CHAPITRE IL

Expériences sur la production de l’hélium par les substances radioactives.

L'étude des relations de lhéllum avec les substances radioactives a eu une influence considérable sur le développement de la jzune science désignée sous le nom de Radioactivité. Elle a fait découvrir le rôle extrêmement important de ce gaz dans la eonstitution de la matière et a orienté d’une manière définitive les recherches de radioactivité dans la direction la plus féconde.

P. Curie et M€ Curie firent les premiers la remarque que les minéraux radioactifs sont également ceux qui contiennent une forte proportion d’hélhium, ils pensaient que celte coïneidence n’était pas due au hasard et avaient même recherché si l’héllum est radioactif.

Plus tard, Rutherford et Soddy (1), dans leur théorie dite de désintégration, dont l’une des bases est l'hypothèse de P. Curie et MM Curie sur la transformation atomique des substances radioactives, supposèrent que lhéllum est un des produits de la désintégration atomique.

Cette prévision fut pleinement confirmée par les expériences ultérieures qui montrèrent que l’hélium est produit d’une façon continue par les substances radioactives, et que cette production résulte d’une transformation de ces substances,

La production de lPhélium par les substances radioactives a d’abord été observée avec les sels de radium. Cette découverte, qui d’ailleurs à été amenée très naturellement par les recherches antérieures, est fondamentale ; elle est due à Ramsay et Soddy (?). Elle a fourm le mm

(:) Rurmerrorp et Sonny, Philosophical Magazine, 1902. (2) Ramsay et Sonny, Nature, 1905.

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premier exemple certain d’une transformation des atomes, et a permis de décider, d’une manière indiscutable, de la nature des phénomènes de radioactivité,

D’anciennes expériences, effectuées en 1899 par P. Curie et moi, auraient pu conduire à mettre en évidence la formation de l’hélium. Ces expériences consistaient à rechercher la nature des gaz susceptibles d’être produits par les sels de radium; elles avaient été faites à Poccasion de nos recherches sur les phénomènes de radioactivité induite, dans lésquelles nous avons montré que ces phénomènes se produisent par l’intermédiaire des gaz en contact avec les sels de radium. Malheureusement ces expériences ont été faites prématurément : la quantité de radium qui pouvait alors être utilisée était trop pete, et la technique employée par nous n’était pas suflisamment perfectionnée pour nous permettre de constater la présence des quantités extrêmement petites d’hélilum dégagées par les préparations de radium qui ont été employées.

Il était réservé aux savants anglais Ramsay et Soddy de mener à bien cette importante recherche pour laquelle ils étaient d’ailleurs particulhèrement préparés. Le premier, par la découverte de l’héllum dans les minéraux, et par ses travaux sur les gaz rares de l'atmosphère, avait acquis une technique perfectionnée, tout à fait adaptée à la recherche de petites quantités d’hélium; le second, un des auteurs de la théorie de désintégration, avait, en commun avec Rutherford, supposé pour la première fois que l'hélium était un produit de la transformation du radium.

L'étude des produits gazeux dégagés par les substances radioactives, a fait réaliser de grands progrès à la technique des gaz, et l’on peut aujourd’hui séparer, caractériser et mesurer des quantités extraordinairement petites de matière à l’état gazeux. On peut actuellement extraire facilement d’un mélange gazeux complexe, à l’état d’une

grande pureté, vérifiée par lexamen du spectre, un volume d’hélum de lordre du centième de millimètre cube, c’est-à-dire environ 2.107! gramme de matière, dont la mesure peut être faite avec une bonne précision; si l’on veut se contenter de caractériser le gaz par son spectre, il suffira probablement d’une quantité mille fois plus petite, c’est-à-dire un cent-millième de nullimètre cube ou 2.107! gramme de matière.

Il faut ajouter que les propriétés de l’hélium rendent sa séparation des autres éléments gazeux relativement facile : il est complètement inerte au point de vue chimique, et ne se condense pas sensiblement dans le charbon à la température de l’air liquide.

Dans les premières expériences de Ramsay et Soddy, l’hélium fut recherché dans les gaz dégagés par une solution de bromure de radium contenant environ 5'# de ce sel,

Les gaz furent extraits avec une pompe à mercure et introduits dans un appareil permettant d'éliminer tous les gaz autres que l’hélium.

Le mélange gazeux fut d’abord soumis à l’action d’un fil de cuivre partiellement oxydé porté à une température élevée par le passage d’un courant électrique. Dans ces conditions, le cuivre absorbe l'oxygène, et l’oxyde de cuivre transforme l'hydrogène en eau et les gaz carburés en gaz carbonique. L’eau était absorbée par de l’anhydride phosphorique. Le résidu gazeux fut comprimé à l’aide du mercure dans un petit tube capillaire dont une partie pouvait être plongée dans l’air hquide, l’émanation du radium qui pouvait être présente se condensait, ainsi que le gaz carbonique et la nature du gaz restant fut déterminée par l'examen spectral. Dans une première expérience, la raie jaune de l’hélium fut seule visible, mais dans d’autres expériences, toutes les raies de l’hélium furent observées.

Le résultat de Ramsay et Soddy fut confirmé en pre-

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mier lieu par une expérience due à P. Curie et Dewar (?). Une assez grande quantité de radium ayant été enfermée dans un tube de quartz et le vide ayant été fait sur le sel en fusion, le tube fut scellé sous le vide. Après quelques semaines, le sel fut de nouveau fondu, et examen du spectre du gaz dégagé révéla la présence de lhélum.

Après la découverte de Ramsay et Soddy, j'entrepris d'établir une méthode aussi perfectionnée que possible pour la séparation de petites quantités d’hélium, de manière à pouvoir rechercher, avec quelque chance de succès, si l’hélium est produit aussi par l’actinium, la nouvelle substance active que J'avais découverte quelque temps auparavant, mais dont les propriétés radioactives sont très différentes de celles du radium.

Grâce à P. Curie et MM Curie qui voulurent bien mettre à ma disposition une solution contenant environ of,r de bromure de radium, je pus faire des expériences nombreuses et, après un apprentissage assez long, au cours duquel je réussis à observer un très grand nombre de fois la production de l’hélum par le radium, je fus en possession d’une technique expérimentale, différente de celle utilisée par les savants anglais, d’un emploi relativement facile, et permettant, je crois, d'obtenir des résultats plus précis et plus sûrs.

Je décrirai plus loin en détail cette technique à propos de mes expériences sur les gaz dégagés par l’actinium; Jj'indiquerai seulement maintenant le principe de la méthode et les résultats que J'ai obtenus avec le radium.

J'ai effectué deux séries d'expériences, une première série en 1904-1905 et une deuxième série en 1909. Dans les deux cas, j'ai utilisé une solution de bromure de radium. La solution était placée dans un appareil analogue à celui que j'ai décrit, qui permet de conserver les

1 à: > L | () Cume et Dewar, Comptes rendus, 1904.

gaz dégagés par une solution. Ces gaz étaient ensuite transportés, sans l'intervention de la pompe à mercure, dans des appareils dans lesquels on pouvait, à l’aide de réactifs chimiques convenables, le débarrasser de tous les gaz étrangers qu'il pouvait contenir. Le gaz restant était ensuite comprimé dans une partie capillaire : une portion servait à obtenir le spectre, ce qui permettait de vérifier sa pureté, une autre portion, qui constituait une proportion connue, généralement la moitié, de la totalité du gaz, était utilisée pour la mesure du volume.

Dans les expériences ayant seulement pour but de constater la formation de lhélium, je me suis toujours astreint à ne pas employer la condensation sur le charbon à la température de l’air hquide, car le procédé peut conduire à des conclusions erronées. En effet, si de Pair est resté dans l'appareil ou s’il y a eu une introduction au cours des opérations, on absorbe par le charbon tous les gaz de l'air, à l'exception de l’hélium et du néon, et l’on peut ainsi conclure à la formation de ces gaz dont la présence est purement accidentelle. Cette erreur se produit d'autant plus facilement que la quantité d’hélium à rechercher est plus petite. Certains résultats Imexacts qui ont été annoncés par M. Ramsay, résultent de lemploi de cette méthode. Au contraire, lorsque la purification par le charbon refroidi n’a pas été employée, la présence initiale de Pair est révélée par l'apparition dans le gaz restant du spectre de l’azote, ou, si celui-ci a été absorbé, du spectre de l’argon. Pour cette raison, je n’emploie la condensation sur le charbon que pour une dernière purification de l’hélium, lorsque cela est nécessaire, et lorsqu'on connaît déjà avec certitude, la nature des gaz produits. D'ailleurs, la technique que j'utilise est suffisamment parfaite pour que cette purification soit généralement inutile.

J'ai constaté ainsi dans toutes mes expériences, que lhélium est le seul gaz inerte produit par une solution de

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bromure de radium. Celle-ci contient comme substances actives le radium, l’émanation, et les constituants de la radioactivité induite (radium À, B et C).

Le fait que l’on obtient de l’hélium pur, élimine donc la possibilité de la formation d’un autre gaz inerte dans la désintégration de ces produits ou dans leur action sur l’eau. Certains résultats annoncés à plusieurs reprises par M. Ramsay sont ainsi contredits, en particulier, la formation de néon ou d’argon par action de l’émanation du radium sur Peau. D'ailleurs, les expériences de M. Ramsay ont été reprises par MM. Rutherford et Royds, qui ont conclu dans le même sens et ont attribué les résultats de M. Ramsay à une introduction accidentelle d’air.

J’ai déterminé dans ces expériences le volume de lhéhum dégagé. Les mesures ont montré que le dégagement est tout à fait régulier. Lorsqu'on extrait les gaz à intervalles sensiblement égaux d’une même solution de radium, on obtient des quantités d’hélilum très sensiblement égales entre elles. Par exemple, en 1905, J'ai obtenu les nombres suivants qui montrent que la méthode d’extraction et de purification doit être précise, car si le gaz contenait des impuretés en quantité notable, la proportion de ces impuretés ne serait pas constante dans les différentes expériences :

Moyenne par jour.

R . mm mm 1. Production pendant 33 jours... 0,176 0,0535 2. » DOMIDIN ES MN0 T0 0,0500 3. » HO 0 0220 0,0550

(Moyenne : 33° par gramme de radium et par an).

D’autres expériences, effectuées en 1909 avec une autre solution, ont donné des résultats encore plus réguliers, avec une moyenne plus élevée de 55"% par gramme et par an. Cependant ces nombres ne peuvent, comme cela à été reconnu plus tard, donner une mesure exacte

de la quantité totale d’héllum dégagé par le radium accompagné de ses produits de transformation. L’hélium, au moment de sa formation, est émis sous forme de particules &. Ces particules sont animées d’une très grande vitesse, de l’ordre de 20 o00€M par seconde, et sont capables de traverser une épaisseur notable de matière. Lorsque ces particules rencontrent une paroi solide, elles peuvent ainsi s’enfoncer jusqu’à une certaine profondeur et rester ensuite emprisonnées. Dans le cas du verre, l’épaisseur traversée peut être de l’ordre d’un + de millimètre. On comprend facilement que des atomes de gaz enfermés à une pareille profondeur doivent éprouver la plus grande difficulté à sortir de la paroi. Des expériences directes, dues à Rutherford et Royds, ont montré que cette absorption des atomes d’hélium est bien réelle ; aussi toutes les fois que les particules à peuvent rencontrer la paroi avec une grande vitesse, et qu’il n’est pas possible de dégager à nouveau l’hélium inclus, les mesures doivent accuser un déficit important dans la production. C’est ce qui a été constaté dans Les expériences de Ramsay et Soddy, dans les miennes, et dans toutes celles dans lesquelles on a opéré avec les sels de radium en solution. Les substances actives qui sont en solution, sont cependant dans des conditions très favorables pour un dégagement complet du gaz hélium, car les particules & sont arrêtée; par la solution elle-même, et comme le coeflicient de solubilité dans l’eau de l’hélium est très faible, son extraction se fait très facilement; mais, en dehors des rayons « émis par le radium lui-même contenu dans la solution, 1l existe un grand nombre de rayons émis par lémanation et les constituants de l’activité induite, dont une partie seulement reste en solution, le reste étant dans le gaz ou contre les parois. Une partie importante de l’hélium peut donc être absorbée dans le verre. Pour éviter cet inconvénient, 1l faut que toutes les parti-

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cules & soient absorbées par une matière susceptible de le restituer facilement. Le procédé qui a été employé à cet effet, d’abord par Dewar (1), puis par Rutherford (?) consiste à utiliser un sel de radium solide qui a été préalablement fondu. Dans ces conditions, l’émanation reste pour la plus grande partie absorbée par le sel. Lorsqu'on chauffe celui-ci à une température élevée, de manière à l’amener à l’état de fusion, tout l’hélium emmagasiné dans le sel est dégagé.

Aussi, tandis que les expériences de Ramsay et Soddy mA à

| 3 Se

vonduisent à supposer une production de 20 gramme de radium et par an et les miennes de 3 à 54% celles de Dewar (1) et de Rutherford (?) conduisent à des nombres beaucoup plus élevés (160"%° environ).

Pour obtenir le débit total d’hélium fourni pr une quantité de radium donné, il ne suffit pas de diviser le volume mesuré dans les conditions qui viennent d’être précisées, et de diviser ce volume par la durée d’accumulation du gaz entre deux prises consécutives. En même temps que l’hélium, on extrait l’émanation présente et l’héllum susceptible d’être dégagé par cette émanation, n'est pas recueilli. Il faut donc faire une correction, et celle-ci peut être facilement calculée, si lon admet les lois de transformation du radium, de l'émanation et des constituants de la radioactivité induite, et l'identité des particules &« avec les atomes d’hélium. On sait que le radium se détruit peu à peu et que chaque atome donne un atome d’émanation et un atome d’hélium :

(1) Rat= Em He:

Cette transformation est extrêmement lente, et l’on peut supposer que, pendant la durée d’accumulation,

() Proc. Roy. Soc., 1908-1910.

(*) Phil. Mag., 1911.

la quantité présente de radium reste constante; la loi de transformation étant une loi d’action de masse, le débit d’hélium et d’émanation peut être supposé constant. Si a représente la quantité de radium, g le volume d’héhum dégegé par seconde par 1£ de radium, l’équation (1) montre que ce nombre représente également le volume de lémanation produite pendant le même temps. Pendant l'intervalle de temps dé, le volume d’hélium dégagé par le radium seul sera

dr, = aq dt.

La destruction de l’émanation et des produits à évolution rapide qui suivent (radium À, radium B, radium C) entraîne la production de 3 atomes d’hélium par atome d’émanation détruite; la production de l’émanation mcsurée en volume est agdt; sa destruction spontanée est proportionnelle à la quantité présente et à la constante } qui caractérise sa vitesse de transformation.

Soit # le volume de l’émanation au temps £.

Le volume d’hélium fourni pendant lintervalle de temp dt sera

dv = 3hv dt,

on montre facilement que aq = LG — er), d’où dva= 3ag (1 — et) dt;

la quantité totale d’hélium produit pendant dé sera

dN = dv, + dv = aqg(% — 3e) dt, et V,le volume produit au bout du temps & d’accumulation É 3aq, V ag f (4—3e-M) dt = faqt — ae eM), La quantité qu'il est intéressant de déterminer, c’est

le volume d’hélium qui serait obtenu si un partie de Pémanation n’était pas perdue lors de l’extraction du

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gaz. Cette quantité V' est évidemment égale à 4 agt; on

aura alors Horn on) Û AXE