vitesse moyenne du courant d'air, et par suite aussi les intervalles de temps employés par le courant d'air pour passer d'une électrode à l'autre. On pouvait faire varier à volonté la vitesse du courant d'air, en changeant les poids placés sur le gazomètre.

Le Tableau suivant montre de quelle façon la conductibilité de l'air variait avec la durée du temps écoulé depuis l'exposition aux rayons. La première colonne donne les temps employés par le courant d'air pour passer d'une électrode à l'autre, et la seconde colonne le rapport des vitesses de déperdition des électrodes.

Temps écoulé

Rapport des vitesses

en secondes.

de

déperdition.

LA MOBlLlTé DES IONS ET LEUR VITESSE DR RECOMBINAISON. 621

On voit que la conductibilité décroît rapidement avec le temps et n'est plus que - de la valeur primitive au bout de 2% 4*

Il se peut que quelques-unes des particules conductrices abandonnent leur charge aux parois en circulant dans le tube, mais cette correction est probablement très petite puisqu'il n'y a pas de force agissant sur le gaz chargé et tendant à le repousser vers les parois, comme c'est le cas quand il y a électrisation libre.

Dans le Mémoire de J.-J. Thomson et E. Rutherford déjà cité, on a montré que dans un gaz n'intgenisé, un état permanent est atteint quand le nombre des ions produits en une seconde par les rayons (soit q ce nombre par centimètre cube) est égal au nombre des ions recombinés pendant le même temps.

Si N est le nombre final des ions, on a alors

a étant une constante pour chaque gaz particulier, mais variant d'un gaz à l'autre. Après la suppression des rayons, la vitesse de diminution du nombre n de particules conductrices est donnée par

(*> Si — "*•

ce qui donne, pour le nombre n des ions subsistant au bout du temps ôy

Le temps T, nécessaire pour que le nombre de particules conductrices tombe à la moitié de sa valeur, est donné par

D'ailleurs, les vitesses de déperdition des électrodes sont proportionnelles à /i, puisque le gaz est soumis à une force électromotrice suffisante pour le saturer complètement. On peut comparer les vitesses de déperdition observées à différents intervalles avec celles que donne la formule (3).

Les courbes de la figure i permettent de faire cette comparaison : la courbe tracée d'un trait continu donne la relation expérimentale, la courbe pointillée la relation théorique entre la conductibilité et le

. KVTHBKPOSD.

temps; on a fait coïncider sur les deux courbes le point P, o ductibilité est tombée à la moitié de sa valeur primitive.

On voit que les deux courbes coïncident bien, tes écarts étant de l'ordre des erreurs d'expérience. Ceci montre que la formule (3) représente très exactement la loi de recombinaison des ions. Cet accord excellent a toujours été obtenu, et cela pour un très grand nombre d'expériences dans lesquelles l'intensité de la radiation variait dans de larges proportions.

Oetuiàme métboda.

La méthode précédente n'était applicable qu'à l'air, à cause de la grande quantité de gaz nécessitée par une série d'observations.

La méthode' suivante pouvait servir à déterminer la vitesse de recumbinaison des ions pour différents gaz, et pour des valeurs extrêmement différentes de l'intensité de la radiation.

On prenait un bocal en verre dont le fond était couvert d'une lame mince d'ébonilc. l'ne électrode centrale atteignant presque le fond du bocal était isolée à l'aide d'un bouchon de paraffine fermant le goulot. L'extérieur du bocal était couvert de papier d'étain relié mctalliquement à l'intérieur. Le bocal étaitplacé sur des blocs isolants au-dessus d'une fcni^lre couverte d'aluminium qui avait été ménagée

dans la boîte métallique contenant le tube de Crookes, ce dernier juste au-dessous du bocal.

Pour déterminer la conductibilité rémanente, on faisait fonctionner la bobine pendant quelques secondes, puis on l'arrêtait. A intervalles déterminés après la disparition des rayons, on appliquait une grande force électromotrice à l'armature extérieure du bocal, et l'on déterminait la quantité d'électricité cédée à l'électrode centrale.

Un pendule servait d'interrupteur pour couper le circuit de la pile et appliquer la force électromotrice à différents intervalles. Une sphère pesante en fer était suspendue par un fil métallique long de 3",i5, et les contacts rompus par une petite tige fixée au-dessous de la sphère.

La figure 2, représente la disposition de l'expérience. Le circuit primaire de la bobine était fermé par le levier de laiton AB, qui pressait contre un support de cuivre G. Le pendule, en frappant le

batterie d 'accumulateurs

Fig. a.

Terre

levier AB, le repoussait loin de G et rompait le circuit. Pour appliquer une force électromotrice élevée à un instant déterminé, on avait recours à une méthode de shunt de fonctionnement très pratique. Une batterie de cent petits accumulateurs avait un pôle relié à la terre, et l'autre au support de cuivre E, par l'intermédiaire d'une résistance élevée R en charbon. Un fil métallique reliait E au papier d'étain recouvrant l'extérieur H du bocal conducteur. Le levier DF, maintenu pressé contre E par un ressort, était soigneusement mis en communication avec le sol. Par suite, le levier étant en position, le vase H était presque exactement au potentiel zéro, car la résistance du levier DF et des conducteurs reliés au sol était très faible comparée à la résistance en charbon R. Quand le pendule venait frapper le levier DF, la communication avec le sol était rompue, et le bocal H

024 E. RUTHKRFORD.

immédiatement chargé au potentiel de la batterie. En faisant varier la distance comprise entre les deux leviers, on pouvait faire varier entre certaines limites l'intervalle de temps compris entre la rupture du circuit primaire et Tapplication de la force électromotrice.

Aussitôt après le passage du pendule, le levier DF revenait en place, ramenant ainsi de nouveau le vase H au potentiel zéro. Pour éviter une déviation brusque de l'électromètre lors de Tapplication de la force électromotrice au vase H et de son enlèvement, rélectromètre n'était pas relié directement à L avant que le levier n'ait été remis en place. La capacité M était introduite afin d'empêcher le potentiel du circuit LM d'atteindre une valeur élevée lors de l'application de la force électromotrice au vase H.

On trouvait que l'application et l'enlèvement de la force électromotrice, à eux seuls, ne produisaient aucun effet sur l'électromètre: mais, quand les rayons avaient agi sur le gaz contenu à l'intérieur du bocal, il y avait toujours une déviation de l'électromètre, montrant que l'électrode L avait reçu une charge de même signe que le pôle de la batterie.

Gomme la force électromotrice employée dépassait habituellement 200 volts, valeur suffisante pour saturer complètement le gaz, la quantité d'électricité qui traversait le gaz était proportionnelle au nombre n des ions présents dans le gaz au moment de l'application de la force électromotrice, tandis qu'en appliquant la force électromotrice aussitôt après la disposition des rayons, on obtenait le nombre total N.

On pouvait donc ainsi complètement déterminer la vitesse de recombinaison des ions, car on pouvait calculer très exactement les temps mis par le pendule pour passer d'un levier à l'autre.

Le Tableau suivant montre de quelle façon variait la déviation de l'électromètre avec le temps écoulé depuis la disparition des rayons, le bocal étant rempli d'air débarrassé de toute poussière.

Intervalle de temps DéviatioD

en secondes. de l'électromètre.

La valeur de la déviation est pratiquement constante pendant en-

LA MOBILITÉ DES IONS ET LEUR VITESSE DE RECOMBINAISON. 6'l5

viron o% i après que les rayons ont disparu. Après un intervalle de 4*, l'air possède encore une conductibilité appréciable.

Puisque les gaz ont des conductibilités extrêmement différentes sous l'aclion des rayons de Rontgen, il faut s'attendre à ce que la vitesse de reconibinaison soit différente pour les divers gaz.

Les Tableaux suivants donnent les intervalles de temps T nécessaires pour que le nombre des ions tombe à la moitié du nombre primitif. L'intensité de la radiation était sensiblement la même pour tous les gaz.

CoDductibilité comparée T à celle de Tair prise

Gaz. en secondes. pour unité.

Hydrogène o,65 o,5

Air 0,3 I

Gaz chlorhydrique o,35 11

Gaz carbonique o,5i 1,2

Gaz sulfureux 0,4^ 4

Chlore 0,18 18

Il ne semble pas y avoir de relation simple entre les valeurs de T et les conductibilités : cependant, règle générale, on peut admettre que la valeur de T diminue quand la conductibilité augmente.

On a trouvé, toutefois, que la vitesse de recombinaison n'esf pas toujours la même pour le même gaz, en employant la même intensité de radiation, mais dépend beaucoup de la quantité de poussière en suspension dans le gaz, ainsi qu'on le verra un peu plus loin.

Inflaence de l'intensité de la radiation sur la Taleur de T.

On a trouvé que l'intensité de la radiation pour un même gaz a une grande influence sur la valeur de T. C'est ce que des considérations théoriques permettent de prévoir, car, des équations (i) et (4), on déduit

Si donc a est une constante pour un même gaz dans le même état, T

varie en raison inverse de y/gr. Cette relation a été vérifiée expérimentalement, car q est proportionnel à l'intensité de la radiation, qui varie elle-même en raison inverse du carré de la distance à l'ampoule productrice des rayons.

626 K. BITHERFOID.

Par exemjile, pour une? inlen^îté délerminée «le la radiation, la \aleur de T était o\-i>. Kn |»larant une feuille épaisse d'aluuiînîuiB aij-dessoii^ du récîpie-nt cr»iiducleur, ce qui réduit I inleusité «le la radiation à * de sa \alenr primitive, la \aleur de T s*e>l élevée à *.f*.6.

Pour une faible radiation, les valeurs de T sont beaucoup plus grandes que pour une forte ra<liation.

Temps écoulé en sccundes. Déviations.

Le Tableau ci-dessus montre la variation de la conductibilité rémanente avec le temps pour une très faible radiation. La valeur de T est d'environ 3% et même, au bout de 16**, -5^ du nombre primitif <i'ion> sont encore non combinés.

De l'air situé à 1™ d'un tube de Crookes ordinaire possède cncon* une proportion tout à fait notable de sa conductibilité plus d'une minute après que les rayons ont disparu.

Influence des fines particules snspendnes dans un gaz sur la vitesse

avec laquelle il perd sa conductibilité.

On a trouvé que la valeur de T variait beaucoup pour le même i^i avec la même intensité de radiation. Si, par exemple, on faisait passer pour la première fois du chlore dans le récipient, la ^aleu^ de T était 0% 19; après un séjour de 1 heure, la valeur de T s'élevait à u%3. bien que la conductibilité du gaz mesurée par la méthode habituelle fut trouvée inaltérée. On a constaté dans tous les cas que les jraz récemment préparés perdent leur conductibilité plus vite que lorsqu'on les a laissés en repos pendant quelque temps.

La raison de ce fait n'était pas évidente au premier abord, mais les expériences ultérieures sur rinllucnce de la poussière dans l'air ont conduit à la conclusion qu'il était dii à la présence de matières finement divisées, liquides ou solides, existant dans le gaz fraîcliement préparé. On a trouvé la valeur de T plus grande pour un gaz avant circulé dans un long lube plein d'ouate que si l'ouate était enlevée.

Ceci est probablement dû à ce fait que le coton empêchait les fines particules de passer à travers ses pores.

On a trouvé que la présence de poussières dans Tair avait une grande influence sur la conductibilité rémanente. Comme exemple de l'influence des poussières, nous pouvons citer l'expérience suivante :

Le cylindre était rempli d'air filtré à tra\ers un tampon de colon, puis laissé en repos toute la nuit, et la valeur de la conductibilité rémanente mesurée le lendemain sans agiter le gaz.

La quantité d'électricité qui traversait le gaz après la disparition des rayons donnait une déviation de 70 divisions à l'électromitre, et la valeur de T était de i*. On envoyait alors dans le cylindre, avec un soufflet, un jet d'air chargé de poussières et la déviation due à la conductibilité rémanente tombait immédiatement à i5 divisions avec une valeur de T d'environ o%i5. Quand on laissait reposer l'air, l'eflet rémanent augmentait graduellement jusqu'à 35 divisions, avec une valeur de T égale à o%5, au bout d'un intervalle de 10 minutes environ. Il s'écoulait plusieurs heures avant que l'efl'et montât à 60 divisions. Cette expérience montre combien T varie pour un même gaz, puisqu'il dépend de la quantité de matières puhérulentes en suspension dans ce gaz.

Les efl'ets observés dans l'air et dans d'autres gaz semblent conduire à cette conclusion que les particules libres et en suspension aident beaucoup un gaz à perdre ses propriétés conductrices après la disparition des rayons.

Comme les particules de poussière ont des dimensions considérables en comparaison des ions, un ion a plus de chances de venir frapper un grain de poussière en lui cédant sa charge ou d'adhérer à sa surface, que de rencontrer un ion de signe contraire. Un ion positif qui vient heurter une particule de poussière lui donne une charge positive, et celle-ci est neutralisée par une charge provenant d'un ion négatif; de cette façon, la conductibilité disparaît beaucoup plus vite que si la perte de conductibilité était due à des collisions entre les ions eux-mêmes. Il semble probable que, si l'on pouvait obtenir un gaz complètement privé de poussières, la vitesse de recombinaison, qui serait due entièrement à des collisions moléculaires, serait beaucoup plus faible que pour l'air ordinaire.

Quand les rayons agissent sur un gaz, le nombre des ions par centimètre cube augmente jusqu'à ce qu'un état déterminé soit atteint dans lequel la vitesse de production soit égale à la vitesse de recombinaison. 11 est intéressant de trouver Tintervalle de temps qui s'écoule