Actinium. — L'actinium a été découvert par M. Debierne
l86 CHAPITRE IV.
dans les oxydes du groupe du fer extraits de la pechblende ( ' ). Dans ce groupe l'actinium semble devoir se placer parmi les éléments de la série des terres rares. On sait combien grandes sont les difficultés que présente la chimie des terres rares, et combien les séparations des éléments de ce groupe sont laborieuses. Ces difficultés se retrouvent dans la préparation de l'actinium; les réactions chimiques qui ont été essayées pour concentrer ce corps se montrent, en général, incomplètes, et la matière active éprouve un éparpillement qui rend très pénibles les progrès de la concentration. L'actinium peut suivre le titane, le thorium, le didyme, le lanthane, et il est difficile actuellement d'avoir une opinion ferme sur sa nature chimique. Il semble toutefois légitime de prévoir qu'il restera associé au groupe des terres rares.
Dès le début de ses recherches sur l'actinium, M. Debierne a constaté que ce corps est très facilement entraîné avec le fer et les terres rares par un précipité de sulfate de baryum. Si la solution du minerai (résidu de pechblende) est précipitée par l'acide sulfurique, le sulfate de baryum radifère qui se dépose contient des corps du groupe du fer qui sont actifs et dont l'activité est due à l'actinium. Pour séparer ce corps on transforme les sulfates en chlorures, et l'on précipite la dissolution peroxydée des chlorures par l'ammoniaque. C'est ainsi que les sulfates bruts obtenus à partir du minerai sont la source la plus importante d'actinium; mais on en trouve aussi dans les dissolutions obtenues à la suite des attaques par l'acide chlorhydrique qui ont lieu avi covirs du traitement. Ces dissolutions sont d'abord précipitées par l'hydrogène sulfuré; les sulfures étant enlevés, la dissolution restante^ peroxydée et précipitée par l'ammoniaque, fournit les hydrates à actinium. L'ensemble des divers hydrates constitue la matière première que l'on traite pour en extraire l'actinium.
Le procédé de concentration et de purification, généralement employé par M. Debierne, était le suivant : les hydrates fraîchement précipités par l'ammoniaque sont traités par l'acide fluorhydrique étendu; les fluorures insolubles sont les plus actifs, ils contiennent l'actinium avec le lanthane, le didyme, le cérium, le thorium. Ces fluorures sont transformés en chlorures, et la dissolution de ces
( '• ) A. L)E3ikrni;, Comptes rendus, iS()() cl i()or).
derniers est précipitée par l'acide oxalique. Les oxalates sont transformés en oxydes, puis en azotates. On forme les azotates doubles de ces terres et de magnésium ou de manganèse. Ces azotates doubles sont soumis à une cristallisation fractionnée; dans le fractionnement l'actinium s'accumule dans les eaux mères avec le samarium et le néodyme (méthode de séparation des terres rares de Demarçay).
L'une des réactions indiquées au début par M. Debierne pour la concentration de l'actinium consistait à précipiter ce corps par l'hyposulfite de sodium en solution chlorhydrique chaude; la matière précipitée était active. D'après M. Boltwood l'actinium ne précipite pas dans ces conditions, et la réaction appartient à l'ionium, élément radioactif dont la découverte est due aux travaux de MM. Rutherford et Boltwood. Toutefois il n'est pas probable, pour des raisons qui seront exposées plus loin, que la matière obtenue par M. Debierne contienne beaucoup d'ionium. Le corps actif précipité par l'hyposulfite de sodium devait être principalement le radioactinium qui n'était pas encore connu à l'époque des premières études sur l'actinium, et dont la radioactivité persiste pendant des mois. La réaction indiquée n'a pas d'ailleurs été utilisée pour la préparation de l'actinium.
L'actinium a une activité permanente. L'examen spectroscopique des échantillons d'actinium très actifs a été effectué par Demarçay qui n'a pu observer aucune raie nouvelle. Dans les échantillons préparés plus tard par cristallisation fractionnée des azotates doubles, l'actinium se trouve associé aux terres cériques ( ' ).
M. Debierne a constaté que l'actinium donne lieu à une émission de rayons absorbables et de rayons pénétrants, ces derniers étant en partie du genre cathodique. Il a aussi observé que l'actinium donne lieu à la production de radioactivité induite dans son voisinage, et que cette radioactivité induite disparaît suivant une loi déterminée, différente de celle qui caractérise la radioactivité induite due au radium (-). La radioactivité induite provoquée par l'actinium est liée à ce fait que ce corps émet une émanation
(') Debierne, Comptes rendus^ 1904.
(^) Debierne, Comptes rendus, igoo et igoS.
lS8 CHAPITRE IV.
radioactive. Les effets de ce dégagement peuvent facilement être observés sur les sels solides, dont l'activité se montre extrêmement sensible aux mouvements d'air et peut être considérablement diminuée par un courant d'air passant sur la substance.
M. Giesel, s'occupant de la préparation de substances radioactives, et en particulier du radium, à partir de minerais d'urane, observa en iQoy que certains produits obtenus au cours du traitement donnaient lieu à une émission très frappante d'une émanation radioactive. M. Giesel put constater que cette émanation est susceptible de donner lieu à la production de beaux effets lumineux sur un écran au sulfure de zinc phosphorescent. Il suffit d'envoyer sur cet écran un courant d'air qui passe sur la substance dont provient l'émanation, pour obtenir une vive illumination de l'écran; la luminosité se déplace quand le courant d'air change de direction. M. Giesel considéra que le corps qui donne lieu à ces phénomènes contient une substance radioactive nouvelle à laquelle il donna le nom à'émanium ( ' ). Il chercha à isoler cette substance et il trouva qu'elle accompagne les terres rares du groupe cérique dont elle suit les réactions. L'activité de la substance augmentait d'abord après la préparation à l'état solide, pour atteindre une limite constante en un temps d'un mois environ. La substance active se trouvait séparée avec le lanthane et un peu de cérium. Aucune ligne nouvelle n'a pu être observée par MM. Runge et Precht dans le spectre de ces terres actives. Plus tard M. Giesel trouva que l'émanium peut se séparer du lanthane par la cristallisation fractionnée des azotates doubles des terres actives et de magnésium. Il constata aussi que l'entraînement par le sulfate de baryum constitue un très bon procédé pour obtenir des terres rares riches en émanium (-). Ces deux procédés avaient été employés antérieurement pour préparer l'actinium.
Il semblait très probable que la substance préparée par M. Giesel était identique avec l'actinium. Les effets de phosphorescence qui ont d'abord été observés avec l'émanium ont pu ensuite être reproduits avec l'actinium. L'actinium et l'émanium manifestaient donc des propriétés radioactives et des propriétés chimiques très
(') GïESEL, Ber. d. deutsck. chein. Gesell., 1902 et igoo. (-) Giesel, Chem. Ber., njoS.
analogues. L'identité des deux substances a été définitivement prouvée par l'étude de leur émanation et de la radioactivité induite produite dans leur voisinage. L'émanation a une durée très courte; son activité diminue de moitié en un temps d'environ /\ secondes ; Ja radioactivité induite disparaît progressivement sur les corps activés après leur éloignement de la substance activante, et cette disparition se fait plus lentement que pour la radioactivité induite due au radium; l'activité diminue de moitié en un temps égal à 3(3 minutes ( ' ).
Par ses propriétés chimiques, et par son émanation caractéristique de très courte durée, l'actinium se présente à nous comme une substance radioactive nouvelle essentiellement différente du radium et du polonium. Cette substance est d'ailleurs l'une des plus importantes à cause de la permanence de son activité. L'actinium n'a pas pu être isolé jusqu'à présent, et l'on ne connaît pas son spectre. Son activité à l'état pur doit être considérable, puisque des échantillons très actifs (environ 100000 fois plus actifs que l'uranium) n'en contiennent probablement qu'une faible proportion.
M. Debierne a montré que l'actinium donne lieu à une production continue d'hélium ( - ). Certains sels de terres rares contenant de l'actinium sont spontanément lumineux (chlorure et bromure anhydres).
i9. Plomb radioactif. — - Le plomb extrait des minerais d'urane présente, en général, une certaine activité. Cette activité a été souvent obsei'vée sur le plomb obtenu dans les premières analyses de la pechblende, que nous avons effectuées, P. Curie et moi; mais, n'ayant pu l'étudier à cette époque, nous ne l'avons pas signalée. Le plomb, extrait depuis quelques années du minerai de radium (résidu de pechblende), possède une activité qui semble permanente; cette activité est environ deux fois plus grande que celle de l'uranium.
MM. Hofmann et Strauss ont, les premiers, attiré l'attention
(') Debiek>'i:, Comptes rendus, igoS cl i<;o4. — Giesel, Clieni. Ber., ij'i'i. - Haiix et Sackur, Chein. Ber., igoô.
(-) Debierne, Comptes fendus, igoS.
igo CHAPITRE IV.
sur les propriétés radioactives du plomb contenu dans la pechblende, qu'ils nommaient radioplomb et qu'ils considéraient comme différent du plomb ordinaire ( ' ). D'autres travaux à ce sujet ont été publiés par M. Giesel (-). Toutefois les résultats obtenus ont manqué de netteté, et l'activité de la matière après divers traitements était tantôt sensiblement constante, tantôt variable.
Plus tard M. Debierne a montré que la radioactivité du plomb radioactif^ extrait du minerai depuis quelques années, est principalement due au polonium qui s'y trouve, et qui peut en être extrait par cristallisation du chlorure d'une solution saturée à chaud; le polonium reste dans l'eau mère, et le chlorure de plomb cristallise à peu près inactif.
Il résulte toutefois de travaux plus récents que le polonium n'est pas le seul constituant radioactif du plomb radioactif. L'indication de la présence de divers constituants a été donnée dans un travail de MM. Hofmann, Gonder et Wolff ( '). Une théorie très intéressante relative à la nature du radioplomb a été proposée par M. Rutherford sur la base de son étude de la radioactivité induite provoquée par le radium (§ 185). Cette théorie a été pleinement vérifiée par les travaux de MM. Meyer et v. Schweidler et par ceux d'autres savants.
D'après cette théorie le constituant primaire du plomb radioactif est un corps produit par le radium et entraîné avec le plomb; ce corps ne présente pas par lui-même d'activité appréciable, mais il donne naissance à un élément radioactif qui émet des rayons pénétrants ; ce dernier se transforme à son tour en un élément radioactif qui émet des rayons absorbables, et qui n'est autre que le polonium. L'activité de la matière est donc au total entretenue par suite de la production continue de corps actifs à partir de l'élément primaire. La théorie indique que l'activité du radioplomb doit finir par disparaître un grand nombre d'années après son extraction du minerai d'urane.
oO. Radiothorium. Mésothorium. — A la suite de la découverte
(') lloi'MANN et Strauss, Ber. cl. deulsch. chem. Gcsell., ij)i>i. {' ) CiiKsi:!,, Ber. d. deulsch. cheni. GesclL, i<)Oi. (') Ann. d. Phys., i')')').
LES XOLVEI.LES SUBSTANCES RADIOACTIVES. I91
de substances nouvelles douées d'une très grande radioactivité, on devait se demander si l'activité relativement faible de l'uranium et du thorium ne pouvait s'expliquer par la présence avec ces éléments d'une trace de matière fortement radioactive, dont les propriétés seraient telles qu'elle ne se séparerait pas des éléments considérés au cours du traitement ayant en vue leur extraction du minerai. La radioactivité de l'uranium et celle du thorium n'ayant pas d'ailleurs les mêmes caractères essentiels, il serait nécessaire d'admettre la présence de substances fortement radioactives distinctes. Des recherches dans cet ordre d'idées ont été entreprises par divers savants; on verra plus loin quels ont été les résultats obtenus avec l'uranium. En ce qui concerne le thorium, MM. Hofmann et Zerban ont affirmé que ce corps n'est pas actif quand il provient de minerais ne contenant pas d'uranium ( ' ). MM. Baskerville et Zerban ont annoncé que le thorium extrait d'un certain minerai brésilien est inactif (-). Ces résultats demandent encore confirmation. Mais on sait actuellement que la radioactivité du thorium est étroitement liée à celle d'une substance fortement radioactive qui a été découverte par M. Hahn et qui a reçu le nom de radiothorium (•').
Le radiothorium a été extrait des produits du traitement d'un minerai nommé thorianite. Ce minerai, récemment trouvé à Ceylan, se présente sous la forme de petits cristaux cubiques assez réguliers; il se compose principalement d'oxyde de thorium (-0 à 80 pour 100) et d'oxyde d'urane (lo à i5 pour loo); il contient aussi du plomb, du fer. des terres rares. Enfin, ce curieux minerai est très riche en gaz hélium; il en contient ()""' par gramme. Une quantité assez importante de thorianite ( •>.'io''^) a été acquise par M. Ramsay et soumise à un traitement. Ce traitement a fourni une certaine quantité de bromure de baryum radifère qui a été soumis par M. Hahn à une cristallisation fractionnée en vue de l'extraction du radium. Au cours de ce fractionnement on a pu constater que si l'activité s'accumulait comme d'ordinaire dans les cristaux les moins solubles, il y avait, d'autre part.
(') HoEMANX et Zeuban, Ber. d. deulsch. cliem. GeselL, i()<)3. (-) Baskeuville et Zickban, Amer, clieni. Soc, i!jO|. ("') Hahn, Ja/irbuch cl. Rad., i()i)5.
IQT. CHAPITRE IV.
une accumulation d'activité dans la portion du sel la plus soluble. Toutefois la matière active de la portion soluble n'était pas du radium, mais présentait tous les caractères de l'activité du thorium avec une intensité bien plus grande à poids égal; elle émettait, en particulier, une émanation de courte durée, c[vii a pu être identifiée avec l'émanation du thorium. La matière nouvelle était associée avec le thorium et le fer; les réactions sont, en général, incomplètes, et la concentration est difficile. Cependant M. Hahn a réussi à obtenir i i"'^ d'une matière qui donnait oooooo fois plus d'émanation que le même poids d'oxyde de thorium. Cette matière précipite par l'ainmoniaque, elle fait donc partie du groupe du fer. M. Hahn a donné le nom de radiothorium à l'élément fortement radioactif dont il a ainsi constaté l'existence. M. Blanc a trouvé cette même matière dans les dépôts des sources d'Échaillon et de Salins-Moutiers; il a constaté qu'elle suit les réactions du thorium. Il a aussi prouvé que l'on peut extraire le radiothorium du nitrate de thorium du commerce ; pour cela on additionne la solution chaude de ce sel d'une petite quantité de solution de baryte, et l'on précipite ensuite le baryum par l'acide sulfurique; le précipité de sulfate de baryum formé à chaud entraîne du thorium et du radiothorium. On transforme les sulfates en chlorures, et l'on précipite la solution des chlorures par l'ammoniaque; les hydrates obtenus ne donnent pas d'abord l'émanation du thorium, mais peu à peu la production de celle-ci augmente et atteint une limite constante après un mois environ. M. Blanc a ainsi obtenu des hydrates qui donnaient 5ooo fois plus d'émanation que l'hydrate de thorium à poids égal ( ' ).
MM. Elster et Geitel ont trouvé du radiothorium dans les dépôts des sources de Bade et ils en ont également extrait des sels de thorium du commerce (-).
Les travaux de MM. Blanc, Elster et Geitel prouvent que, conformément à ce qu'on pouvait supposer, l'activité des sels de thorium du commerce est due, sinon totalement, au moins en grande partie, au radiothorium qui y est contenu.
Il résulte de tous ces travaux que le radiothorium est une sub-
f) lii.ANC. Pliys. Zeit., n)n(;.
(-1 Ki.sTKii et Geiii:!., l'hys. Zeit., njnfi.
LES XOLVEl.LKS SUBS TAXCES RADIO \<:TIVES. 1 (J?
stance fortement radioactive probablement voisine du thorium. Cette substance a une activité très duraljle; toutefois l'activité n'est pas constante, et l'on peut observer une baisse lente en fonction du temps à partir de la préparation. D'après M, Blanc l'activité du radiothorium diminue suivant une loi telle que la diminution de moitié a lieu en une période de -3- jours, soit deux ans environ ( ' ). Les caractères de la radioactivité du radiothorium sont les mêmes que ceux de l'activité du thorium; mais nous constatons cette différence importante que l'activité du radiothorium va en diminuant suivant une loi régulière, tandis que l'activité des sels de thorium du commerce subit des variations plus compliquées. L'étude de ces variations a conduit à la découverte d'une nouvelle substance : le mésothorium^ qui ne se détruit que très .lentement en donnant naissance au radiothorium (-). Cette substance est considérée comme dérivant du thorium et peut être obtenue à partir des minerais et des sels de thorium; elle se sépare en particulier du thorium dans la précipitation par l'ammoniaque (').
ol. lonium. — Une nouvelle substance fortement radioactive a été découverte dans les minerais d'urane par MM. Rutherford et Boltwood et a reçu de ce dernier le nom d^ionium ( '*). Cette substance appartient vraisemblablement au groupe des terres rares, et l'on a des raisons pour penser qu'elle possède une radioactivité permanente, c'est-à-dire de très longue durée. D'après M. Boltwood l'ionium est surtout voisin du thorium et précipite en même temps que celui-ci d'une solution des chlorures des terres rares par addition d'un excès d'hyposulfite de sodium. L'intérêt particulier qui s'attache à l'ionium consiste en ceci que ce corps semble donner lieu à une production continue de radium et constitue, suivant la terminologie adoptée dans les théories actuelles delà radioactivité, le parent direct du radium. Nous verrons plus loin quel a été la marche du développement de cette idée.
(') IjLanc, Pliys. Zeit., uju;.
(-) Hahn, Phys. Zeit., 1907.
(') Boltwood, Phys. Zeit., 1907.
(') HuTUEriFouD, Phil. Mag., 1907. — Boltwood. Amer. Journal of Science,
Il est Utile d'attirer l'attention sur les difficultés que l'on rencontre, quand on cherche à préciser les caractères chimiques des substances radioactives nouvelles. On a, en effet, fréquemment fait observer que les réactions chimiques des substances qui se trouvent dans un mélange, en proportion extrêmement faible, doivent dépendre de la nature des substances qui se trouvent dans le même mélange à l'état plus concentré. Une substance fortement radioactive, telle que le polonium ou le radium, se trouve dans la solution du minerai à un tel état de dilution, qu'elle ne doit en réalité pouvoir précipiter par aucun réactif si on la considère isolément; tous les sels possèdent en effet une certaine solubilité si faible qu'elle soit, et, dans le cas considéré, cette solubilité devrait, semble-t-il, être toujours suffisante pour empêcher la précipitation. Si celle-ci a lieu, c'est qu'elle est déterminée par la présence dans la solution d'une qviantité suffisante d'une matière qui est elle-même précipitée par le réactif employé, et qui a le pouvoir à^ entraîner avec elle la matière active. L'entraînement est souvent déterminé par cette circonstance que les deux substances sont liées par une réelle parenté chimique, et qu'elles peuvent en particulier cristalliser ensemble en toute proportion, leurs sels étant isomorphes. Tel est le cas du radium et du baryum. Dans les solutions radifères obtenues directement à partir du minerai, le radium est si dilué que sa précipitation ne semble pas possible; cette précipitation se fait cependant d'une manière complète en présence d'un peu de baryum, par tous les réactifs qui précipitent le baryum.
Si l'entraînement régulier par une certaine substance est une indication sérieuse de parenté chimique, on connaît cependant des cas où l'entraînement a lieu entre deux substances qui ne font pas partie de la même famille. On sait, par exemple, avec quelle facilité un précipité de sulfate de baryum entraîne une partie du fer qui se trouve en solution avec le baryum; ce sulfate étant ensuite transformé en chlorure, on peut séparer le fer et le baryum, en précipitant la dissolution peroxydée par l'ammoniaque.
Les précipités gélatineux possèdent aussi le pouvoir d'entraîner
certaines matières; c'est ainsi qu'un précipité d'hydrate d'aluminium entraîne les hydrates alcalins présents dans la solution.
Enfin l'entraînement peut aussi être obtenu au moyen de substances insolubles qui sont mises en présence d'une dissolution, et qui^ sans être attaquées elles-mêmes^ exercent sur certaines matières dissoutes un effet absorbant ou agglutinant. Tel est, par exemple, le rôle du noir de fumée qui absorbe certaines matières radioactives (uranium X) quand il se trouve mélangé à une dissolution bouillante de ces matières.
On voit que les propriétés chimiques des matières très diluées ne peuvent être appréciées^ sans crainte d'erreur, que d'après l'ensemble des expériences qui indiquent comment la matière considérée se comporte en présence des diverses matières connues. La distinction peut se montrer facile cjuand il s'agit d'éléments appartenant à une famille à caractères chimiques très tranchés; c'est le cas du radium dont la nature chimique s'est manifestée dès le début sans ambiguïté. Mais quand il s'agit de substances qui accompagnent volontiers les éléments des groupes chimiques plus compliqués, l'interprétation des résultats expérimentaux peut être rendue difficile par le manque, de netteté dans les réactions chimiques (actinium, radioactinium, etc.).
Je n'ai décrit ou tout au moins indiqué dans ce Chapitre que celles des substances radioactives qui sont douées d'une radioactivité assez permanente pour que l'on puisse les conserver pendant un temps de l'ordre de quelques années. On peut espérer isoler ces substances à l'état de sel pur, ainsi que cela a été fait pour le radium.
Mais les théories actuelles de la radioactivité nous conduisent à envisager l'existence d'un très grand nombre d'autres substances radioactives dont la vie est éphémère, et dont l'état de dilution dans la matière qui les contient est tel qu'il est difficile d'espérer pouvoir les obtenir en quantité pondérable. Ces substances peuvent être solides ou gazeuses; en ce dernier cas elles portent le nom d'émanations. L'émanation du radium est celle cjue l'on peut obtenir en quantité relativement plus grande, et l'on a réussi à observer son spectre et son volume.
Ces substances seront généralement caractérisées par la nature
HJ*^' CHAPITRE IV.
des rayons qu'elles émettent, et que nous étudierons en détail dans le chapitre sur les radiations. Ces rayons font partie de trois groupes principaux qui peuvent, en première approximation, être caractérisés par leur pouvoir pénétrant, et auxquels on donne, suivant la notation de M. Rutherford, le nom de rayons a, [j et •'.
Les rayons r/., ou rayons positifs^ sont formés par des particules chargées positivement et animées d'une grande vitesse ; ils ne peuvent traverser une épaisseur d'aluminium égale à o""",i.
Les rayons [ii^ ou rayons négatifs, sont formés par des particules chargées négativement et animées d'une grande vitesse. Ils peuvent traverser des épaisseurs de métal qui atteignent plusieurs millimètres.
Les rayons -', très pénétrants^ peuvent traverser les métaux sur une épaisseur de plusieurs centimètres. Ils ne portent pas de charge électrique.
Les rayons a et [t sont respectivement considérés comme analogues aux rayons positifs et aux rayons cathodiques des ampoules de Crookes. Les rayons ■' sont le plus souvent considérés comme n'étant pas de nature corpusculaire.
Les rayons |j et "' dans leur ensemble portent le nom de rayons pénétrants.
Le rayonnement a constitue, toutes les fois qu'il est présent, la partie la plus importante du rayonnement des corps radioactifs, quand celui-ci est évakié par son effet ionisant. La valeur de l'ionisation^ obtenue en utilisant le rayonnement total^ diffère peu^ en général, de la valeur obtenue en utilisant le rayonnement a seulement et peut le plus souvent être confondue avec cette dernière, au moins en première approximation.
RADIOACTIVITE A DUREE LIMITEE. — R\DIOACTI\TTE INDUITE. ÉMANATIONS. — SÉPARATION CHIMIQUE DE SURSTANCES D'ACTIVITÉ
PEU DURÀrLE.
o2. Radioactivité permanente et radioactivité éphémère. — La
première substance radioactive connue, l'uranium, possède^ comme on sait^ une radioactivité permanente qui, de plus, s'est montrée constante avec une grande approximation pendant plusieurs années. C'est précisément cette permanence du rayonnement qui, donnant au phénomène un caractère particulièrement mystérieux, a le plus vivement attiré l'attention des physiciens, et est devenue par cela même l'une des causes les plus actives du progrès rapide réalisé dans la connaissance du domaine nouveau ouvert à la recherche. Et cependant la permanence du rayonnement n'est pas un caractère essentiel de la radioactivité.
La découverte de la radioactivité du thorium et les premiers résultats relatifs aux substances radioactives nouvelles ont laissé subsister la notion de la radioactivité permanente. L'activité du thorium, tout en étant moins régulière, semblait constante comme celle de l'uranium. On sait actuellement que les sels de thorium du commerce subissent des variations d'activité très lentes qui ne peuvent être appréciées qu'au cours des années ; et l'expérience ne conduit d'ailleurs nullement à supposer que l'activité de ces sels puisse disparaître dans un avenir qui ne soit pas très éloigné. Lors de la découverte en nSgS des substances radioactives nouvelles, radium et polonium, le radium prit de suite plus d'importance, parce que sa préparation semblait plus facile, et parce que l'analyse spectrale avait révélé une raie caractéristique de ce corps. Or, l'activité du radium^; est permanente et constante. La variation d'activité du polonium, n'étant pas rapide, avait échappé pendant
Ii|S CIIAPITRK V.
quelque temps à l'attention; elle a été signalée pour la première fois par M. Giesel en 1900, et n'a été reconnue avec certitude que quelque temps après. On sait actuellement que la radioactivité du polonium persiste pendant deux à trois ans.
Toutefois, au courant de la première analyse de la pechblende, effectuée en i8()(S, nous avons observé, P. Curie et moi, un curieux phénomène d'activité temporaire. Nous avons chauffé la pechblende dans le vide, et nous avons recueilli les produits gazeux de la sublimation. Le gaz obtenu, enfermé dans un tube de verre, agissait encore à l'extérieur comme un corps notablement radioactif. Pendant un mois le rayonnement issu de ce gaz nous donna des impressions photographiques et provoqua la décharge des corps électrisés; mais l'activité diminuait peu à peu et finit par disparaître complètement. Au spectroscope le gaz actif montrait les raies de l'oxyde de carbone. La pechblende contient d'ailleurs de l'argon et de l'hélium. Nous nous sommes assurés que l'oxyde de carbone, l'argon et l'hélium ne sont pas radioactifs. La nature de ce gaz radioactif n'ayant pu être étudiée à cette époque, son observation est restée à l'état de fait isolé et n'a été publiée qu'en 1900 ( ' ). On sait aujourd'hui c[ue le gaz que nous avions obtenu devait contenir de l'émanation du radium.
Ce premier exemple d'une activité temporaire ayant été alors laissé de côté devant l'effort qu'exigeait le travail que nous avions entrepris en vue de l'extraction des substances radioactives nouvelles, la conception de radioactivité permanente restait prépondérante, quand eut lieu en 1899 la découverte d'un fait nouveau de haute importance : la radioactivité induite. Cette découverte est venue nous apprendre quil existe des formes de radioactivité essentiellement éphémères, dont la durée ne dépasse pas quelques heures. La découverte de la radioactivité induite a été bientôt suivie par celle des émanations radioactives qui offrent un nouvel exemple de formes de radioactivité à durée limitée entre une minute et un mois. Enfin les recherches sur la radioactivité de l'uranium et du thorium ont prouvé que les procédés de l'analyse chimique conduisent dans certains cas à la séparation de matières qui ont tous les caractères des corps radioactifs, mais dont la radio-
('j llupport au Côngrrs de IMiysique.
UADIOACÏIVITl': A DIJUKE MMIIKi:. — RADIOACTIVITÉ INDUITE, KTC. IQf)
activité ne persiste pas plus de quelques mois (uranium X et thorium X).
53. Radioactivité induite. — Le phénomène de la radioactivité induite a été découvert en iH()() par P. et M. Curie.
Au cours de nos recherches sur les substances radioactives, nous avons remarqué, Pierre Curie et moi, que toute substance qui séjourne pendant quelque temps au voisinage d'un sel radifère devient elle-même radioactive ( ' ).
Nous nous sommes tout d'abord attachés à prouver que la radioactivité ainsi acquise par des substances primitivement inactives, n'est pas due à un transport de poussières radioactives qui seraient venues se poser à la surface de ces substances. Ce fait, actuellement certain, est prouvé en toute évidence par la régularité des lois, suivant lesquelles la radioactivité provoquée dans les substances naturellement inactives disparaît quand on soustrait ces substances à l'action du radium.
Nous avons donné au phénomène nouveau ainsi découvert le nom de radioactwité induite.
Nous avons indiqué en même temps les caractères essentiels de ce phénomène. Des lames de substances diverses ayant été activées par l'action de sels radifères solides, nous avons étudié la radioactivité de ces lames par la méthode électrique ; nous avons constaté ainsi que toutes les substances s'activent de la même manière et que la radioactivité induite acquise par l'une quelconque de ces substances ne persiste pas indéfiniment. Quand une lame qui a été activée par l'action du radium est soustraite à cette action, l'activité de la lame disparaît progressivement et s'éteint complètement en moins d'un jour.
Peu de temps après, M. Rutherford publia un travail, duquel il résulte que les composés de thorium sont capables de produire le phénomène de la radioactivité induite ( - ) ; il trouva aussi que les corps chargés d'électricité négative s'activent plus énergiquement que les autres. Ce fait s'est trouvé également exact dans le cas
(') M. et M"° CuRiK, Comptes rendus, (i novembre i>^ij:h (■■-) Rutherford, P/til. Mag., janvier el février 1900.
CIIAIITIU': V.
de l'activation par le radium. La radioactivité induite due au thorium se distingue de celle produite par le radium en ce qu'elle est beaucoup plus persistante que cette dernière; sa disparition à peu près complète demande environ trois jours à partir du moment où le corps activé a été soustrait à l'action du corps activant, le thorium,
M. Debierne a montré ensuite que l'actinium donne lieu à une production très facile de radioactivité induite. Cette radioactivité disparaît un peu plus lentement que celle du radium, mais bien plus rapidement que celle du thorium; elle se concentre aussi sur les corps qui portent une charge négative (').
oi. Émanations radioactives. Relation entre les émanations et les radioactivités induites. — La découverte des émanations radioactives a suivi de très près celle de la radioactivité induite. Elle a son origine dans l'étude de l'activité des composés du thorium. On a vu (§37) comment M. Rutherford, en considérant l'influence des courants d'air sur l'activité du thorium, a été conduit à admettre c[ue les composés de thorium dégagent une émanation radioactive analogue à un gaz^ pouvant se répandre dans l'espace qui entoure la matière active. Cette émanation persiste pendant lo minutes environ, ainsi qu'on peut le constater en l'entraînant dans un récipient qui ne contient pas la matière active.
M. Dorn a montré que l'on peut reproduire la même expérience avec un sel de baryum radifère, lequel ^émet aussi une émanation radioactive; il a montré de plus que le dégagement d'émanation devient plus important quand le sel est fortement •chauffé (-).
Enfin l'actinium donne lieu à un dégagement important d'une émanation radioactive. L'effet des courants d'air sur l'activité de l'actinium est considérable; cet effet a été signale par M. Debierne ('). On a vu comment M. Giesel, ayant préparé des échantillons de la substance active qui s'est montrée ensuite
(') DEisiEiiNE, Comptes rendus, juillet kjoo cl février njoS. (') IJORN, Abh. NaUirforsck. GeselL, Halle, njoo. (•■') Debierne, Comptes rendus^ igoS.
RADIOACTIMTK A DIRKK I.I.MITKK. — UADIOACTIVITK INDUITE, KÏC. '20 1
identique avec ractinium, a été amené à observer sur les produits obtenus la production d'une émanation radioactive cjui s'échappe très facilement de la substance; cet effet caractéristique détermina le choix du nom émanium que M. Giesel proposa pour la substance ( ' ).
On ne connaît jusqu'à présent aucune autre émanation radioactive en plus de celles qui sont émises par le thorium, le radium et l'actinium. Les émanations qui proviennent de ces trois substances sont d'ailleurs de nature différente; elles se distinguent entre elles par leur persistance inégale. Pendant que l'émanation du thorium a son activité réduite à moins de i pour loo en un temps égal à I G minutes, le même résultat est obtenu pour l'émanation du radium en un mois seulement, et pour l'émanation de l'actinium au bout d'une demi-minute.
Les émanations ne peuvent traverser aucun écran solide exempt de trous, si mince qu'il soit.
Il existe une relation entre les émanations et les radioactivités induites. Les substances qui donnent lieu à une production de radioactivité induite sont les mêmes que celles qui émettent des émanations. L'ensemble des recherches sur le mode de production de la radioactivité induite prouve que cette dernière ne se développe sur les corps solides que lorsque ceux-ci se trouvent au contact de l'émanation. L'émanation peut ainsi être considérée comme la cause qui donne naissance à la radioactivité induite.
Le mot émanation, qui évoque l'idée d'un gaz, a été proposé par M. Rutherford déjà en 1900, pour désigner la cause du phénomène radioactif localisé dans le gaz qui entoure la substance active. Cette notation ne s'est pas imposée de suite parce qu'on manquait totalement d'indications relatives à la nature du ^Dhénomène. M. Rutherford a eu une intuition très heureuse en considérant les émanations comme des gaz matériels émis en très petite quantité par les substances actives. Cette hypothèse a reçu des confirmations de diverse nature par des travaux qui, principalement, ne datent que de i()0.i. En même temps le nom d'émanation a été définitivement adopté. On peut considérer aujourd'hui que la nature matérielle de l'émanation du radium a été rendue cer-
(') Giesel, Cliern. Ber., 1903.
taine par l'observation d'un spectre caractéristique, et par des mesures de volume.
Une série d'expériences importantes ont été effectuées par Pierre Curie et par M. Debierne sur le mode de production de l'activité induite provoquée par le radium et par les solutions de radium dans une enceinte close ( ' ). Ces expériences ont montré que l'énergie radioactive qui se manisfeste dans une telle enceinte comme radioactivité répandue dans le volume (émanation), et comme radioactivité recouvrant les parois (radioactivité induite), est directement empruntée au radium dont l'activité est d'autant diminuée. Si le radium émet facilement une partie de son activité à l'extérieur sous forme d'émanation et de radioactivité induite, son activité propre devient faible et se trouve en quelque sorte extériorisée. Toutefois la forme d'activité susceptible de se séparer ainsi du radium n'est pas stable et disparaît avec le temps. D'autre part^ elle se régénère spontanément dans un sel de radium qui a été protégé contre la perte d'émanation et de radioactivité induite; ce sel reprend alors peu à peu son activité primitive, laquelle est obtenue, quand la production continue et constante d'émanation et de radioactivité induite par le radium compense la destruction spontanée de ces formes d'activité.
55. Préparation par voie chimique de substances radioactives de durée limitée. — • La première expérience de cette nature est due à M. Debierne, qui cherchait à obtenir la radioactivité induite^ en maintenant des sels de baryum en solution avec de l'actinium fortement actif ( - ) ; la solution était ensuite précipitée par l'ammoniaque pour séparer l'actinium. Dans d'autres expériences la solution, contenant l'actinium et le baryum^ était précipitée par l'acide sulfurique; le sulfate de baryum entraînait l'actinium; les sulfates étaient laissés ensemble pendant longtemps, ensuite ils étaient transformés en chlorures et l'actinium était séparé par précipitation par l'ammoniaque. On obtenait ainsi un sel de baryum actif que l'on pouvait fractionner comme un sel de baryum radifère,
(') Curie et Debikrne, Comptes rendus, 1901 (i)Iusicurs Notes). (■-) Debierne, Comptes rendus, ImWtl njoo.
RVniOACTIVITK A DL'UKE LIMITÉE. — RADIOACTIVITÉ INDUITE, ETC. 9.o3
l'activité se concentrant dans la partie la moins soluble. M. Debierne a pu obtenir ainsi un chlorure de baryum i ooo fois plus actif que l'uranium; ce chlorure était spontanément lumineux. On se demandait à cette époque si le baryum n'avait pas été, dans cette^ expérience, partiellement transformé en radium. Toutefois le baryum activé ne donnait pas le spectre du radium ; de plus son activité diminuait avec le temps et finit par disparaître au bout de quelques mois. On sait aujourd'hui que l'addition de baryum n'est pas nécessaire, et qu'en précipitant une solution d'actinium par l'ammoniaque, on sépare de l'actinium une substance active, soluble dans l'ammoniaque, dont l'activité n'a qu'une durée limitée. Cette substance a reçu le nom à^actinium X, par analogie avec les substances obtenues d'une manière analogue à partir de l'uranium et du thorium.
Une expérience importante a été faite par M. Crookes sur les sels d'uranium. En précipitant un sel d'uranium par du carbonate d'ammonium en excès, M. Crookes obtenait, après redissolution du précipité d'abord formé, un léger résidu insoluble dans l'excès de réactif. Ce résidu concentrait en lui presque entièrement l'activité primitive de l'uranium, cette activité étant évaluée par la méthode radiographique. En secouant avec de l'éther une solution aqueuse concentrée d'azotate d'urane, M. Crookes trouva de même que l'activité, appréciée par la méthode radiographique, se concentrait dans la portion aqueuse de la solution, tandis que la portion riche en éther et contenant l'urane ne produisait, après évaporation, qu'un effet très réduit. M. Crookes conclut de ces résultats que l'activité devait être attribuée à une substance distincte de l'uranium, qu'il nomma uranium X ( ' ).
M. Becquerel entreprit également des essais dans cette voie. Utilisant la réaction dont M. Debierne s'était servi avec l'actinium, il ajouta un peu de chlorure de baryum à la solution du sel d'urane et précipita le baryum par l'acide sulfurique. Par une série d'opérations de ce genre, on peut obtenir de l'uranium sensiblement inactif au point de vue radiographique. Toutefois, M. Becquerel trouva qu'après un an V uranium aidait complètement repris son
(') Crookes, Pvoc. Boy. Soc, 1900.
M>f\ CHAPITRE V.
activité primitii>e, tandis que V uranium X, qui aidait été séparé avec le baryum, était devenu complètement inactif ( ' ).
Dans ces expériences l'activité de l'uranium était appréciée par l'effet radiographique, qui est entièrement dû aux rayons pénétrants. Quand l'activité est évaluée par la méthode électrique, on constate que l'uranium n'éprouve pas de perte d'activité importante par les réactions chimiques qui séparent l'uranium X.
Ces expériences sur l'uranium avaient été faites en vue de s'assurer si l'uranium est actif par lui-même ou par suite de l'adjonction d'une matière étrangère. Elles ont prouvé que la perte d'activité en rayons pénétrants, que peut subir l'uranium, est passagère, et que l'activité séparable a une durée limitée.
MM. Rutherford et Soddy ont entrepris des expériences analogues sur les sels de thorium. En précipitant une solution de sel. de thorium par l'ammoniaque, ils ont obtenu un précipité de thorium qui avait perdu plus de la moitié de son activité primitive. L'activité perdue était restée dans la solution; en évaporant celle-ci à sec et en chassant les sels ammoniacaux, on obtenait un résidu qui pouvait être plusieurs milliers de fois plus actif que le thorium dont il provenait. Là encore, comme dans les cas précédents, l'activité du thorium regagne après quelque temps sa valeur primitive (un mois après l'opération environ), tandis que l'activité de la substance, qui a été séparée du thorium, diminue peu à peu et finit par disparaître dans le même intervalle de temps. La substance qui se sépare du thorium dans la précipitation de ce dernier par l'ammoniaque, et qui entraîne une grande partie de l'activité du thorium, a été nommée thorium X, par analogie avec l'uranium X de M. Crookes (-). La relation entre le thorium et le thorium X a été l'objet d'une étude très détaillée de la part de MM, Rutherford et Soddy, qui ont montré que le thorium X est produit dans les sels de thorium d'une manière continue et uniforme, et s'y accumule jusqu'à ce que la vitesse de production vienne compenser la vitesse de destruction spontanée.
06. Production et destruction de matières radioactives. — Nous
(') Becquehel, Comptes rendus, icjoo el 1901. (-) Rutherford el Soddy, P/iil. Mag., igo».
RADIOACTIVITÉ A Dl RKE LIMITEE. — RADIOACTIVITE INDUITE, ETC. 2o5
venons de voir comment des expériences^ faites dans des voies différentes, ont concouru à établir, que l'on peut observer des formes de radioactivité de durée manifestement limitée et, d'ailleurs, très variable. Dans tous les cas de ce genre, la forme de radioactivité plus ou moins éphémère dérive d'une substance à radioactivité permanente, et peut en être extraite et séparée; en même temps, la substance primaire qui se trouve ainsi privée d'une partie de sa radioactivité, possède la faculté de régénérer celle-ci suivant un mode de production continue. L'activité constante de la substance primaire doit donc être considérée comme résultant d'un équilibre de régime. La substance primaire donne lieu à la production continue d'une forme de radioactivité qui se détruit spontanément; la vitesse de destruction croît d'ailleurs avec l'intensité atteinte. L'équilibre est obtenu quand la production compense la destruction spontanée. Ainsi le radium produit d'une manière continue l'émanation et la radioactivité induite; l'uranium produit l'uranium X ; le thorium produit le thorium X ; l'actinium produit l'actinium X. Nous verrons que les lois de production et de destruction sont simples ou peuvent se ramener à des lois simples. L'étude des phénomènes de production et de destruction de formes distinctes de la radioactivité et des lois qui caractérisent ces phénomènes, a servi de base pour le développement de la théorie actuelle de la radioactivité, dans laquelle on suppose que la production ou la destruction d'une certaine forme de radioactivité accompagne toujours la production ou la destruction d'une espèce d'atomes de matière. L'hypothèse d'une transmutation atomique a été envisagée par P. et M. Curie dès le début de leurs recherches sur les substances radioactives. Mais cette hypothèse^ aujourd'hui bien établie^ doit son développement et ses premières applications aux travaux de MM. Rutherford et Soddy. Le mécanisme précis proposé par ces savants a rendu de grands services comme guide pour la recherche expérimentale. Le langage basé sur l'hypothèse de la nature matérielle de toute forme de radioactivité, susceptible d'être séparée à l'état distinct (telle une émanation ou une radioactivité induite), est, d'ailleurs, d'un emploi particulièrement commode et sera utilisé couramment dans les Chapitres suivants de cet Ouvrage.
57. Émanations radioactives. — Les gaz présents dans une enceinte qui contient du radium, de l'actinium ou du thorium sont radioactifs. Cette radioactivité persiste si l'on aspire ces gaz et si on les sépare de la substance active. Les gaz ainsi séparés perdent leur activité progressivement et finissent par devenir complètement inactifs. Le temps nécessaire pour la désactivation des gaz est très différent suivant que ces derniers ont été obtenus à partir du radium, de l'actinium ou du thorium. On peut estimer qu'il est possible d'observer pendant un mois l'activité des gaz qui ont séjourné au contact du radium, pendant i o minutes l'activité de ceux qui ont séjourné au contact du thorium, et pendant une minute seulement l'activité de ceux qui ont séjourné au contact de l'actinium.
Quand un gaz est devenu actif au contact du radium, du thorium ou de l'actinium, on dit que ce gaz contient une émanation radioactive provenant de l'un de ces corps. Le mot émanation évoque l'idée d'un gaz; les émanations radioactives se sont^ d'ailleurs, montrées en tout point analogues à des gaz matériels.
Les émanations radioactives ne traversent pas les parois de métal, de verre ou de mica, même quand celles-ci sont très minces, mais elles peuvent passer au travers de corps poreux.
Les parois des récipients qui contiennent des émanations radioactives, deviennent elles-mêmes radioactives par suite du développement sur ces parois de la radioactivité induite. A chacune des trois émanations correspond une radioactivité induite distincte et caractéristique.
O.S. Émanation du thorium. — Pour observer les effets de
l'émanation du thorium^ on fait passer sur un composé de thorium un courant d'air qui entraîne l'émanation dans l'appareil où elle doit être étudiée. La figure \'o représente un dispositif expérimental analogue à celui qui a été employé par M. Rutherford dans ses recherches à ce sujet.
La substance active, oxyde ou hydrate de thorium, est placée dans le tube 0 en T. On envoie dans ce tube un courant d'air,
Fig. 43.
tv^j» a--:< ^— ^' ^ ^ ^
préalablement desséché par le passage dans un flacon laveur à acide sulfurique; ce courant d'air traverse un tampon de coton, destiné à arrêter les gouttelettes de liquide entraîné. Après son passage sur le composé de thorium, l'air contenant de l'émanation est filtré au travers d'un deuxième tampon de coton qui arrête les poussières et les ions formés' en T. L'air passe ensuite le long du tube métallique 0; ce tube forme condensateur cylindrique avec des électrodes isolées A, B, C, etc. qui sont protégées par des anneaux de garde. Le tube 0 est porté à un potentiel élevé ; chacune des électrodes peut être reliée à un électromètre; les électrodes non utilisées sont reliées au sol, ainsi que les anneaux de garde. La conductibilité, communiquée à l'air par l'émanation qui y est contenue, est mesurée par le courant de saturation que l'on peut obtenir entre le cylindre et l'une des électrodes.
On constate que la conductibilité est entièrement due à la présence de l'émanation et ne peut provenir d'un entraînement d'ions, formés en T par les rayons du thorium. Si, en effet, on remplace le composé de thorium par un composé d'urane, en conservant le même dispositif expérimental, l'air qui arrive dans le tube 0 n'est pas conducteur. Quand un courant d'air de vitesse constante a été établi depuis i o minutes, un régime régulier est atteint, et le courant qui peut être obtenu sur chacune des électrodes est constant. Ce courant n'a pas la même valeur pour les diverses électrodes; son intensité est d'autant plus faible que l'électrode se trouve plus loin de la substance active. De plus, la baisse que l'on constate dans l'intensité du courant, quand on
2o8 CHAPITRE VI.
remplace l'une des électrodes, par exemple A, par l'électrode suivante B, est d'autant plus grande que la vitesse du courant d'air est plus faible. La conductibilité de l'air qui contient l'émanation décroît donc avec le temps. Connaissant la vitesse du courant d'air, on peut évaluer le temps qui est nécessaire pour que l'air effectue le trajet entre deux électrodes, et l'on peut ainsi connaître la diminution de conductibilité pendant un temps donné. On peut aussi, après avoir arrêté le courant d'air, observer sur l'une des électrodes la décroissance progressive de la conductibilité de l'air contenu dans le tube 0, dont on aura eu soin de fermer les orifices.
Voici une série de nombres obtenus par M. Rutherford dans une expérience de ce genre; on désigne par t le temps compté depuis le moment où le courant d'air a été arrêté, par i le courant de saturation mesuré à l'instant t et exprimé en unités arbitraires :
/ secondes /
o I oo
I iS 25
•.uo 6,7
Si l'on construit une courbe qui représente l'intensité du courant en fonction du temps, on constate que cette courbe correspond approximativement à une relation numérique simple : l'intensité du courant diminue de moitié en un temps égal environ à une minute. On peut admettre que cette loi est précisément celle suivant laquelle disparaît l'émanation du thorium, l'intensité du courant étant à chaque instant supposée proportionnelle à la quantité d'émanation présente dans le gaz.
La loi de décroissance de l'émanation du thorium a été, dans la suite, déterminée avec plus de précision par d'autres observateurs. MM. Rossignol et Gimingham ( ' ) ont trouvé que l'activité décroît de moitié en une période de 5 1 secondes ; M. Bronson ( - )
(') KossiGxoL cl Gimingham, l'Iiil. Mag., i\)n\. (-) MuoNsoN, Amer. Journ. Se, 190,5.
G\Z RADIOVCTIFS OU EMANATIONS. 20()
a trouvé pour la même constante une valeur égale à 54 secondes; M. Hahn a obtenu la valeur 5^^, 3 ( ' ). La méthode utilisée était en principe la même que celle de M. Rutherford.
Le dégagement d'émanation par l'oxyde ou l'hydrate de thorium est d'autant plus important que la couche de matière employée est plus épaisse. Pour des couches d'épaisseur suffisante, la radioactivité répandue dans le gaz^ par suite de la présence de l'émanation^ est importante par rapport au rayonnement direct de la substance. Quand on entraîne le gaz radioactif par un courant d'air, la conductibilité de l'air au contact de la substance se trouve fortement diminuée, car l'émanation du thorium ne peut pas s'y accumuler.
o9. Emanation du radium. — L'émanation du radium peut être obtenue soit avec les composés radifères solides, soit avec les solutions de sels radifères. Les composés solides dégagent très peu d'émanation à la température ordinaire ; la radioactivité répandue dans l'air qui séjourne au contact de ces composés est peu importante par rapport à la radioactivité du produit solide lui-même; si l'on fait passer un courant d'air sur un sel radifère solide, la conductibilité de l'air au contact de la substance n'éprouve pas de diminution notable.
Quand le sel solide est porté à une température élevée, le dégagement de l'émanation a lieu beaucoup plus facilement. Mais il est préférable de se servir de solutions de sels radifères, car un sel en solution donne lieu à un dégagement abondant d'émanation du radium à la température ordinaire.
L'émanation du radium est bien plus persistante que celle du thorium. On peut aspirer de l'air chargé de cette émanation dans un condensateur à gaz; l'émanation ainsi séparée du radium manifeste une radioactivité progressivement décroissante, qui peut être observée pendant un mois et davantage au moyen d'une méthode de mesures électriques. On peut aussi aspirer l'air qui contient de l'émanation du radium dans un ballon de verre, dont la paroi est recouverte de sulfure de zinc phosphorescent. La radioactivité du gaz contenu dans le ballon se manifeste par la
(') Hahn, Jahrbuch d. Rad.^ iQoô.
2IO CIIAIMTHE VI.
luminosité du sulfure de zinc; celle-ci peut être observée pendant plusieurs jours et même au delà d'un mois.
La première étude précise de la loi de variation de l'activité de l'émanation du radium a été faite par P. Curie au moyen de deux dispositifs différents ( ' ).
L'émanation était fournie par une solution de sel de baryum radifère, conservée dans un flacon fermé muni d'un robinet, et n'occupant qu'une partie du volume du flacon. L'air contenu dans le flacon se charge d'émanation, et peut ensuite être aspiré dans un récipient, dans lequel on a préalablement fait le vide.
Une première série d'expériences consistait à aspirer le gaz actif dans un tube de verre A {fig. \ \) que l'on scellait ensuite à la
lampe. Ce tube de verre était placé à l'intérieur d'un tube d'aluminium mince, qui constituait l'armature intérieure d'un condensateur cylindrique. Les rayons émis par le tube traversaient l'aluminium et rendaient conducteur l'air contenu entre les armatures du condensateur. L'armature intérieure B était portée à un potentiel élevé, l'armature extérieure C était reliée à l'électromètre. On mesurait au moyen d'un quartz piézoélectrique le courant de saturation qui pouvait être obtenu dans le condensateur.
(') Comptes rendus, njo'}..
Le rayonnement ainsi mesuré est dû exclusivement à la radioactivité des parois du tube, et non à celle du gaz. Si, en effet, on extrait rapidement du tube l'air chargé d'émanation, cette opération ne donne lieu à aucune variation brusque de l'intensité du rayonnement, laquelle, mesurée immédiatement avant et après l'extraction du gaz actif, a sensiblement la même valeur. Toutefois la loi de désactivation de la paroi du tube se trouve modifiée. Quand l'émanation a été enlevée, le tube se désactive ensuite rapidement, et son activité est sensiblement nulle après quelques heures. Si, au contraire, l'émanation reste enfermée dans le tube, celui-ci perd son activité beaucoup plus lentement; l'intensité du rayonnement décroît alors de moitié en \ jours environ. Dans cette deuxième expérience on peut donc admettre que l'émanation enfermée dans le tube entretient la radioactivité des parois et que celle-ci persiste aussi longtemps que l'émanation elle-même.
Si, après avoir introduit brusquement l'émanation dans le tube, on ferme celui-ci rapidement, et que l'on commence de suite une série de mesures du rayonnement pénétrant, faites à des intervalles convenables, on constate que ce rayonnement est sensiblement nul au début, mais qu'il augmente progressivement. L'augmentation, d'abord rapide, devient de plus en plus lente, et l'intensité du rayonnement tend vers une valeur maximum qui est atteinte en trois heures, et qui se maintient sensiblement constante pendant les deux heures suivantes. Ce maximum est suivi d'une décroissance lente et régulière qui se poursuit pendant quelques semaines, jusqu'à la disparition presque complète de l'activité.
Les expériences qui viennent d'être décrites prouvent que le rayonnement extérieur du tube n'est pas dû directement à l'émanation, mais qu'il doit être attribué à la radioactivité induite qui se forme progressivement sur les parois en présence de l'émanation. Le maximum est obtenu quand cette radioactivité induite atteint une valeur limite qui correspond à la quantité d'émanation présente. La courbe qui représente l'accroissement de l'intensité du courant i en fonction du temps est reproduite dans la figure 45, L
P. Curie a trouvé que la loi de décroissance lente du rayonnement extérieur du tube qui contient l'émanation est très simple. L'intensité du rayonnement -> est exprimée en fonction du temps t
par une loi exponentielle
5,e 9 = .-)oe->.'.
Dans cette formule -^o représente l'intensité initiale^ mesurée quelques heures après l'introduction de l'émanation, e est la base
Fig. 45.
Temps en heures
des logarithmes naturels et 0 une constante qui représente un temps. En portant le logarithme de ^ en ordonnées et t en abscisses, les points représentatifs des expériences viennent se placer très exactement sur une même ligne droite^ qui peut être poursuivie pendant 20 à oo jours, bien que l'intensité du rayonnement soit tombée après ce temps à moins d'un trentième de la valeur initiale.
Les expériences ont été exécutées dans des conditions très variées. On a employé, pour fournir l'émanation, des solutions de sels de radium d'activité très différente, ou encore des sels radifères solides; on a fait varier les dimensions des enceintes contenant l'émanation (de 3'™' à 200''"'") et la forme de ces enceintes; on a fait varier l'épaisseur du verre et l'on a employé des enceintes à paroi de cuivre ou d'aluminium; on a effectué l'activation de l'enceinte en y laissant pénétrer l'émanation soit par un tube large et court, soit par un tube long et capillaire; on a fait varier le temps d'activation par le radium entre i 5 minutes et un mois; on a fait varier la pression de l'air chargé d'émanation depuis
la pression atmosphérique jusqu'à une pression de a*^"" de mercure, et l'on a laissé le tube se désactiver après avoir été scellé sous cette pression réduite; on a opéré avec de l'hydrogène ou du gaz carbonique au lieu d'air à l'intérieur des tubes actifs. Cependant la loi de décroissance du rayonnement extérieur ^s'est maintenue inaltérée malgré ces modifications des conditions de l'expérience.
Une deuxième série d'expériences a été effectuée par P. Curie, en prenant comme mesure de l'activité l'intensité du courant de saturation, obtenu entre deux électrodes, situées dans l'intérieur du tube qui contient l'émanation. Quand on opère ainsi, la conductibilité que l'on mesure est due à la fois au rayonnement du gaz et à celui des parois. Si, en effet, on chasse rapidement l'éinanation par un courant d'air et qu'on laisse le tube se remplir d'air inactif, on constate que la conductibilité de l'air entre les deux électrodes, mesurée aussitôt après l'opération, est beaucoup plus faible qu'avant l'opération. On voit ainsi que l'on doit attribuer à l'émanation un rayonnement propre qui n'est pas assez pénétrant pour traverser la paroi du tube et pour agir au dehors, mais qui agit énergiquement pour ioniser l'air contenant l'émanation ; c'est un rayonnement absorbable. Quand l'émanation se trouve brusquement introduite dans le tube, le courantmesuré immédiatement après l'introduction n'est pas nul, mais possède une certaine valeur initiale; le courant croît ensuite en fonction du temps et atteint une valeur maximum au bout de .) heures ; le maximum est suivi d'une décroissance lente et régulière, comme dans le cas où l'on mesure le rayonnement pénétrant. La relation entre l'intensité du rayonnement et le temps, compté à partir du moment où l'on introduit l'émanation, est représentée pendant o heures par la courbe II de la figure 4"'. La valeur du courant maximum est environ deux fois plus élevée que celle du courant initial. On peut remarquer que l'accroissement de l'intensité du courant est au début beaucoup plus rapide que dans le cas où l'on utilise seulement les rayons pénétrants (courbe I).
Dans ces expériences avec des électrodes intérieures, la loi de décroissance du rayonnement est la même que dans les expériences précédentes faites avec des électrodes extérieures au gaz contenant l'émanation. La courbe I [fig. H^) représente l'intensité du rayonnement en fonction du temps pendant 6 jours à partir du moment où l'émanation a été introduite dans l'appareil. La courbe II [fig. \6)
CHAPITRK Vr.
représente pour le même intervalle de temps le logarithme de l'intensité en fonction du temps.
Le travail, effectué par P. Curie sur l'émanation du radium, constitue la première étude précise et complète de la loi de décroissance d'une forme de radioactivité à durée limitée. Il résultait, de l'ensemble des expériences faites pour cette étude, que la loi de dé-
"ju
Fig. 46.
Te
emps en jours
croissance peut être représentée rigoureusement par une formule exponentielle simple, caractérisée par une seule constante de temps. P. Curie a admis que la loi observée est caractéristique de la disparition de l'émanation du radium, La constante de temps qui caractérise cette disparition s'est montrée indépendante des conditions de l'expérience, de la nature du gaz qui remplit l'enceinte et de la matière qui en constitue les parois.
P. Curie a montré de plus que la loi de disparition de l'émanation est indépendante de la température dans^ les limites comprises entre l\h<)° et la température de l'air liquide ( ' ). Les tubes scellés
(') Comptes rendus, janvier xijo?,.
G\Z KADIOACTIFS OU ÉMANATIONS. 21 5
contenant l'émanation étaient maintenus pendant 3 jours à la température de /\5o° dans un four électrique. Les tubes étaient ensuite ramenés à la température ambiante. On mesurait leur activité et l'on constatait que la perte totale pendant le temps de chauffe était égale à celle que le tube aurait éprouvée pendant le même temps à la température ambiante. Dans la figure \~
Fi;;.
lf.oo heures 5oo
on a représenté les expériences en portant le logarithme du rayonnement en ordonnées et le temps en abscisses. On obtient ainsi des droites parallèles entre elles ( i ), ( 2), (3), (4) qui représentent 4 séries d'expériences effectuées à la température ambiante. La courbe (5) donne le résultat d'une expérience faite à 4''>o'^; les points de A à B représentent les mesures faites avant la chauffe, les points de C à D, les mesures faites après la chauffe ; tous ces points sont situés sur une même droite parallèle aux quatre droites précédentes. Dans un autre essai les tubes étaient refroidis dans l'air liquide à — 180". Le point E, courbe (G), représente une première mesure faite à la température ambiante : puis le tube est resté plongé dans l'air liquide pendant (i jours; on a recommencé ensuite les mesures
•21 6 CHAPITRK VI.
à la température ambiante. La première mesure, point F, obtenue immédiatement après le réchauffement du tube, a donné une valeur de rayonnement deux fois plus faible que celle qu'on aurait trouvée si le tube était resté constamment à la température ambiante. Mais l'activité du tube augmente ensuite rapidement pendant une demiheure environ (points de F à G). Les mesures faites ensuite, de G à H, donnent les valeurs que l'on aurait obtenues si le tube était resté constamment à la température ambiante. La droite GH prolongée passe par le point E ; cette droite a la même inclinaison que les droites (i), ('->.), (3), (4). Après une perturbation temporaire, la loi de décroissance ordinaire se trouve rétablie. La perturbation est due à la condensation de l'émanation du radium à basse température.
La valeur numérique de la constante de temps de l'émanation du radium, d'après les expériences de P. Curie, est la suivante :
0 = i38 heures = 4,97- lo^ sec ou
6 ' sec
On peut encore caractériser une troisième constante reliée aux
précédentes. Cette jonstante est le temps nécessaire pour que
l'émanation se détruise de moitié.
Soit
la formule qui donne l'intensité du rayonnement en fonction du temps, compté à partir d'un moment où la loi de baisse régulière est établie.
On a
Log,.3o— Log.3
le signe Log désignant les logarithmes décimaux.
Si l'on désigne par T un temps tel que -"^ =: — , on trouve
A Loge /ljOg<3o — '-Oi^A
/ I.Og<i)o— l.o^^> V
La valeur de T^ qui se déduit de la valeur de a donnée précédemment, est
T = 3,99 jours.
Le coefficient angulaire de la droite qui représente la baisse du logarithme de l'intensité est proportionnel à A.
P. Curie a fait remarquer que la constante de temps mesurée pour l'émanation du radium, étant indépendante des conditions des expériences, doit être considérée comme caractéristique de cette émanation, et que, de plus, cette constante qui n'a aucun caractère spécifique doit avoir une importance d'ordre général. Elle est d'ailleurs susceptible d'être déterminée avec une grande précision. Cette constante pourrait être employée pour définir un étalon de temps indépendant de toutes les unités adoptées pour les autres grandeurs physiques ( ' ). Des constantes analogues, relatives à d'autres cas de radioactivité à durée limitée, peuvent être utilisées de la même manière.
MM. Rutherford et Soddy ont montré, au cours de leurs expériences sur la condensation de l'émanation du thorium, que la vitesse de destruction de celle-ci n'est pas non plus modifiée à la température de l'air liquide.
La décroissance de l'émanation du radium a été étudiée par d'autres savants. MM. Rutherford et Soddy ( - ) ont recueilli l'air chargé d'émanation dans une éprouvette à gaz sur du mercure. De temps en temps un volume déterminé de ce mélange était puisé avec une pipette à gaz et introduit dans un condensateur à gaz. Ce dernier se composait d'une boîte cylindrique en laiton dans laquelle pénétrait une électrode cylindrique coaxiale isolée, tous les joints étant étanches pour l'air. La boîte était portée à un potentiel élevé, l'électrode centrale était réunie à un électromètre avec adjonction d'un condensateur de capacité convenable. On mesurait par la méthode de vitesse de déviation le courant de saturation obtenu dans le condensateur immédiatement après l'introduction de l'émanation; ce courant était pris comme mesure de l'activité de l'émanation contenue dans le condensateur. La
(') P. Curie, Soc. de P/iys., 1902.
(-) UUTHERFORD Cl SODDY, P/til. Mog., Kjo'i.
mesure est rendue difficile par raccroissement rapide du courant, par suite du développement de la radioactivité induite sur les parois du condensateur. Les mesures ont été continuées pendant •i.^ jours. Elles ont conduit à admettre une diminution d'activité suivant une loi exponentielle, mais avec une valeur de la constante ). un peu plus grande que celle trouvée par P. Curie. MM. Rutherford et Soddy ont indiqué les valeurs
X = 2.i().io^fi — ) T = 3 -i jour*,
«ec '' •*
Bien que ces résultats soient, en première approximation, conformes à ceux de P. Curie, l'écart des valeurs obtenues de part et d'autre pour la constante T dépasse les erreurs des expériences; cet écart atteint en efïet 7 à 8 pour 1 00. Parmi d'autres expérimentateurs. MM. Bumstead et Wheeler ont indiqué la valeur T = .), 88 jours. M. Sackur, employant la méthode de MM. Rutherford et Soddy, a trouvé T = 3,86 jours ( ' ).
M. Rûmelin (-) a employé la méthode suivante : deux vases A et B qui communiquent par un tube étroit contiennent de l'air chargé d'émanation à l'état de mélange homogène; ces vases sont scellés séparément et en même temps. L'activité de l'émanation contenue dans chaque vase est mesurée après un temps t, pour le vase A et après un temps t-, pour le vase B. Pour cela l'émanation contenue dans le vase est transportée dans une chambre d'ionisation adaptée à un électroscope; un courant de vapeur, provenant d'un ballon qui contient de l'eau en ébullition, balaye l'air chargé d'émanation qui se trouve dans le vase et l'entraîne dans un gazomètre où cet air est recueilli sur de l'eau avant d'être aspiré dans la chambre d'ionisation. Le courant de saturation, mesuré 3 heures après l'aspiration quand le maximum est atteint, est proportionnel à la quantité d'émanation qui a été introduite dans la chambre. Soient i, et ij les courants obtenus respectivement avec l'émanation du vase A et avec celle du vase B. Les quantités d'émanation contenues à l'origine du temps dans les deux vases
(') Sacklk, Ber. d. deutsch. cheni. Gesel/., 1905. — Bumstead el Wheeler, Amer. Journ. Se, 190^.
{■) RuMELiN, Phil. Mag., 1907.
GAZ UADIOACTIFS OU EMANATIONS. .i I <)
étaient proportionnelles à leurs volumes v^ qIk>2 et ont été réduites
ensuite dans le rapport e~"' pour le vase A et e^"- pour le vase B.
On a donc
/, = An e '■'>, ù = AtoC ^^'^
d'où l'on peut tirer la valeur de /..
Les nombres ainsi obtenus pour T ont varié entre 0,-0 et • ),8o jours avec une moyenne de 3,^5 jours. Toutefois la méthode a le très grand inconvénient de faire passer l'émanation au travers de l'eau avant la mesure de son activité. Or l'émanation du radium est soluble dans l'eau, et le coefficient de solubilité n'est pas très petit; on perd donc nécessairement de l'émanation en opérant par ce procédé, et il est probable que la perte n'est pas négligeable pour des expériences de précision.
J'ai entrepris un certain nombre de séries de mesures ayant pour but la détermination exacte de la constante T. Ces mesures étaient faites par la méthode de P. Curie, qui consiste à mesurer le courant que peut produire l'émanation enfermée dans un récipient absolument étanche, la mesure étant faite soit par la méthode des électrodes extérieures, soit par la méthode des électrodes intérieures. Cette méthode semble, en effet, celle qui mérite le plus de confiance, car on élimine les causes d'erreur relatives au transport de l'émanation d'un vase dans un autre. L'emploi du quartz piézoélectrique permet d'ailleurs d'effectuer une série de mesures portant sur 20 à .>j jours, toutes les mesures étant absolument comparables sans que l'on ait à s'inquiéter de la sensibilité de l'électromètre ou de la capacité des appareils de mesure.
L'appareil qui a servi pour les mesures au moyen d'électrodes extérieures est semblable à celui représenté dans la figure 4 î. L appareil qui a été utilisé pour les mesures au moyen d'électrodes intérieures est un condensateur à gaz tel que celui qui a été représenté dans la figure 38; la boîte B de ce condensateur était munie de deux tubes de dégagement étroits dont l'un se terminait par un manomètre tronqué de très petit volume, tandis que l'autre servait de tube de communication. L'opération préliminaire consiste à faire le vide dans le condensateur et à fermer le tube de
communication à la lampe. On laisse ensuite l'appareil en observation pendant quelques jours pour vérifier qu'il est parfaitement étanche. On aspire alors dans le condensateur une quantité convenable d'émanation contenue dans de l'air sec, on finit de remplir avec de l'air sec jusqu'à ce que la pression devienne sensiblement égale à la pression atmosphérique et l'on ferme à la lampe le tube qui a servi pour l'aspiration. L'appareil est alors prêt pour une série de mesures.
Chaque série de mesures par la méthode des électrodes extérieures ou intérieures se prolongeait de ^^o à 3o jours, les mesures étant faites généralement une ou deux fois par jour. Le maximum de l'intensité du courant est atteint o heures après le moment où l'émanation a été aspirée dans le condensateur; cependant la loi exponentielle de la diminution de l'intensité ne semble parfai" tement établie que a 4 heures après l'aspiration. J'ai cru constater en particulier que dans mes expériences à électrodes intérieures, le courant, après avoir atteint le maximum, décroît de plus en plus vite entre t = ^ heures et f = 20 heures, le temps t étant compté depuis l'instant où l'émanation a été introduite dans l'appareil; mais à partir de t ^ 20 heures, la vitesse de baisse devient un peu moins grande et prend un régime constant qui se maintient ensuite pendant plus de 20 jours. Si donc on construit la courbe qui représente le logarithme de l'intensité en fonction du temps, cette courbe présente un point d'inflexion entre t = î heures et t = 20 heures. Ce point d'inflexion, dont l'existence n'est pas prévue par la théorie, est peu marqué et il est difficile d'être tout à fait affirmatif à son sujet.
Dans toutes les expériences le courant de saturation était toujours atteint; la différence de potentiel établie entre les deux armatures du condensateur de mesures était de Noo volts.
Dans les expériences faites par la méthode des électrodes intérieures, la masse de gaz soumise à l'effet ionisant restait constante; aucune correction n'était donc nécessaire pour tenir compte de la variation de la pression et de la température de l'air ambiant. Mais dans les expériences faites avec l'appareil à électrodes extérieures, la chambre d'ionisation n'était pas close de manière à être étanche. L'ionisation produite dans l'air contenu dans cette chambre par les rayons pénétrants qui sortent du tube à émanation, croît avec
GAZ RADIOACTIKS 01 EMANATIONS. 221
la densité de l'air soumis à l'action des rayons; elle pourrait être considérée comme proportionnelle à la densité, si le pouvoir pénétrant des rayons utilisés était suffisamment grand. On aurait en ce cas
l d p \ -\- ■xt(t
en désignant par i le courant mesuré à la pression p et à la température t, et par i„ le courant rapporté à une pression po et une température fo- Lî^ correction t que l'on doit ajouter à i, pour obtenir l'o, est alors donnée approximativement par la formule
£ r= J [0,0013(760 P ) ^ O^OOZ~{t /o )],
où p est mesuré en millimètres de mercure. Cette correction est probablement un peu trop forte, car il est vraisemblable que parmi les rayons primaires et les rayons secondaires qui en proviennent il y en a de relativement absorbables; mais on peut remarquer qu'en moyenne la forme des courbes est à peine affectée par la correction.
Une autre correction est à considérer: c'est celle qui résulte de la radioactivité propre de l'appareil de mesures. Celle-ci était toujours très faible au début de l'expérience, n'atteignant, par exemple. que 0,1 pour loo du courant à mesurer; elle augmentait d'importance à mesure que le courant dû à l'émanation allait en diminuant et pouvait atteindre 3 pour i oo de la valeur à mesurer. La méthode du quartz piézoélectrique permet d'effectuer une série de mesures portant sur oo jours environ. Quand on emploie le procédé des électrodes extérieures, on peut prolonger la durée de l'expérience en employant une grande quantité d'émanation, et en réduisant au début l'intensité du rayonnement au moyen d'un écran en plomb épais qui enveloppe le tube actif et que l'on enlève après 20 jours. On constate toutefois qu'il n'y a pas intérêt à prolonger les mesures au delà de .'hj jours, car la loi exponentielle simple se trouve altérée à partir de cette époque, et la décroissance du courant devient de plus en plus lente. Ce fait est dû au développement progressif d'une radioactivité induite à évolution très lente, différente de celle qui ne demande que 3 heures pour atteindre un équilibre de régime avec l'émanation du radium ivoir § 77). Il est important de s'assurer que cette radio-
CHAPITKE VI.
activité ne peut contribuer d'une manière appréciable à produire le courant dans l'appareil de mesures. En effet, s'il en était ainsi, la loi de décroissance observée serait un peu plus lente que celle qui caractérise l'émanation, la déformation pouvant cependant être trop faible pour que l'on voie clairement que la loi n'est pas purement exponentielle. Cette considération constitue une objection importante contre l'emploi des méthodes qui consistent à mesurer l'activité de l'émanation en la laissant dans le même vase. On peut éliminer cette objection de la manière suivante. Quand la série de mesures est terminée, on chasse l'émanation du récipient qui la contient; on attend 'j.^ heures pour laisser complètement s'éteindre la radioactivité induite à évolution rapide, et l'on mesure alors le rayonnement propre de l'appareil. Si l'on opère avec des électrodes intérieures, le récipient est simplement le condensateur de mesures ; si l'on opère avec des électrodes extérieures, ce récipient est le tube qui contenait l'émanation, et qui, après avoir été vidé, doit être remis en place pour la vérification à faire après 24 heures. Dans les deux cas on constate que l'activité observée ainsi après une expérience de 20 jours est très faible, et qu'elle ne saurait modifier les résultats obtenus.
Chaque série de mesures a été représentée par une courbe, en portant en abscisses le temps mesuré en heures, et en ordonnées le logarithme décimal du nombre qui mesure le courant en unités arbitraires. Les courbes ainsi obtenues sont reproduites dans la figure 4'^- Ce sont très exactement des droites dont le coefTicient angulaire a (diminution du logarithme décimal de l'intensité par heure) est indiqué dans le Tableau qui suit :
/'Slect/odes intérieures.
TEMl'S D'oUSERVATION.
470 heures 4Ô0 »
Valeur moyenne
o,oo3'279 0,000270 o,oo3265 0,003280 o,oo3258
Fig. 4S.
■îïi
heures
CUAl'lTKK VI.
L'échelle relative à ces droites est indiquée sur la figure en bas et à gauche.
Electrodes extérieures.
TEMPS d'observation.
vir
460 heures
Valeur mojenne
0, 003255 0,003270 o,oo32 44 o,oo32 55 0,003200
o,oo324B
Les droites VI et VII sont construites à la même échelle que les droites I à V. Les droites VIII, IX, X représentent des expériences de durée beaucoup plus grande, et sont construites à une échelle moitié de la précédente, indiquée sur la figure en haut et à droite. La concentration initiale de l'émanation dans le tube était en ce cas plus grande, maïs l'intensité du rayonnement au début était réduite par l'emploi d'un écran de plomb qui entourait le tube ; lorsque l'intensité était devenue faible, on enlevait l'écran, et l'on continuait les mesures dans le même appareil. Le raccord des deux parties de la droite, obtenues avec écran et sans écran, est indiqué sur la figure par une croix, et l'on voit qu'il n'y a en ce point aucun changement de direction. L'altération de la droite X à partir de 800 heures est due à l'apparition de la radioactivité induite à évolution lente.
Dans les expériences VI à X la concentration initiale de l'émanation était considérablement plus grande que dans les expériences I à V, le rapport étant de l'ordre de \u'\ Ainsi au cours d'une expérience isolée la concentration peut diminuer dans un rapport de 1000 environ, sans que la loi exponentielle se trouve en défaut, et de plus, le coefficient (/ est sensiblement le même dans toutes les expériences, quelle que soit la concentration initiale dans les limites indiquées. Il en résulte que la loi de destruction de l'émanation est indépendante de la concentration de celle-ci dans de très larges limites. Ce fait est encore
GAZ UADIOACTIt'S OU EMANATIONS.
confirmé par des expériences faites avec de l'émanation très concentrée (quantité maximum d'émanation pouvant être fournie par i''^ de radium, et contenue dans un petit tube de volume o'"™', i environ). La concentration initiale en ce cas était 'i X lo" fois plus grande que dans les expériences avec des électrodes intérieures, et cependant la loi de destruction ne paraît pas altérée. La droite XI représente une de ces expériences avec « = 0,00 323.
La droite XII représente les résultats d'une série de mesures obtenues dans un appareil à électrodes intérieures^ avec l'émanation restante d'une expérience faite précédemment dans l'appareil à électrodes extérieures. La loi de destruction est toujours sensiblement la même (a=o.oo33o). A la fin de cette série l'émanation était séparée du radium depuis 3 mois.
On voit, d'après cela, que la constante de l'émanation est susceptible d'être déterminée avec une grande précision par les deux méthodes employées. Toutefois la méthode des électrodes intérieures donne pour a des valeurs plus concordantes, et en moyenne légèrement supérieures à celles fournies par l'autre méthode, (écart des moyennes inférieur à i pour 100). La méthode des électrodes intérieures, dans laquelle le rayonnement de l'émanation intervient directement à côté de celui de la radioactivité induite, semblerait, de ce chef, avoir un avantage sur celle des électrodes extérieures, dans laquelle le rayonnement de la radioactivité induite intervient seul; cette dernière méthode présente en revanche plus de sécurité, parce qu'il est certain qu'aucune fuite d'émanation ne peut avoir lieu. Une théorie complète montre d'ailleurs que pour des temps supérieurs à quelques heures et inférieurs à un mois, la décroissance du rayonnement total et celle du rayonnement pénétrant doivent^ toutes les deux^ représenter très exactement la loi de décroissance de l'émanation.
J'ai remarqué que les résultats obtenus avec des électrodes extérieures sont très influencés par l'état d'humidité de l'air qui contient l'émanation. Si, en particulier, celui-ci est rigoureusement desséché, les résultats sont très irréguliers, à tel point que l'expérience ne peut être utilisée pour la détermination de la constante. Ce phénomène s'explique par les conditions de dépôt de la radioactivité induite dans le tube qui contient l'émanation. On verra plus loin qu'une matière active se forme dans le gaz et se dépose C. — I. 1^
sur les parois du tube par suite d'un phénomène de diffusion ; ce dernier est fortement influencé par les variations de la température ambiante, qui donnent lieu à la production de remous dans la masse gazeuse. Tout changement de distribution du dépôt actif peut se traduire par une variation de l'intensité d'ionisation dans l'appareil qui utilise les rayons. On peut régulariser le phénomène par deux procédés : i^en utilisant un tube très étroit dans lequel le dépôt actif atteint très facilement la paroi et ne séjourne pas dans le gaz; une telle expérience est représentée par la droite VII; ■>." en utilisant de l'air humide dans lequel le dépôt actif se comporte comme un corps pesant et atteint rapidement la paroi inférieure {i^oir § 87) ; la droite VI représente une expérience faite dans ces conditions. On peut conclure qu'en adoptant la valeur a = 0,00026, on obtient la constante de l'émanation du radium avec une erreur inférieure à 1 pour 1 00. D'après cette valeur de a on trouve
?cc ' heure
0 := î,79(i.i()-' sec = I j),2 heures, T = 3 ,3'i î • '"'^ ^Gc = [V-i -, >\ lie lires = 3 ,8) jours.
On trouvera à la fin de ce Volume une Table qui permet de calculer quelle est, pour une certaine quantité d'émanation initialement présente, la fraction qui subsiste après un temps donné
(Tableau A), la valeur adoptée pour ), étant 0,00-.") ,
^ ' ^ ' heure
00. Émanation de l'actinium. — Les terres rares actinifères dégagent avec une très grande facilité l'émanation de l'actinium. En faisant passer un courant d'air sur un produit solide actinifèrc placé dans un condensateur de mesures, on constate qu'il se produit un entraînement d'activité considérable, et que l'activité du produit est fortement diminuée. Cette activité est donc due en très grande partie à l'émanation accumulée entre les grains et dans leur voisinage immédiat. Si le courant d'air chargé d'émanation de l'actinium est dirigé sur un écran au sulfure de zinc phosphorescent, celui-ci manifeste une belle luminosité à l'endroit où il est atteint par le courant d'air. On déplace à volonté la plage lumineuse en modifiant la direction du courant d'air. Quand le courant d'air est
GAZ RADIOACTIFS OU EMANATIONS. l^-
dirigé presque parallèlement à la surface de l'écran, on voit apparaître une traînée de lumière semblable à un jet de fumée lumineuse qui s'estompe progressivement, parce que l'émanation de l'actinium, étant très peu persistante, se détruit en même temps qu'elle est entraînée par le gaz. Si le produit est actif, l'expérience est d'une grande beauté,
La loi de décroissance de l'émanation de l'actinium a été étudiée par M. Debierne ( ' ) qui a employé à cet effet le dispositif expérimental représenté dans la figure 43. La matière actinifère. en grains débarrassés de poussière trop fine, était placée entre deux tampons de coton à l'extrémité du tube 0. Un courant d'air rapide traversait la substance et entraînait l'émanation le long du tube. Le tube était porté à un potentiel élevé; il contenait, ainsi que l'indique la figure, plusieurs électrodes isolées, équidistantes et placées suivant son axe. L'une quelconque de ces électrodes pouvait être réunie à un électromètre, et l'on mesurait le courant de saturation qui pouvait être obtenu entre chaque électrode et le tube. Ce courant est proportionnel à la conductibilité de l'air à l'instant de son passage sur l'électrode considérée, et l'on supposait que cette conductibilité est elle-même proportionnelle à l'activité de l'émanation contenue dans l'air. Connaissant la vitesse du courant d'air, on peut évaluer le temps qui correspond au passage d'une électrode à la suivante.
On constate ainsi que la conductibilité décroît très rapidement le long du tube, et qu'il est nécessaire d'employer un courant d'air très rapide. (20^ environ), si l'on veut utiliser plusieurs électrodes occupant une grande longueur du tube. La loi de décroissance est une loi exponentielle simple. L'intensité du courant est donnée par l'expression
ou encore
en désignant par -■"'„ l'intensité à une électrode choisie comme origine, par ') l'intensité mesurée sur l'une des électrodes suivantes, dont le centre est à une distance l de celui de l'électrode d'origine,
(') DiiBiEUNE, Comptes rendus, nj')4.
■XîS
par V la vitesse du courant d'air, par t un temps égal à ., • Dans la
figure 4<> la ligne I représente le logarithme du pouvoir ionisant de l'émanation en fonction du temps.
Le coefficient a a la valeur o, i<S. Cette valeur est telle que l'activité de l'émanation diminue de moitié en vm temps T= .),9sec.
Dans l'expérience précédente la concentration en émanation est directement mesurée par l'ionisation du gaz. La série complète des mesures peut être effectuée avant que le tube et les électrodes n'aient acquis une radioactivité induite appréciable.
Dans une autre série d'expériences, M. Debierne a cherché à mesurer la concentration en émanation au niveau d'une électrode déterminée, par la radioactivité induite que l'on peut observer après un temps suffisant sur la paroi du condensateur cylindrique que cette électrode forme avec le tube 0. Pour cela on fait passer pendant plusieurs heures le courant d'air qui entraîne l'émanation dans le tube; ensuite, on enlève la substance active, on chasse l'émanation, et l'on mesure aussitôt l'ionisation dans chacun des condensateurs successifs. CeLLc ionisation est duc uniquement à la radioactivité induite des parois; elle décroît, d'ailleurs, régulière-
ment en fonction du temps, l'activité d'un condensateur diminuant de moitié en 36 minutes environ. En effectuant des mesures croisées, on peut établir quelles sont, au même instant, les activités de tous les condensateurs. On constate que l'activité croît d'abord quand on s'écarte de l'origine du tube où se trouvait la substance active; elle passe ensuite par un maximum, puis commence à décroître; la loi de décroissance est alors la même que celle que l'on observe dans les mesures du pouvoir ionisant de l'émanation, de sorte que, dans la région du tube qui suit le maximum, la radioactivité induite est proportionnelle à la concentration de l'émanation qui lui a donné naissance, et peut servir à mesurer cette concentration. Dans la figure ^9^ la ligne II représente le logarithme du pouvoir activant de l'émanation en fonction du temps. L'anomalie observée dans la portion du tube comprise entre l'origine et la région du maximum n'a pas encore été complètement expliquée. On peut imaginer, ainsi qu'avait supposé M. Debierne, que l'émanation se compose de deux produits gazeux distincts : une première émanation formée par l'actinium, douée de pouvoir ionisant et ayant une loi de décroissance caractérisée par la constante T ^ 3,() sec, se transformerait en une deuxième émanation inactive, mais produisant la radioactivité induite, et se détruisant bien plus rapidement que la première. Un certain temps serait alors nécessaire pour que la deuxième émanation se forme dans le gaz qui passe sur l'actinium et entraîne la première. Quand la région du maximum est dépassée, les concentrations des deux émanations sont proportionnelles, la proportionnalité résultant d'un équilibre de régime entre la production et la destruction de la deuxième émanation. La radioactivité induite est proportionnelle à la concentration de la deuxième émanation.
On peut aussi essayer d'expliquer le même phénomène sans admettre l'existence de deux émanations, et en supposant que le dépôt de radioactivité induite qui se forme dans le gaz demande un certain temps, d'ailleurs très court, pour se diffuser et pour parvenir à se déposer sur la paroi du tube. Certaines expériences sont en faveur de cette manière de voir, mais la question ne peut être considérée comme résolue.
La décroissance de l'émanation de l'actinium peut être observée qualitativement au moyen du dispositif suivant utilisé par M. De-
CIIAPITIIK VI.
bierne. Un courant d'air entraîne l'émanation le long d'un tube de verre dans lequel se trouvent des écrans semblables entre eux et équidistants, recouverts de sulfure de zinc phosphorescent. L'émanation excite la luminosité de ce sidfure, et la phosphorescence est d'autant plus forte que la concentration de l'émanation au voisinage de l'écran est plus grande, A partir du moment où l'on établit le courant d'air, on voit s'éclairer successivement les écrans dans l'ordre de leur distance à la source, à mesure que l'arrivée de l'émanation se fait sentir. Quand le régime est établi, l'intensité de la phosphorescence va en se dégradant d'un écran au suivant, à mesure que la distance à la source augmente, et l'étendue jusqu'à laquelle le phénomène est visible croît avec la vitesse du courant d'air. Quand on arrête celui-ci, on voit la phosphorescence des écrans s'éteindre progressivement; mais si le courant d'air a persisté pendant un temps suffisant, l'extinction n'est pas complète, et chaque écran conserve un résidu de luminosité d'autant plus grand que la phosphorescence de régime était plus grande. Cette phosphorescence résiduelle est due, non à l'émanation, mais à la radioactivité induite formée sur l'écran, et disparaît en même temps qvie celle-ci dans l'intervalle de quelques heures. Les mesures effectuées par MM. Hahn et Sackur par la méthode du courant gazeux ont confirmé la valeur indiquée par M. Debierne pour la constante de l'émanation de l'actinium ( ' )
En raison de sa destruction rapide, l'émanation de l'actinium ne peut être transportée par aspiration dans un condensateur de mesures, de manière à être séparée de la matière active qui lui donne naissance.
M, Debierne a montré que les produits d'actinium émettent en plus de leur émanation caractéristique une proportion très faible d'une émanation très persistante (-), Pour s'en assurer il suffit d'aspirer dans un condensateur de mesures le gaz qui se trouve dans un ballon contenant une solution d'actinium. L'émanation de l'actinium est immédiatement détruite; l'émanation plus persistante reste seule, et l'on peut étudier la loi de sa variation avec le temps. On constate que cette émanation se comporte comme
{' ) Hahn ul Sa<;ki;i;, Cliem. lier., ujod. (-) Dei3ik«ne, Comptes rendus, igo/j.
GAZ RADIOACTIFS OU EMANATIONS. ?.^l
celle du radium et qu'elle doit être considérée comme identique avec celle-ci. Le dégagement d'émanation du radium par les solutions d'actinium est très faible ; toutefois il ne semble pas possible de l'attribuer à la présence d'une petite quantité de radium qui serait restée avec l'actinium lors de sa préparation. Il est maintenant prouvé que l'actinium contient une petite quantité de l'élément radioactif ionium qui donne lieu à une production lente de radium.
6J. Comparaison des trois émanations. — Nous venons de voir que les trois émanations radioactives se détruisent suivant une loi de même forme, mais que la vitesse de destruction est très différente dans chaque cas. Voici les valeurs des coefficients caractéristiques pour chaque émanation :
Emanation du radium .. . A = '2,085. io~'' — ■ T =^ 3 ,024 . lo-^ sec
sec
» du thorium.. A := o,oi3 » T = 53%:'i
» de raclininm. X = o,i8 » T= 3% 9
On peut remarquer que la destruction de l'émanation de l'actinium est environ 8-000 fois plus rapide que celle de l'émanation du radium.
Les émanations émises par les corps radioactifs se diffusent progressivement dans l'air qui entoure la substance; mais, comme leurs durées de vie sont très différentes, les effets obtenus n'ont pas le même caractère.
Dans un vase qui contient une solution de sel radifère, l'émanation du radium se trouve répandue d'une manière sensiblement uniforme quand l'équilibre de régime a été atteint; cette émanation est en effet assez persistante pour pouvoir se diffuser dans un vase de forme large sans éprouver de destruction en proportion notable.
L'émanation du thorium, par contre, ne peut se diffuser à distance notable de la substance qui l'émet; ce phénomène est encore plus marqué avec l'actinium dont l'émanation ne peut se propager qu'à quelques centimètres de la substance active; la concentration de l'émanation décroît en ce cas très rapidement quand on s'éloigne de l'actinium.
Mais si, au lieu de conserver la substance active dans un récipient plein d'air à la pression atmosphérique, on opère sous pression
UJ'i CIIAIUTUE M.
réduite, les phénomènes se trouvent modifiés. En ce cas les émanations du thorium et de l'actinium peuvent se diffuser facilement et se répandre dans le vase comme le ferait l'émanation du radium
Les trois émanations ont en commun la propriété d'ioniser les gaz dans lesquels elles se trouvent contenues, d'impressionner les plaques photographiques, et de provoquer la luminosité des substances phosphorescentes, en particulier celle du sulfure de zinc phosphorescent. Le courant obtenu dans un condensateur de mesures qui contient un gaz chargé d'émanation, croît avec la pression du gaz quand la quantité d'émanation reste constante.
Toutes les trois émanations ont la propriété de communiquer aux substances solides, avec lesquelles elles se trouvent en contact, une radioactivité temporaire dite induite. A chaque émanation correspond une radioactivité induite particulière et caractéristique, indépendante de la matière qui la reçoit.
Les éinanations peuvent être étudiées par leurs effets ionisants ou par leur faculté de provoquer la phosphorescence. A ce dernier point de vue c'est le sulfure de zinc qui est employé de préférence comme matière phosphorescente. On a vu comment un écran au sulfure de zinc peut servir pour mettre en évidence l'entraînement de l'émanation de l'actinium par les courants d'air. On peut de même obtenir l'illumination d'un écran au sulfure de zinc par l'émanation du radium, en aspirant celle-ci dans un récipient en verre qui contient un tel écran; avec de grandes quantités d'émanation le phénomène est très brillant. Le verre du récipient est aussi rendu lumineux par l'émanation du radium; parmi les différentes espèces de verres, le verre de Thuringe est particulièrement sensible, cependant la luminosité est toujours bien plus faible qu'avec le sulfure de zinc.
La propagation de l'émanation du radium le long d'un tube capillaire peut être suivie par l'observation de la luminosité du verre le long de ce tube.
La luminosité du sulfure de zinc en présence des émanations présente un caractère particulier : celui de scintillations. En observant la luminosité avec une loupe, on voit apparaître une multitude de points lumineux dont chacun ne persiste qu'un temps très court. Ce phénomène, sur lequel nous reviendrons plus loin, est surtout frappant avec l'émanation de l'actinium.
02. Diffusion des émanations. — Un grand nombre de recherches ont été effectuées pour préciser la nature des émanations radioactives. Ces recherches ont mis en évidence, que les émanations se comportent en tout point comme des gaz matériels instables doués de radioactivité. Les recherches entreprises dans cet ordre d'idées comportent l'étude de la diffusion des émanations, de leur solubilité, de leur condensation à basse température, ainsi que les essais d'isolement de l'émanation du radium en vue de la détermination de son spectre et de la mesure de son volume sous pression déterminée. Ces recherches seront exposées ici dans l'ordre indiqué ci-dessus.
P. Curie et M. Debierne ont montré que si une enceinte A, contenant du radium, communique par un long tube capillaire avec une autre enceinte B primitivement inactive, cette dernière s'active progressivement par suite d'un phénomène de propagation de l'activité le long du tube capillaire ( ' ). Cette propagation correspond à un déplacement de l'émanation du radium, laquelle, en cette circonstance, se comporte comme un gaz qui diffuse de l'enceinte A vers l'enceinte B au sein de l'air qui remplit le tube capillaire, en vertu de la différence de ses concentrations respectives dans les deux enceintes. Quand l'équilibre est établi, les deux enceintes, si elles sont semblables, manifestent la même activité extérieure.
P. Curie et M. Danne ont étudié ensuite quantitativement le partage de l'émanation du radium entre deux réservoirs (-). La quantité d'émanation contenue dans chaque réservoir était évaluée par le rayonnement extérieur de ce réservoir, ce rayonnement étant mesuré quand l'équilibre de régime était atteint entre l'émanation et la radioactivité induite des parois. Soit un réservoir de volume ^i qui émet un rayonnement «o ; on le met en communication avec un deuxième réservoir inactif de volume i^-j ; une partie de l'émanation passe dans ce deuxième réservoir, mais un état de régime n'est établi qu'au bout d'un certain temps t. Pendant ce temps l'émanation est détruite en proportion connue. Soit i le rayonnement qu'aurait émis le premier réservoir au bout du temps i si la communication avec le deuxième réservoir n'avait pas été
(') Curie et Debierne, Comptes rendus, mars et décembi'e 1901. (-) Curie et Danne, Comptes rendus, 1908.
établie. Soit /' le rayonnement effectivement mesuré après le temps t. On trouve que
L'émanation s'est donc partagée entre les deux réservoirs proportionnellement à leurs volumes. L'expérience donne le même résultat avec divers degrés de vide.
Dans l'expérience précédemment décrite, les deux réservoirs sont à la même température. D'autres expériences ont été faites, dans lesquelles l'un des réservoirs était à la température ambiante tandis que l'autre était porté à Ijo^. On constate que l'émanation se partage entre les deux réservoirs dans la même proportion que le ferait la masse d'un gaz dans les mêmes conditions, c'est-à-dire conformément à la loi Boyle-Gay-Lussac. Soient /,> le rayonnement du premier réservoir avant l'expérience, et /' son rayonnemer. : après un temps t, quand le partage de l'émanation entre les deii ; réservoirs a été accompli^ et que le nouvel équilibre a été établi. Soient P| et Po les volumes, T, et To les températures des deux réservoirs. On aura
('i ( 1 -î- ocTo ) -;- ("2(1
A étant le coefficient caractéristique de la destruction de l'émanation du radium.
Si les émanations se diffusent comme des gaz, on peut chercher à déterminer les coefficients de diffusion des émanations dans l'air ou dans un autre gaz. Les expériences de ce genre présentent d'autant plus d'intérêt qu'elles donnent des indications sur le poids moléculaire des émanations considérées comme gaz matériels, alors que l'on ne peut encore espérer obtenir ce poids moléculaire par la mesure des densités des émanations.
La première détermination du coefficient de diffusion de l'émanation du radium a été effectuée par M. Rutherford et Miss Brooks par la méthode de Loschmidt ( ' ). Voici comment était disposée l'expé-
(') RUTIIERFOUD et MisS ISliOOlvS, Chcni. NaVS, IQO.i.
rience [fig. .")o). Un long cylindre de laiton de -3'™ de longueur et de 6"'" de diamètre était divisé en deux parties égales par une paroi mobile S. Les extrémités du cylindre étaient fermées par deux bouchons d'ébonite, au travers desquels on faisait pénétrer dans le tube deux électrodes E, et Eo disposées suivant l'axe du tube. Le cylindre pouvait être porté à un potentiel élevé; chacune des électrodes pouvait être réunie à un électromètre. L'appareil était placé dans une caisse remplie de coton pour assurer la constance de la température. L'émanation était obtenue en chauffant un sel radifère contenu
Fi g. 5o.
Tl^i:
dans un tube de platine; l'émanation dégagée était entraînée dans la partie i du cylindre au moyen d'un lent courant d'air sec fourni par un gazomètre et filtré au travers d'un tampon de coton; la pression dans le cylindre restait égale à la pression atmosphérique. Après introdviction d'une quantité suffisante d'émanation, les orifices du tube étaient fermés, et l'appareil était abandonné à lui-même pendant quelques heures pour que l'équilibre puisse s'établir. On enlevait alors la cloison S, et l'émanation commençait à diffuser de la partie i du tube vers la partie '.. Le courant de saturation qui pouvait être obtenu sur les électrodes E| et Eo était mesuré à intervalles réguliers. Le courant obtenu avec E, va en diminuant, celui obtenu avec Eo, d'abord nul^ va en augmentant. Après quelques heures le courant a sensiblement la même valeur des deux côtés ; l'émanation est alors distribuée dans le cylindre d'une manière uniforme.
Voici maintenant la théorie de l'expérience. On peut admettre que l'émanation seule est en mouvement et que l'air est en repos, la concentration en émanation étant extrêmement faible.
L'émanation diffuse dans la direction Ox, par suite de l'excès de concentration qui existe entre deux sections voisines du tube, la concentration restant constante dans une même section. Si l'on
désigne par n la concentration de l'émanation dans une section placée à une distance x de la section origine, la quantité d'émanation qui traverse dans le sens Ox l'unité de cette section, par unité de temps^ est égale à ■ — D y-' où D est le coefficient de diffusion. L'unité de surface de la section placée à la distance x -{- dx sera de même traversée dans l'unité de temps par la quantité d'émanation
ox \ ô.r I
La quantité d'émanation détruite par unité de temps^ dans la portion de la tranche qui a comme base l'unité de surface, est égale â i.ndx, si À est le coefficient de destruction de l'émanation. L'accroissement rapporté à l'unité de temps de la quantité d'émanation ndx contenue dans l'élément de volume considéré sera donc tel que
— ( Il dx )= — D- r-U — \ n -i. dx — A /i dx,
ôt dx Ox \ ô.r ' '
d'où l'équation
àii ^ d- n
-— = D — ; Kn.
Si la diffusion est achevée en quelques heures, on peut négliger la destruction de l'émanation pendant un temps aussi court, et l'équation se réduit alors à la forme simple
On i)'^ n
'ôt ^ ùx^'
On peut obtenir la solution de cette équation sous forme d'une série. La solution contient des constantes arbitraires que l'on détermine de manière à satisfaire aux conditions aux limites, d'après lesquelles, au début de l'expérience, l'émanation est répandue uniformément dans la portion i du tube seulement, et la vitesse de diffusion reste constamment nulle aux extrémités du tube. En désignant par l la longueur du tube, par Q, et Qo les quantités d'émanation présentes respectivement au temps t dans les portions i et a du tube, on trouve
(fi) T^^—^=-À^ " +y«
