PRODUCTION DE L'HÉLIUM PAR LE POLONIUM

Quelques années après mes expériences sur l’actinium, M. Soddy réussit à mettre en évidence la production de lPhéhum par les sels d'uranium et de thorium en opérant sur plusieurs kilogrammes de matière, D'autre part, des expériences sur les rayons &« montraient de plus en plus clairement l'identité des particules & avec les atomes d’hélium. Cependant, plusieurs recherches effectuées dans le but de montrer la production de l’hélium par le polonium avaient conduit à des résultats négatifs, quoique certaines d’entre elles eussent été faites avec des produits très concentrés. Il était très important d’élucider cette question, car le polonium est une substance qui n’émet que des rayons «, et la non-production de l’hélium était en contradiction absolue avec l’hypothèse généralement admise concernant la nature des particules a,

Au cours d’un travail sur le polonium poursuivi depuis plusieurs années, nous avons pu montrer, Mme Curie et moi, que les résultats publiés à ce sujet n'étaient pas exacts et que le polonium donne lieu à la production du gaz hélium ; nous avons même pu déterminer le volume de l’héllum produit par une quantité déterminée de polonium.

Ce travail, qui n’est pas encore terminé et dont quelques résultats seulement ont été publiés d’une manière succincte, a été entrepris dans le but de préparer du polonium aussi concentré que possible, pour le caractériser comme élément chimique, pour en étudier les propriétés et pour réaliser quelques expériences importantes à différents points de vue.

Un Mémoire détaillé sera publié par Mme Curie et moi sur l’ensemble de ces recherches et je signalerai ici seulement quelques résultats en donnant certains détails sur les expériences relatives à la production de l’hélium,

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Le polonium, qui est la première substance radioactive nouvelle découverte par P. Curie et Mme Curie, peut être facilement séparé des autres substances radioactives et être obtenu à l’état très concentré; le rayonnement qu’il émet est remarquablement simple; sa loi de décroissance n’est pas très rapide (décroissance de moitié en 140 jours) et a été déterminée avec une bonne précision. Par ces différentes propriétés, le polonium se présente comme un corps radioactif qu'il est très commode d'employer dans un grand nombre de recherches.

L'étude des propriétés du polonium se rattache à des problèmes importants dans le domaine de la Radioactivité. Les travaux de Rutherford sur son mode de formation ont en effet montré que le polonium appartient à la famille du radium, et en est le dernier terme connu à la suite de l’'émanation et des radiums À, B, C, D, E; il est souvent désigné sous le nom de radium F. Il paraît être le dernier terme radioactif de la série, sa transformation se fait d’une manière simple avec émission d’une seule particule «. Il est probable qu’il donne naissance à un élément non radioactif; celui-ci doit donc être, avec l’hélium, le produit final de la transformation du radium et de l'uranium. Si la suite des tranformations qui sont admises pour la série du radium sont exactes, on peut, comme l’a fait remarquer Rutherford, en déduire le poids atomique de l’élément final. Seules les transformations avec émission de particules 4 entraînent nécessairement un changement dans “le poids atomique d’un élément radioactif ; les autres transformations doivent consister simplement dans un changement de l’arrangement de l’édifice atomique, et la masse de l’atome ne doit pas être sensiblement altérée. Lorsqu'il y a émission d’une particule &, la différence entre les poids atomiques des deux éléments successifs doit être égale à 3,99, poids atomique de l’hélium. Le poids ato-

h À » } SUR LES PHÉNOMÈNES DE RADIOACTIVITÉ. 63

mique du radium, d’après les dernières déterminations de Mme Curie, est 226, 5. Cinq particules & sont émises successivement par le radium, l’émanation, le radium A, le radium Cet le polonium ; la diminution du poids atomique après ces différentes transformations doit donc être de 19,8, unités ; le poids atomique du terme final ainsi calculé serait alors 206, 7. Ce nombre est très voisin du poids atomique du plomb (206,9); aussi a-t-on pensé que cet élément est le produit de la transformation du polonium et, par conséquent, celur de la transformation des autres termes de la série du radium et de l’uranium. Un des problèmes les plus importants parmi ceux quise présentent actuellement en Radioactivité, est de vérifier si cette hypothèse est exacte, et de déterminer d’une manière certaine la nature de l’élément non radioactif qui vient à la suite du polonium.

Une des grosses difficultés, au point de vue expérimental, est d'obtenir une quantité suffisante de polonium à l’état concentré.

Le procédé le plus avantageux pour avoir une quantité importante de polonium est d'extraire celui-ci des minéraux de radium et d’uranium. En effet, dans ces minéraux, se trouve la quantité maxima de polonium qui puisse être produite par la destruction spontanée du radium qui y est contenu. Cette quantité est d’ailleurs très petite, mais facile à calculer, car l'équilibre radioactif est atteint et la quantité de polonium reste sensiblement constante. Le nombre des atomes de radium qui se transforment dans un temps donné et donnent, après quelques intermédiaires, des atomes de polonium, est égal à celui des atomes de polonium qui se détruisent pendant le même temps. Si À est la constante de vitesse de destruction du radium, \ celle du polonium, g la quantité de radium, g’ celle de polonium, on doit avoir

dq =— Àq dt = dg'=— \'q'dt,

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Les constantes de vitesse sont égales aux inverses des vies moyennes. 4 et W, la vie moyenne du radium est 2900 ans, celle du polonium 202 jours ou 0, 55 année; le rapport

environ,

montre que la quantité de polonium contenue dans un minerai est environ 5000 fois plus petite que celle de radium. Un minerai d’urane déjà riche contient environ 08,1 de radium par tonne, il peut done contenir au maximum + de milligramme de polonium. On voit qu'il faut traiter des quantités énormes de minerai si l’on veut obtenir une quantité appréciable de polonium.

Une autre difficulté résulte de la destruction spontanée du polonium. Aussitôt qu’il est séparé des matières radioactives qui le produisent, 1l disparaît peu à peu et, pendant la durée des traitements chimiques, qui sont nécessairement très longs puisqu'il faut concentrer le polonium contenu dans plusieurs tonnes de minerai en quelques

milligrammes de matières, une quantité importante est détruite.

Après avoir étudié une méthode de traitement, nous avons, Mme Curie et moi, fait traiter, dans la petite usine du laboratoire, plusieurs tonnes de résidus de pechblende; un traitement a été également effectué d’après nos indications en Autriche, à l’usine de Saint-Joachimstahl. Une première concentration à été ainsi obtenue, la portion riche en polonium a été traitée au laboratoire suivant d’autres méthodes qui seront décrites en détail dans un autre Mémoire; nous avons finalement obtenu, après plusieurs mois de travail, une préparation de quelques

milligrammes contenant 1 ou 2 pour 100 de polonium. Une autre préparation un peu plus pure a été faite plus récemment et a servi à monter quelques nouvelles expériences.

Avec la première préparation, plusieurs résultats intéressants ont déjà été obtenus. Différentes photographies du spectre d’étincelle de la solution de polonium fraîchement préparée ont été faites, et leur examen a montré que la substance contenait un grand nombre d’éléments. Après avoir caractérisé toutes les raies appartenant à ces éléments, nous avons constaté l’existence de plusieurs raies qui paraissaient nouvelles, et que l’on pouvait attribuer au polonium; l’une de ces raies, de longueur d'onde 4170,5, est assez forte, les autres beaucoup plus faibles et plus incertaines; la raie 4170, a été considérée par nous comme caractérisant le polonium. Ces examens spectraux ont malheureusement entraîné la perte d’une quantité importante de polonium.

Pour vérifier l'exactitude de cette attribution, il suffisait d'attendre la destruction de la plus grande partie du polonium et de prendre de nouveau le spectre de la solution; les raies appartenant au polonium devaient disparaître avec celui-ci et 1l devait apparaître le spectre de l’élément chimique qui lui succède. Malheureusement, la séparation du polonium concentré d’avec le plomb paraît être des plus difficiles, et celui-ci était présent en quantité notable; de telle sorte que, si le plomb est le produit de transformation du polonium, on ne pouvait constater qu’une augmentation relative des raies du plomb par rapport aux raies des autres impuretés du polonium.

La solution de polonium fut laissée à elle-même dans des conditions qui empêchaient toute introduction aceidentelle de matière étrangère et en particulier de plomb, pendant près de deux années. Au bout de ce temps, qui est suffisant pour que la transformation du polonium

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soit presque totale, des photographies spectrales ont été faites et comparées à celles obtenues avant la destruction du polonium. Les intensités relatives des différents éléments contenus dans la solution étaient les mêmes que dans la solution primitive, exception faite pour les raies du plomb qui avaient notablement augmenté, et pour la raie 4190,5 qui avait complètement disparu.

Le polonium qui n’était connu jusqu’à présent que par des propriétés radioactives disparaissant peu à peu avec le temps, se trouve donc maintenant caractérisé comme élément chimique par un spectre particulier. C’est là une nouvelle confirmation de la sûreté de la méthode de recherches imaginée par P. Curie et Mme Curie, pour découvrir des éléments chimiques à l’aide des propriétés radioactives. Les propriétés chimiques du polonium ont été d’ailleurs particulièrement précisées au cours de ces recherches.

La transformation du polonium en plomb est également rendu assez probable par ces résultats. Cependant il convient, étant données les difficultés très grandes de l'expérience, de faire quelques réserves et d’attendre le résultat d’autres expériences organisées plus récemment dans des conditions meilleures. Dans le spectre d’une nouvelle préparation concentrée de polonium qui a été faite par d’autres procédés de séparation chimique, la présence de la raie 4170,5 a déjà pu être constatée.

Les préparations de polonium qui ont servi pour la recherche de l’hélium sont celles qui ont été utilisées dans les recherches précédentes ; aussi diverses précautions ont-elles été prises pour éviter toute introduction de matières étrangères. Ce qu'il était très important d'éviter, même à l’état de trace, était naturellement le plomb. Le plomb peut facilement être introduit au cours de manipulations : il est toujours contenu en petite quantité dans les réactifs chimiquement purs du com-

merce, et lorsque ceux-ci ont été débarrassés par un traitement spécial, le séjour dans un vase de verre quelconque suffit pour les contaminer; d’autre part les peintures murales contenant une grande quantité de céruse, les poussières du laboratoire sont toujours riches en plomb.

Le polonium a été conservé à l’état de solution dans l'acide chlorhydrique étendu additionné d’une petite quantité d'acide nitrique. Nous avons, en eflet, constaté qu'au bout d’un certain temps le polonium se précipite spontanément d’une solution ne contenant que de l'acide chlorhydrique; il est probable qu'il se produit une auto-électrolyse de la solution sous l’influence des ions produits par les rayons du polonium; en présence de l’acide nitrique, cette précipitation ne se produit pas.

Pour observer la production d’hélum, la solution fut placée dans un appareil analogue à celui qui a été décrit

Manometre

Fig, 7.

précédemment, mais pour éviter une dissolution partielle du verre, ce qui aurait introduit des impuretés gênantes pour l'examen ultérieur du spectre, la solution fut conservée dans un vase de quartz fondu, et ce vase fut placé lui-

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même dans l'appareil de verre. Le vase de quartz était recouvert d’un tube de même matière formant chapeau; la figure 7 montre de quelle manière il était disposé dans l’appareil de verre. Avant d’enfermer la solution, une partie aliquote, déterminée avec exactitude par pesée, fut reservée pour certaines expériences.

Dans une première expérience on laissa accumuler les gaz pendant quelques mois, on constata ainsi la décomposition de l’eau et la formation d'hydrogène et d'oxygène. L'appareil fut alors soudé avec les précautions déjà décrites à l'appareil à absorption, dans lequel, pour cette première expérience, on ne fit pas usage de charbon refroidi afin d'éviter toute erreur sur la nature du gaz produit par la solution, et l’on conduisit comme à l’ordinaire l'extraction des gaz et l'absorption de ceux d’entre eux qui sont susceptibles de réagir chimiquement.

Le résultat fut le même que pour le radium et l’actinium, la présence de l’hélum fut révélée par l'examen du spectre; cet hélium était sensiblement pur et son volume fut déterminé par la méthode déjà exposée.

Il fut facile de se rendre compte par une mesure très simple, si l’ordre de grandeur du volume de l’hélium était bien celui qu’on pouvait attendre théoriquement. Il suffit pour cela de mesurer le courant d’iomisation produit par une fraction connue du polonium contenue dans la dissolution. Le polonium fut déposé à l’état de couche très mince par évaporation d’une partie de la dissolution et le courant fut mesuré en valeur absolue par la méthode du quartz piézo-électrique.

On connaît, au moins d’une manière approximative, le nombre des ions produits par une particule & du polonium et par conséquent la charge portée par ces ions ; on peut donc déduire de la mesure du courant le nombre des particules & émises au-dessus de la lame de verre. En doublant ce nombre, on obtient celui des particules «

émises par seconde par le polonium placé sur la lame, ce qui permet de calculer le nombre des particules &« produites par seconde par tout le polonium contenu dans la solution utilisée pour la production de l’hélium. Soit An ce nombre, on a, N étant le nombre des atomes de polonium au moment de la mesure,

An— N)At, At —1 seconde,

À est la constante radioactive du polonium, on peut done calculer N. Le nombre des atomes de polonium présents au moment de la mise en marche de l’expérience d’hélium

est

t, est l’intervalle de temps qui sépare la mise en marche de la mesure. Le nombre des atomes d’héllum dégagés pendant la durée de l'expérience t, sera

n = No(i—e a),

En utilisant la constante d’Avogadro (nombre des molécules contenues dans 1 molécule-gramme), on peut calculer le volume occupé par cet hélium. Quoique cette première expérience n’ait pas été faite dans le but d’avoir une grande précision, le nombre ainsi calculé concordait d’une manière satisfaisante avec le volume observé (1).

Des expériences de Rutherford et Royds avaient déjà prouvé d’une manière très directe que, dans le cas des rayons & produits par l’émanation du radium, les particules & sont bien identiques aux atomes d’hélium. L: résultat que nous avons obtenu donne une nouvelle confirmation à cette hypothèse et en montre toute la généralité. Actuellement pour toutes les substances qui

(*) Mme Curie et À. Derrerne, Comptes rendus, 1910.

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émettent des rayons «, et pour lesquelles on a examiné la nature des gaz produits, on a constaté la formation d'hélium, dont le débit, lorsqu'il a été mesuré, est bien celui qui peut être calculé d’après le nombre des parti-

cules « émises.