AIR RARÉFIÉ

Moyennes des séries au com-

mencement et à la fin des

expériences de ce jour.

DIÏIS10ÏS.

Déperdition de l'clectromètre, insensible.

20 mars 1897.

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RARÉFIÉ h = 362.5

sec.

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RECHERCHES SUR UNE PROPRIETE NOUVELLE DE LA MATIÈRE. q3

§7. — Vérifications, extension et interprétation des résultats précédents. — Expériences de M. E. Rutherford.

Les expériences décrites dans les chapitres précédents ont été répétées et étendues par divers observateurs. En 1897 Lord Kelvin (i) montra qu'on obtient un courant continu en plaçant un morceau d'uranium entre deux plaques, l'une de zinc et l'autre de cuivre, reliées par un fil, puis avec MM. Beattie et S. de Smolan, il réalisa diverses expériences sur l'équilibre électrique entre l'uranium et un métal isolé placé dans le voisinage. Si l'air, entre deux plateaux métalliques différents, est traversé par le rayonnement de l'uranium, il s'établit entre les plateaux la même différence de potentiel que si on les réunit par une goutte d'eau. M.E. Villari(2) vérifia également quelques-unes des propriétés que j'avais observées, et il reconnut que le voisinage d'un fil chargé détruisait la propriété conductrice de l'air influencé par l'uranium, comme cela se produit pour l'air modifié par les rayons X.

Le travail le plus complet qui parut ensuite sur les propriétés du rayonnement de l'uranium est dû à M. Rutherford. En 1899, trois ans après mes premières publications, M. Rutherford (3) reprit méthodiquement, un à un, la plupart des points que j'avais signalés, et leur appliqua des me-

(1) Phil. May. t. XLV, p. 277, 1898, et ibid., t. XLVI, p. 82.

(2) Rend, délia R. Acad. délie Scienze jisiche matematische, Napoli, 1897.

(3) Phil. Mag., n° 284, p. 109, janvier 1899.

sures. Ce travail fut exécuté dans le laboratoire Gavendish de Cambridge, où M. J.-J . Thomson étudiait alors avec tant de succès l'action produite sur les gaz par les rayons nouveaux, et développait l'hypothèse de l'ionisation. L'application de cette hypothèse à l'interprétation des phénomènes produits par le rayonnement de l'uranium fut particulièrement féconde et constitua un progrès important dans la question qui nous occupe.

Les ions, multiples ou sous-multiples de l'atome, transportant des charges positives ou négatives, tendent à se recombiner entre eux. Dans un champ électrique uniforme, ils sont animés de vitesses constantes, différentes pour les ions positifs et les ions négatifs. Le nombre d'ions libérés par seconde est considéré comme proportionnel à l'intensité de la radiation active et à la pression du gaz.

Il résulte de cette hypothèse que si une masse de gaz ionisé est comprise entre deux plateaux maintenus à des potentiels différents, il s'établira entre les plateaux un courant produit par les ions qui viennent se fixer sur les plateaux dont la charge est de signe contraire à la leur, et sur lesquels ils se déchargent. Ce courant doit augmenter avec le nombre des ions libérés, c'est-à-dire avec l'intensité du rayonnement absorbé par le gaz, et le courant atteint un maximum lorsque tous les ions libérés sont recueillis sur les plateaux avant d'avoir eu le temps de se recombiner. Si les vitesses des ions positifs et négatifs sont inégales le gaz doit être chargé, et la présence des charges doit produire une perturbation dans le champ électrique.

M. Rutherford, après avoir appliqué la méthode photo-

SLR UNE PROPRIÉTÉ NOUVELLE DE LA MATIÈRE. û5

graphique à la vérification de l'absence de réfraction et de polarisation de rayons de l'uranium, s'est exclusivement servi de la méthode électrique.

Une couche d'oxyde d'uranium ou d'un sel de ce métal était étalée sur un disque de zinc de 20 centimètres carrés de surface. Au-dessus, à 4 centimètres de distance se trouvait un second plateau de zinc parallèle au premier, isolé et relié à un électromètre. Le pjateau inférieur était maintenu au potentiel de oo volts. On couvrait la surface de l'uranium avec un nombre progressivement croissant de feuilles métalliques très minces, puis on recouvrait le tout d'une feuille de plomb percée d'une ouverture de surface déterminée. M. Rutherford reconnut que la variation du courant pour chaque feuille interposée, d'abord constante pour les premières feuilles, diminue à mesure que l'épaisseur totale traversée augmente; il en conclut, comme je l'avais reconnu antérieurement, que le rayonnement est hétérogène. M. Rutherford interprète ses expériences en considérant dans le rayonnement deux parties : l'une a, de beaucoup la plus intense, mais très absorbable; l'autre (3, beaucoup plus faible, mais très pénétrante ; il suppose aussi cpie la radiation fi est à peu près homogène.

\ous verrons plus loin que le phénomène n'est pas aussi simple, que la radiation pénétrante est complexe et que les intensités mesurées se rapportent à l'intensité de labsorption par les gaz. Elles donnent des valeurs relatives des intensités d'une même radiation, mais ne permettent pas de comparer les intensités vraies de deux radiations inégalement absorbables. Les radiations d'égale intensité apparaissent comme d'autant plus faibles qu'elles

sont plus pénétrantes. Les conclusions formulées par M. Rutherford ne doivent donc pas être considérées comme absolues.

Cependant M. Rutherford a reconnu que tous les sels d'uranium émettent les mêmes types de radiations absorbables et pénétrantes. L'auteur fait en outre l'hypothèse que le type a est une radiation secondaire excitée par la radiation (3. Nous aurons plus loin à discuter cette question.

Dans le but d'étudier l'absorption du rayonnement par divers gaz, M. Rutherford a rendu solidaires les deux plateaux entre lesquels il mesure le courant. Le plateau inférieur est percé d'une large ouverture recouverte d'une feuille très mince d'aluminium.

Les rayons actifs traversent cette feuille d'aluminium et viennent ioniser l'air entre les deux plateaux dont la distance est constante. L'ensemble peut se déplacer parallèlement à lui-même pour se rapprocher ou s'éloigner de la source radiante qui est, comme ci-dessus, une couche d'oxvde d'uranium.

Le courant décroit à mesure que l'on éloigne de la source la plaque inférieure du condensateur mobile. En supposant que l'absorption suive la loi exponentielle ordinaire I = \0e~lx x étant l'épaisseur du milieu absorbant, on rend compte des expériences et l'on peut calculer les coefficients ~k pourdivers gaz. L'absorption est proportionnelle à la pression, mais pour obtenir ce résultat il faut recueillir tous les ions produits, c'est-à-dire opérer avec une différence de potentiel suffisante pour observer toujours le courant de saturation. La valeur de X est la plus petite

pour l'hydrogène et plus grande pour l'acide carbonique.

Dans ces expériences et dans les conclusions qui en ont été déduites on n'a pas tenu compte de l'hétérogénéité du faisceau des radiations émises.

Pour une même distance des plaques, si on raréfie l'air progressivement, l'absorption diminue d'abord plus vite que le nombre des ions et le courant augmente jusqu'à un maximum : puis le courant diminue ensuite jusqu'à s'annuler pour une pression très faible. Si la différence de potentiel est suffisante et l'absorption complète le courant est proportionnel au nombre total des ions produits. Avec une sphère recouverte d'oxyde d'uranium suspendue au milieu d'un volume gazeux, on trouve que l'ionisation totale est la même pour tous les gaz étudiés.

Si dans l'appareil précédent on écarte progressivement les plaques, on constate que la totalité de la masse d'air ionisée intervient; le courant de saturation augmente avec la distance jusqu'à une certaine limite.

M. Rulherford a ensuite repris, en les modifiant, les expériences relatives à l'entraînement de l'air rendu conducteur par les rayons de l'uranium. En mesurant la vitesse des courants gazeux on peut déterminer la durée pendant laquelle persiste la modification résultant de l'absorption des nouveaux rayons, et estimer la loi de la disparition de cette modification avec le temps; dans l'hypothèse de l'ionisation on dira qu'on détermine la loi de recombinaison des ions.

En supposant que la vitesse de recombinaison soit, à chaque instant, proportionnelle au carré du nombre des ions libres à ce moment, on obtient des ^aleurs théoriques

qui sont d'accord avec les valeurs numériques observées.

Les vitesses dont les ions sont animés dans un champ électrique peuvent se mesurer en faisant passer un courant d'air de vitesse connue dans l'espace annulaire compris entre deux cylindres concentriques, dont l'un est au potentiel "V, et l'autre la terre; on évalue la diminution du courant par rapport au courant observé quand l'air est au repos, le champ étant normal au courant d'air et, par suite, les vitesses des ions avant la même direction.

On a comparé ainsi les vitesses dues à l'ionisation produite par les rayons de l'uranium et par les rayons X. Dans le premier cas le cylindre extérieur était enduit intérieurement d'une couche d'oxyde d'uranium; dans le second cas on avait substitué à ce cylindre un cylindre en aluminium, et un faisceau de rayons X était projeté sur le cylindre, normalement aux génératrices, de façon à atteindre le cylindre central et à ioniser l'air dans l'espace annulaire. Les vitesses des ions, ou plutôt les réductions du courant électrique par le courant d'air, ont été trouvées les mêmes dans les deux cas. La vitesse des ions négatifs est plus grande que celle des positifs.

Lorsque l'on considère le champ électrique entre deux plateaux parallèles dont l'un est recouvert d'uranium, on peut prévoir, d'une part, qu'en raison de l'absorption, l'ionisation sera plus forte près de la couche d'uranium que près de l'autre plateau, et, d'autre part, qu'en raison de l'inégalité des vitesses des ions positifs et négatifs, le gaz doit rester ehargié positivement et créer une dissymétrie dans le champ. Aulieu d'être constant, le gradient doit être variable. On a mesuré cette variation entre deux plateaux dis-

SUR UNE PROPRIÉTÉ N0UVJBULB DÉ LA MATIÈRE. C)f)

(aiits de 5i millimètres en produisant un écoulement d'eau à diverses distances desplateaux. Ceux-ci étaienten relation avec les deux pôles d'une pile dont le milieu était à la lerre. Si les deux plateaux sont du même métal, le plan médian est au potentiel zéro. Si l'on remplace l'un des plateaux par une couche doxvde d'uranium, le zéro s'éloigne de l'uranium, d'autant moins que le potentiel est plus tort; le déplacement est plus grand si l'uranium est chargé positivement. Dans l'expérience à Laquelle il est fait allusion ici, pour 16, 8 et [\ volts, les distances du zéro à l'uranium ont été 281"111, 3omm, et33m,n. La courbe représentative des potentiels, qui est une droite s'il n'y a pas d'uranium, se transforme en une courbe sans inflexion. La variation du gradient est augmentée près de l'uranium et diminuée près de l'autre plateau.

M. Rutherford a cherché également une relation entre la valeur du courant dans le gaz ionisé par le rayonnement de l'uranium et la force du champ électrique. Dans une première série relative à l'air, il avait disposé deux plateaux parallèles: l'un A, couvert d'oxyde d'uranium sur une surface de il\ centimètres carrés est en relation avec le pôle d'une pile, l'autre B, placé au-dessus, se charge, mais on le maintient au potentiel zéro en le reliant par l'intermédiaire d'une résistance liquide (xylol) à un point d'un circuit dont on peut faire varier le potentiel. On a ainsi mesuré le courant, dans l'air, pour des potentiels de 1 uranium variant entre o et 3oo volts. Dans une autre série, on avait substitué aux deux plateaux deux cylindres concentriques de 4e, 5 et 3C,7D de diamètre; le cylindre intérieur était recouvert d'oxyde d'uranium. Dans l'espace annu-

IOO RECHERCHES SUR Ui\E PROPRIÉTÉ NOUVELLE DE LA MATIÈRE.

laire on pouvait introduire divers gaz à diverses pressions. Les nombres obtenus pour les plus grandes forces électromotrices avec l'hydrogène, l'air, l'acide carbonique, 1 85, 63o, et 820, ou encore 0,2g, 1, et i,3o ne correspondent pas encore à la saturation complète. En diminuant la pression, la saturation est plus vite atteinte. Le nombre o,2<) diffère peu de la valeur o,23 que j'avais obtenue pour l'hydrogène avec les forts potentiels et une saturation plus complète.

Enfin M. Rutherford a constaté, ainsi que je l'avais fait également, que le gaz qui passe au-dessus de l'uranium chargé prend une charge de même signe, puis qu'il se décharge en passant au travers de toiles métalliques fines, comme cela se produit pour les gaz soumis à l'action des ravons X.

En résumé, on voit que le travail de M. Rutherford, très méthodiquement dirigé, a vérifié et étendu les conclusions auxquelles j'avais été conduit. Le grand progrès qui en résulta fut l'identification des effets produits dans les gaz par le rayonnement de l'uranium, avec les effets d'ionisation produits par d'autres rayonnements, et l'application de la théorie de l'ionisation aux phénomènes de conductibilité qui en résultent.

Je dois rappeler toutefois que ce travail est postérieur de deux ans aux mesures que j'avais publiées sur la même question.