FORMATION DE L'HÉLIUM PAR L'ACTINIUM

Après la découverte de Ramsay et Soddy, il était très important de savoir si la formation de l’hélum est un phénomène particulier au radium, ou s’il se produit également avec les autres substances radioactives, et même en l’absence de substances radioactives. C’est dans le but d'effectuer des expériences sur ces différents points ‘que je me suis efforcé d’acquérir une technique très précise. Mes premières expériences, effectuées dans le courant de l’année 1905, portèrent sur l’actinium,

L’actinium a été découvert, comme le radium, dans les résidus du traitement de la pechblende, il accompagne au point de vue des séparations chimiques, le groupe d'éléments connus sous le nom de terres rares, et s’en sépare très difficilement. Cependant, par des cristallisations fractionnées en solution nitrique de nitrates doubles de la série magnésienne, je pus pousser la concentration assez loin et obtenir des matières relativement concentrées. L’actinium est une substance dont la transformation s'effectue lentement en donnant naissance à une succession de substances radioactives à évolution plus rapide (radioactinium, actinium X, émanation, actinium À, actinium B, actinium C). Son émanation, par sa loi de disparition extrêmement rapide (décroissance de moitié en 38,9) se distingue d’une manière très

() Comptes rendus, 1905.

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nette de l’émanation du radium, et les circonstances de production des phénomènes de radioactivité induite sont également assez différentes de celles de l’activité induite produite par l’émanation du radium. Le dégagement de l’émanation se fait généralement plus facilement à partir des composés à l’état solide qu’à partir d’une solution de telle sorte que celle-ci contient la presque totalité des substances actives qui dérivent de lactinium.

Les différents corps de cette famille émettent des rayons analogues aux rayons du radium, rayons 4, rayons $ et rayons y. L’actinium accompagné de ses dérivés devait donc, d’après l'hypothèse de Rutherford sur la nature des rayons «, produire de lhélum d’une manière continue. Comme on le verra plus loin, J'ai pu constater cette production et mesurer le débit d’hélum. Ce fait a été le premier argument nouveau important en faveur de l'hypothèse de Rutherford. Il a montré le rôle fondamental de lhélium dans les transformations des substances radioactives et dans leur constitution.

J’ai utilisé dans mes expériences, une solution de chlorure relativement concentrée en sel, et des fluorures desséchés dans le vide à une température suffisamment élevée pour éliminer l’eau aussi complètement que possible. Je voulais ainsi éhminer la possibilité d’une action de la matière active sur l’eau; il n’était pas absurde de supposer, au moment où ces expériences ont été faites, que lPhélium pouvait provenir d’une action des rayons sur les éléments de l’eau.

La solution d’actinium fut introduite, bouillie et chaude, dans un appareil analogue à celui qui a été décrit à propos du phénomène de décomposition de l'eau; l'élimination de Pair avait été faite aussi complètement que possible, en faisant le vide à plusieurs reprises, en faisant bouillir la solution et en effectuant des lavages

SUR LES PHÉNOMÈNES DE RADIOACTIVITÉ. h7

de lappareil à l’aide d’un gaz facilement absorbable. J’ai employé à cet effet, soit le gaz tonnant produit dans un petit voltamètre, soit l'oxygène pur obtenu pas décomposition, sous l'influence de la chaleur, de l’oxyde rouge de mercure où du permanganate de potasse. Le voltamètre permet d'obtenir des quantités relativement grandes de gaz et est d’un emploi très commode, mais le gaz obtenu est saturé d'humidité ct peut mettre rapidement hors de service les appareils desséchants; aussi ai-je souvent employé l'oxygène pur et sec, dégagé à partir d'oxyde de mercure placé dans un petit tube en verre dur chauffé directement à la flamme d’un bec Bunsen; la quantité d'oxygène obtenu est faible, mais elle est suffisante lorsque, après chaque introduction de gaz, un vide bien complet est effectué.

Après que l’appareil a été complètement purgé d’air, on fait monter le mercure dans le manomètre, on ferme le robinet au-dessus du tube du manomètre et l’on scelle à la lampe le tube de communication avec les appareils à faire le vide. On peut alors attendre en toute sécurité pendant plusieurs semaines avant d'extraire les gaz et d'y chercher l’héhum.

Lorsque la durée de l’aceumulation a atteint un temps suffisant, une cinquantaine de jouts dans le cas de la solution d’actinium qui a été employée, on coupe le tube de verre qui avait été scellé, la communication avec la solution restant interrompue par le robinet et le manomètre à mercure, et l’on soude ce tube à l’ensemble des appareils à absorption et à l’installation permettant de faire le vide.

Dans toutes ces expériences, on a intérêt à établir les communications à l’aide de tubes de verre soudés, sans employer de cire ou de mastic; on peut alors chauffer l’ensemble des appareils pendant que le vide s'établit, et l’on élimine aussi beaucoup plus facilement les gaz

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ET qui sont collés à la surface du verre; on élimine également les causes de fuites qui peuvent se produire par rupture des mastiquages. Ces soudures sont faites sur place à l’aide d’un petit chalumeau à main, Pair soufflé peut être obtenu à l’aide d’une double poire de caoutchouc avec soupapes, que l’on trouve dans le commerce. On peut très facilement faire fonctionner cette petite soufflerie à l’aide du pied, de telle sorte que l’opérateur peut effectuer seul toute espèce de soudure pour relier les différentes parties de l'appareil. Ces soudures, lorsqu’on prend soin de fixer et de rapprocher convenablement les deux parties à relier, sont très faciles à exécuter, et une personne même très peu au courant du travail du verre, peut aisément les réussir.

Tous les tubes de communications ayant été soudés, on fait le vide sur l’ensemble des appareils à absorption en effectuant plusieurs lavages avec l’oxygène pur. La perfeétion du vide est vérifiée à l’aide d’une jauge de Mac Leod permettant d'apprécier une pression de +4 de millimètre de mercure.

L'ensemble de l’installation estreprésenté dans la figure 5. Elle comprend trois parties : 1° l'appareil producteur des gaz à examiner, décrit précédemment, et contenant la solution d’actinium; 2° les appareils pour le vide (pompe Gaede), pour la production de gaz entièrement absorbables (voltamètre et tube à oxyde de mercure), et pour la mesure de la pression (jauge de Mac Leod); enfin 39 l’appareil d'absorption pour la purification de lhélium.

Ce dernier est constitué par un tube de verre contenant de l’anhydride phosphorique, de la potasse fraîchement fondue, de l’oxyde de cuivre, du cuivre métallique et enfin du lithium. Ces différentes subtances sont disposées dans le tube dans l’ordre indiqué par la figure.

Le Hthium a pour but d’absorber l'azote. Théoriquement celui-ci devrait être absent de l'appareil; cependant la

solution contient souvent un peu d’acide nitrique et une petite trace d’air peut rester dans les appareils; il est donc nécessaire d’avoir la possibilité d’absorber l’azote. Le lithium attaque très facilement le verre lorsqu'il est chauffé; pour éviter cette attaque, on l’introduit dans un petit tube de nickel placé à l’intérieur du tube de

NA 205 IN 4 À Solution , R* 2

ECIINIUM Cu

Oxyde de mercure

Vauge Mac Leod

Fig. 5.

verre. Le lithium que j'ai employé dans différentes expériences de ce genre, effectuées depuis 7 ou 8 ans, provient toujours d’un petit lingot de lithium pur, qui m'a été donné par M. Guntz au début de ces recherches. Le lithium est conservé en vase scellé dans le vide, car 1l a la propriété d’absorber l’azote à froid : un petit morceau de hthium laissé à l'air est, au bout de quelque temps, entièrement transformé en azoture. Le même tube à

lithium peut d’ailleurs servir pour plusieurs expériences et D. î

$o É A. DEBIERNE.

dans ce tube, on place seulement quelques centigrammes de lithium. Pour obtenir une absorption rapide de l’azote, il suffit de chauffer légèrement; mais si la température est suffisamment élevée pour que, dans le vide, le Hthium émette des vapeurs, l’absorption est pour ainsi dire instantanée et absolument complète. Le tube à lithium est placé dans un tube soudé latéralement au tube principal d'absorption, et porte un étranglement qui permet de le séparer lorsque l’absorption de l’azote est terminé. On évite ainsi de faire passer le mereure sur le hthium luimême, comme on le fait pour les autres réactifs, et l’on peut utiliser plusieurs fois le même tube à lithium. Le mercure dissout le Lithium et l’amalgame formé pourrait provoquer très facilement des dégagements gazeux avec les autres matières absorbantes.

Les autres réactifs sont disposés en deux groupes. Dans le premier groupe, ils sont placés dans un tube de 7m à 8m de diamètre dans l’ordre indiqué par la figure; l’anhydride phosphorique et la potasse sont fixés entre des tampons de coton de verre. L’anhydride phosphorique est introduit en poudre dans le tube de verre, en tassant assez fortement la poudre et en évitant d'introduire en même temps les petites particules de phosphore non brûlé qui l’accompagnent souvent, puis on chauffe assez fortement le tube de verre à l’endroit où se trouve l’anhydride. L’anhydride se transforme en un petit bloc détaché du : verre qui occupe un volume beaucoup moindre. Cette opération a d’abord pour résultat d’oxyder complètement les composés phosphorés qui n'auraient pas été complètement brûlés, elle rend l’anhydride phosphorique beaucoup moins susceptible d’absorber les gaz qui ne réagissent pas chimiquement sur lur, enfin, elle rend le passage tout à fait : libre dans le tube de verre pour la diffusion rapide des gaz et l’écoulement du mercure.

La potasse est employée après avoir été de nouveau

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fondue jusqu’à fusion tranquille dans un creuset d'argent ; elle est ainsi déshydratée et n’a pas de tension de vapeur. Elle est destinée à absorber le gaz carbonique. On sait que l’absorption de ce gaz est d'autant plus difficile que la potasse est plus sèche. Cependant j’ai toujours préféré employer une potasse complètement déshydratée pour ces expériences, car la tension de vapeur d’eau de la potasse ordinaire est très gênante, cette vapeur d’eau met rapidement hors de service l’anhydride phosphorique placé à côté et, malgré un excès d’anhydride, il est très difficile d’obtenir des gaz secs. D'ailleurs, la quantité de gaz carbonique à absorber est très petite et les petits morceaux de potasse absorbent toujours un peu d’eau pendant l'introduction dans le tube et au moment de l’arrivée des gaz provenant de la solution.

Le cuivre et l’oxyde de cuivre ont pour but d’absorber l'oxygène, de transformer l’hydrogène en vapeur d’eau et d’oxyder les composés carbonés qui se trouvent toujours en petite quantité dans le mélange gazeux à étudier. L’oxyde de cuivre peut être constitué par de petits fils de cuivre oxydés qui servent pour les analyses organiques ; on peut aussi oxyder au rouge un petit rouleau de toile métallique de cuivre. Le cuivre, placé sous forme de toile métallique roulée, a été réduit par la vapeur d’alcool, puis chauffé dans le vide. |

Pour que les réactions se produisent, il faut chauffer le cuivre et l’oxyde de cuivre à une température suflisamment élevée, au rouge naissant, et le tube qui les contient doit être en verre peu fusible. Ce tube est soudé aux tubes de cristal ou de verre de Thuringe avec lesquels sont faites les autres parties de l’installation par l’intermédiaire d’un verre spécial très fusible qui adhère bien aux deux espèces de verre. On roule autour de la partie

millimètre d'épaisseur, de manière à former une gaine

qui doit être chauffée, une lame de cuivre de 4 ou # de

bo À. DEBIERNE.

métallique de plusieurs millimètres d'épaisseur. On peut ‘alors chauffer sans précaution, directement avec un bon bec Bunsen, jusqu’à la température voulue.

Le deuxième groupe de matières absorbantes est placé vers l’extrémité de l’appareil; il est disposé de la même manière dans un tube beaucoup plus étroit (2Mm à 3mm de diamètre) et contient des quantités beaucoup plus petites de matières absorbantes. Ce deuxième tube à absorption a pour but de compléter l'élimination des gaz absorbables lorsque le volume de ces gaz est devenu plus petit. Entre “les deux tubes à absorption est placé un réservoir cylindrique ayant 30% à 60%, ce qui augmente très notablement le volume total, rend l'introduction du gaz moins longue et plus complète, et certaines opérations plus parfaites.

L’absorption par le premier tube n’est jamais absolument complète et il semble que, lorsque la pression des gaz devient extrêmement faible (inférieure à += de * millimètre de mercure), l’absorption cesse de se faire, ou du moins se fait extrêmement lentement, comme si les réactions d'absorption étaient légèrement réversibles. Lors de la première absorption, les gaz occupent un volume de 5o°% à 100%, tandis qu'à la seconde absorption, ce volume est seulement de 2°%° à 5°m°,

À l'extrémité du second tube à absorption, se trouvent les tubes dans lesquels on recueillera finalement le gaz à étudier et à mesurer. J’ai souvent employé le dispositif montré par la figure, qui permet de mesurer le volume du gaz et en même temps de pouvoir caractériser sa nature et sa pureté par l’analyse spectrale. Deux tubes de même volume, de sections connues par un calibrage au mercure, sont disposés parallèlement et soudés à un tube capillaire formant fourche. À l'extrémité de l’un des tubes est soudé un tube capillaire (de + à & de mil-

. . . NL limètre de diamètre suivant les cas), rempli de mercure

sur une petite longueur; à l'extrémité de l’autre tube est fixé un tube de Plucker constitué par un petit tube capillaire portant soudés deux fils de platine fins. On s'efforce, dans certains cas, de donner à ce tube de Plucker, le plus petit volume possible, de manière à déceler des quantités de gaz extrêmement petites. On peut arriver à donner au tube un volume très inférieur à 17%,

Pour compléter la purification du gaz hélium, on peut utiliser le charbon refroidi; on branche alors latéralement, à l'extrémité du second tube à absorption, un tube capillaire contenant quelques fragments de charbon obtenu par la calcination à haute température de la coque de noix de coco; une fraction de milligramme de charbon est suffisante. Ce tube pourra être plongé dans l’air liquide.

Les tubes d'absorption communiquent avec un appareil contenant du mercure qui pourra être refoulé par une manœuvre convenable; le dispositif est le même que dans la jauge de Mac Leod déjà décrite et dans l’appareil contenant la solution active.

La communication avec l’appareil contenant les gaz à étudier se fait par l’intermédiaire d’un tube en YŸ dans lequel on peut faire monter du mercure. |

L'installation dans son ensemble paraît compliquée ; cependant une grande partie peut rester fixe et. servir pour un grand nombre d’expériences. Pour chaque expérience nouvelle, il suffit de remplacer les tubes à absorption et les petits tubes capillaires terminaux, et de souder entre elles les différentes parties. Cette opération peut être faite en une seule journée lorsqu'on a un peu l'habitude du travail du verre.

Lorsque le vide a été fait à plusieurs reprises dans l'appareil, jusqu’au mereure contenu dans le manomètre, et qu’on, est bien certain que l’air a été complètement éliminé, on fait passer la totalité des gaz contenus dans l'appareil à solution dans l'appareil à absorption, en opérant

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de la manière suivante. On fait monter le mercure dans le tube en Ÿ de manière à laisser quelques millimètres de mercure au-dessus de la fourche, on abaisse le mercure contenu dans le manomètre et, le robinet R, étant fermé, on ouvre le robinet R,, puis on le referme. Une partie du gaz est entré dans l’appareil à absorption en barbotant à travers le mercure du tube en Y. On chauffe le cuivre et l’oxyde de cuivre : l'hydrogène et l'oxygène sont rapidement absorbés et la pression devient très faible, ce qu’on peut constater par l’aspect de la décharge dans le petit tube de Plucker; on peut alors ouvrir de nouveau le robinet R, et une nouvelle quantité de gaz est introduite, tout retour en arrière des gaz déjà entrés dans l’appareil à absorption est empêché par le mercure contenu dans le tube en Ÿ, dans lequel on peut faire la branche dirigée sur la solution beaucoup plus étroite que celle dirigée vers le tube à absorption. D’ailleurs, ce tube en Y n’est pas indispensable ; si le robinet KR, est laissé ouvert très peu de temps, le courant gazeux empêche toute diffusion en arrière.

Après chaque introduction de gaz, on attend que l’absorption ait été suffisante pour que la pression soit très faible, On peut répéter cette opération un nombre de fois aussi grand qu’on le veut, car la pression dans l’appareil à solution est toujours au moins égale à la tension maxima de la vapeur d’eau. Comme la pression est toujours très faible dans les tubes à absorption, on introduit chaque fois une fraction du gaz restant égale au rapport du volume des appareils d'absorption au volume de l'appareil à solution. Lorsque les gaz ne sont pas dégagés par une solution mais par une substance solide, il faut chauffer cette substance pour favoriser le dégagement, et pour entraîner complètement les gaz dégagés, on peut remplacer la vapeur d’eau par le gaz dégagé d’un voltamètre ou par de l'oxygène produit dans un tube à oxyde

de mercure, et faire passer par le même procédé la totahté des gaz à étudier dans l’appareil à absorption. Ce procédé que j'ai utilisé dans toutes mes expériences est très supérieur à l'extraction du gaz par une pompe à mercure, avec transport dans une éprouvette, et refoulement dans un appareil à absorption, car l’extraction à la pompe à mercure n’est pas exempte de risques d’introduction d’air.

Lorsque la totalité des gaz est introduite, on peut faire monter le mercure dans le manomètre de l’appareil à solution, fermer le robinet R, et séparer cet appareil au chalumeau. On complète l’absorption en chauffant oxyde de cuivre et le lithium, et l’on peut suivre les variations d’aspect du tube de Plucker : lorsque l’absorption est suffisante, la décharge refuse généralement de passer. On fait alors monter le mercure dans le tube d'absorption, un peu au-dessus du branchement du tube à hthium et lon sépare celui-ci au chalumeau; un peu du gaz à étudier est ainsi éliminé, mais la correction est facile à déterminer et l’on peut s’arranger pour qu’elle soit une petite fraction du volume total.

Le niveau du mercure est ensuite élevé jusqu’au sommet du réservoir placé entre les deux tubes d'absorption. Pour produire ces déplacements du mercure, il suffit d'établir la pression atmosph‘rique sur la surface du mercure contenu dans le réservoir, et de manœuvrer le robinet placé à la partie inférieure. On procède ensuité à la deuxième absorption, le gaz occupe alors un volume beaucoup plus petit, puis on fait monter le mercure au-dessus des matières absorbantes du second tube. Dans ces deux absorptions, il est généralement nécessaire d’attendre 12 heures pour que l'élimination du gaz carbonique soit absolument complète.

Lorsque le mercure monte à travers les matières absorbantes, de petites bulles gazeuses peuvent être