PRODUITS DANS L'AIR PAR LES RAYONS RÔNTGLN

Par Harold-A. WILSON.

Traduit de l'anglais par P. LUGOL.

Philosophical Magazine, 6* série, t. V, 1903, p. 429-^51.

Dans un Mémoire Sur les propriétés électriques des gaz récentment préparés, le professeur Tovvnsend (*) a décrit une détermination de la charge moyenne des gouttelettes composant le nuage qui se forme quand on fait barboter dans Teau de l'oxygène récemment préparé. Il l'a trouvée égale à3 x io~"> U. E. S. Ilyades raisons d'admettre que chaque goultelette contient un ion, et que par conséquent le résultat de Townsend peut être considéré comme se rapportant à la charge d'un ion, charge qui sera toujours, dans ce qui suit, désignée par e. Le résultat que j'ai oblenu est en complet accord avec lui.

Le professeur J.-J. Thomson (-) a donné deux estimations de e; la première résulte de la détermination de la charge moyenne des gouttelettes d'un nuage formé par condensation de la vapeur d'eaii sur les ions produits dans l'air par des rayons Ront^en, et la seconde d'une détermination semblable relative aux ions produits par une plaque de zinc sous l'action de la lumière ultra-violette. Le résultat moyen a été 6,5xio~'® pour la [)reiaière et 6,8xio~"* pour la seconde (').

(•) Phit, Mag., fév. 1898; Journ, de Phys., 3* série, t. VII, p. S;*). Voir aussi ce Volume.

(') Phit. Mag.^ (léc. i8y8 et 1839; Journ. de Phys., 3* série, t. IX, 1900, p. 120. Voir aussi ce Volume.

(') Le résultai d une détermination plus récente du professeur J.-J. Thomson {voir aussi ce Volume) n*est venu à la connaissance de Fauteur qu'après la rédaction de son Mémoire.

II08 ilAROLD-A. WILSON.

Comme Ton peut déduire immédiatement de la connaissance de e le nombre des molécules contenues dans i^"* de gaz; comme de plus la valeur absolue de e présente par elle-même un intérêt considérable, il m'a paru utile d'en faire une nouvelle détermination par une méthode différente.

Cette méthode utilise, comme celle du professeur Thomson, la condenisation de la vapeur d'eau sursaturante autour des ions produits par des rayons Rontgen{«).

Il est présumable que chacune des gouttes du nuage contient un ou plusieurs ions. Supposons qu'une gouttelette contenant un ion et ayant par conséquent une charge e^ ait une masse m que Ton peut déterminer en observant sa vitesse de chute v^ dans l'air. Si on lui applique un champ électrostatique vertical d'intensité X, elle sera soumise à une force Xe due au champ, de sorte que la force totale sera Xe -j- mg^ où g désigne l'accélération de la pesanteur, et où l'on compte la force Xe positivement quand elle a la même direction que le poids mg, La vitesse du mouvement uniforme d'une sphère dans un fluide visqueux est proportionnelle à la force qui agit sur elle, de sorte que la vitesse de chute de la gouttelette sera altérée par le champ électrique. Soit v^ sa nouvelle valeur. Nous aurons

La relation entre m et i^i est donnée par l'équation

m = 3,1 X io~«x t'J (*),

de sorte que l'on a

Si donc l'on connaît X, il suffira de mesurer P| et v.x pour déterminer complètement e. Telle est la méthode que j'ai employée.

J'ai trouvé qu'avec des rayons Rôntgen intenses quelques-unes des gouttelettes du nuage avaient des charges plus fortes que d'autres. De fait, il a quelquefois paru que l'on avait affaire à plusieurs sortes de gouttelettes ayant des charges sensiblement dans les rapports 1:2:.').

(») C.-T.-R. W1L8ON, Phil. Trans., A, 1897, p. a65 et A, 1R99, p. 4o3. Voir aussi ce Volume.

(') J.-J. TuoMSON, Phil, Mag.f déc. 1899, p. 56r. Voir aussi ce Volume.

LA CHABGE DES IONS PRODUITS DANS l'AIR PAR LES RAYONS RoNTGEN. liOg

Il semblait donc que quelques-unes des gouttes continssent i ion, quelques-unes 2, et ainsi de suite. Ceci concorde avec l'observation du professeur Thomson que, lorsque l'intensité des rayons dépassait une certaine limite, le nombre des gouttelettes du nuage ne croissait pas proportionnellement au nombre des ions présents au moment de la détente. Le professeur Thomson employa alors des rayons assez faibles pour que dans ses expériences chaque goutte contînt probablement un seul ion, condition nécessaire au succcs de sa méthode. Les principaux avantages de la mienne sont de n'exiger ni la détermination du nombre des gouttes du nuage et du nombre d'ions présents au moment de sa formation, ni la supposition que chaque gouUelette contient un seul ion. Ces déterminations impliquent des hjpothèses qui ne peuvent être qu'approximativement vraies dans la pratique, et l'on risque toujours que quelques-unes des gouttes du nuage contiennent plus d'un ion.

La Hgure i représente l'appareil employé. Le tube de verre AB a environ

Fig. I.

Aspirateur

«r" de diamètre et 10*"" de longueur; une batterie de petits accumulateurs peut établir entre les disques de laiton C et D, de S*""*, 5 de diamètre, lu différence de potentiel que Ton désire, jusqu'à stooo volts. Le petit manomètre à mercure H permet de m îsurer la détente ; Télectro-aimant M permet d'ouvrir brusquement la soupape V, et toujours exactement de la même manière. Au-dessous de»

â't^ffn^^. AH c^fit'ieM 4<; l>aa ; Tair a été débaiTas<é de poa^siéres à la manière ordinaire, par d^^s d^^iewte^ r<Çp^l^4^^ et espacées de manière à permettre U pr^ripiiarion do krf^iMard formé.

On af:lionn;»it nn tiil>€ à rayons Rontgen disposé près de ABde manirrft rjfie le^ ravon» passaient entre les disques. On fermait alors \e cirriiit de réiettro-aimant, ce qui produisait une détente soudaine. Ln nuage %e formait entre les disques, et l'on mesurait le temps mis par sa face supérieure à tomber du disque supérieur au disque inférieur. On avait trouvé ainsi la vitesse i^i en l'absence du cliamp électrique. On répétait alors Texpérience, mais en reliant les disques à la batterie immédiatement après la détente, et Ton obtenait ainsi la vitesse de chute Tj dans le champ électrique.

On trouva qu'en maintenant les rayons pendant toute la durée d'une expérience, on obtenait de très grandes valeurs pour la charge de chaque gouttelelte. Un champ de quelques centaines de volts par centimètre était abirs suffisant pour entraîner vers le haut, et non vers le bas, un grand nombre de gouttelettes présentes. Il devînt bientôt clair que les nouveaux ions formés après la détente se fixaient sur les gouttelettes, de sorte que la charge de ces dernières devenait d'aalanl plus grande que les rayons étaient maintenus plus longtemps après b détente. On plaça alors sur le circuit primaire de la bobîse employée pour exciter Tampoule un interrupteur S actionna jor Farmature de l'électro-ai niant de manière à couper le cîrruîl. e^t a arrêter ainsi les ravons une faible fraction de seconde a^ant Iji dt-lenle- L^ disques C et D étaient également reliés à un comamlatf'Tir qui dulKwnd les réunissait Tun à l'autre, puis les reliait à la CTaadc ImtKrîe employée pour les charger.

Le nuage était éclairé par un faisceau )«aiif>eii\ bnr«7.riiiXAl dt- c"*. 5 àt hauteur, passant entre les disques: on oh><*r*-an à trev^T* uti trou placf â 20*" des disques dans la direction perpeadirnlaire au fatsneai] ei a leur niveau, et une fente verticale, de o**. > de larxrfor. jilart^- ronin h- tuï*t et ne laissant voir que la portion centrale de la partir enlaim- rii: mia^r .

La distance des disques ne fut jamais snpérirnTe é î**. «fin (l'eviiei lit pn*doction entre eu\ de niouxemenis dair f•^^.asiollm^^ pai irr r«nirani* de 'Ç'-nv^^lion qui prennent nasssjnce sur )<> ^larfiis du luUt qiianr: It ira? b rif r*fr'>idî p.ïr U drtrate: ^n rt:"iiniis>*i: cvi u rniifiiriiti f^iai: ri-aiïs^t ii ce CL*- ja surface du cjaire re^:i;i p'iiTjf- p«fi« ..n : -»i .iiint rMiirt it»^ tiî«ionr>

'■■•uriU- d'il (Il jtr-:*dL-.>:-: pi::>. quf-.iii .-i. ajujuh; nt^itTinin--^- ^.. un i'.^

h\ CIUaGE DBS IONS PRODUITS DANS l'aIR PAR LES RAYONS RÔNTGEN. III t

reliait immédiatement à la batterie par le jeu du commutateur. Quand ils étaient chargés avant la détente, on n^obtenait pas de nuage, le champ chassant les ions aussitôt quMls étaient formés. Pour faire une mesure de e, on évaluait, au moyen d'un chronomètre à pointage, une série de durées de chule entre le disque supérieur et le disque inférieur sous Faction du champ et sans le champ, alternativement.

C.-T.-R. Wilson (') a trouvé qu'avec une délente de i5*^'" de mercure à peu près, les ions négatifs seuls font office de noyaux, tandis qu'avec des détentes supérieures, la condensation a lieu sur les ions des deux signes. Ces résultats ont été facilement vérifiés avec mon appareil. Avec une détente de i5*^™, une charge négative donnée au disque supérieur faisait tomber le nuage entier plus vite qu'il ne tombait en l'absence de toute charge, tandis qu'une charge positive du disque supérieur réduisait la vitesse de chute. Il était donc clair que les gouttelettes étaient chargées négativement.

De plus, avec des détentes de beaucoup supérieures à iS*^", la charge des disques accélérait la chute de certaines gouttelettes et ralentissait certaines autres, ce qui indiquait la présence simultanée de gouttelettes positives et de gouttelettes négatives. Cependant, il a toujours semblé qu'il y avait plus de gouttelettes négatives que de gouttelettes positives, et il n'était pas facile d'observer ces dernières, à moins que la détente ne fût presque suffisante pour produire un brouillard même en l'absence de toute espèce 'd'ions. De fait, il paraissait y avoir entre les disques un grand excès d'ions négatifs, et non pas des nombres égaux d'ions des deux signes. Le rayonnement secondaire du laiton sous l'action des rayons Ronlgen donne sans aucun doute l'explication de ce fait. Il a été prouvé que ce rayonnement consiste en corpuscules chargés négativement, de sorte que l'on pouvait s'attendre à trouver un excès d'ions négatifs dans l'air au voisinage des disques. Mais on ne s'attendait pas à en trouver un excès aussi grand. Peut-être est-il possible que la condensation se fasse principalement sur les ions négatifs lorsque les ions des deux signes sont simultanément présents, bien qu'il y ait peu de différence entre les degrés de sursaturation nécessaires pour produire la condensation sur les ions positifs et sur les ions négatifs, lorsqu'il n'en existe que d'une seule espèce.

Dans ces expériences, on a toujours employé des détentes de i6*""

(') Phit. Trans., A, 1899, p. 4îo. Voir aussi ce Volume.

IlltX HAROLD-A. WILSON.

à 17*" de mercure, et tous les résultats se rapportent à la charge des ions négatifs.

Les gouttelettes ne tombaient pas toujours toutes avec la niénie vitesse dans le champ électrique. 11 a semblé qu'il en était presque toujours ainsi, mais spécialement quand on employait des ravons énergiques. Il paraissait y avoir plusieurs sortes de gouttelettes, toutes celles de même espèce tombant avec la même vitesse. D'après leur vitesse de chute, les gouttelettes de Tespèce la plus nombreuse étaient les moins fortement chargées. Les observations qui suivent se rapportent uniquement à ces dernières; il sera question des autres plus tard.

Le nuage commençant à s'évaporer dès qu'il s'est formé, il est très important de mesurer aussi vile que possible la vitesse de chute. En général, je ne le laissais tomber que de o^"',5 environ, puis j'appliquais le champ électrique dans le sens qui augmentait la vitesse de chute. Une autre raison pour ne laisser entre les disques qu'une très petite distance est que la différence de potentiel utilisable étant seulement de 2000 volts, le champ électrique n'était pas assez intense pour modifier d'une manière appréciable la vitesse de chute, à moins que les disques ne fussent tout près l'un de l'autre. Pour ces diverses raisons, on a fait toutes les observations en rapprochant les disques autant que possible, car il était évident qu'on n'aurait pu obtenir autrement des résultats dignes de confiance. Pour la même raison, on employa presque toujours la plus grande différence de potentiel possible. Il aurait naturellement mieux valu que les observations fussent faites avec des distances très diverses entre les plaques et des valeurs très diflférentes de la différence de potentiel, mais ce n'était pas possible avec la batterie dont je disposais.

Exemple d*une série de huit mesures alternatives :

Champ X= o X = n,3 U.E.S.

Durée de chute (moy.). 9.3,65 sec. 17,2a sec.

Vitesse Vi= 0,0190 cm. /sec. Çt= 0,0262 cm. /sec.

d*où l'on tire

e = 2,3x io"»o U.E.S.,

m = 8, 1 X lo-ï* gr.

On peut varier la méthode en mesurant les vitesses de chute pour les deux directions opposées du champ. On a alors

mg -^ Xg __ Pj mg — X tf "* i^j

LA CHARGE DES IONS PRODUITS DANS LAIR PAR LES RAYONS RONTGEN. IIl3

la moyenne entre v^ et v^ donne la vitesse quand X = o. La première méthode

est préférable à cause de la nécessité d'opérer vite, car t'j< i^j; cette dernière

a donné

e = 2,r» X lo-ïoU.E.S., m — 9,5 x io-*> gr.

Dans chaque série de mesures, l'observation avec X positif suivait toujours d'aussi près que possible l'observation avec X = o, afin que l'intensité des rayons et les autres conditions fussent aussi voisines que possible dans les deux cas. Bien que les observations d'une même série, avec X = o par exemple, aient souvent présenté d'assez grandes variations, il y avait ordinairement des variations correspondantes dans les observations faites avec X positif, de sorte que la valeur de p, déduite de la moyenne des résultats, n'en était pas nécessairement alleclée (*).

Ensemble des résultats.

1,9 XIO-»

iG,7

i,93xio-»

8,3x10- Movenne..

2,3xio-ïo