RH
m étant la masse de la particule, e sa charge, v sa vitesse et H l'intensité du champ. La déviation z étant petite, on a approximativement
2Rz = diid.-^-d.),
en désignant par d^ la distance du fil à la fente et par cl-, la distance de la fente à la plaque. La connaissance de z permet de déterminer
le rayon de courbure R et par suite le rapport On mesure la
distance 2z des deux bandes obtenues pour les deux sens du champ, et comme ces bandes sont très nettes, la mesure peut se faire avec une bonne précision. On obtient ainsi pour les rayons a du radium C les résultats suivants :
Pour H = 9470, R = 42'^'",
pour les rayons qui n'ont pas traversé d'écran; par conséquent, pour ces rayons on trouve
— = 4)06.io» unîtes h.. \i.
Les distances d^ et tZ^ ja^'aient les valeurs suivantes :
f/i = a-^'", cU = 2'°'
d^ = o"'", 5, di = i''"', 5.
ou
La valeur de R obtenue pour les rayons qui ont traversé un écran en aluminium est plus petite que celle qui correspond aux rayons n'ayant pas traversé d'écran. On verra d'ailleurs plus loin que le rapport — n'est pas modifié par suite du passage des rayons au travers de l'écran, on doit donc admettre que la vitesse a été diminuée. Les expériences étaient faites en recouvrant le fil actif d'un nombre variable de feuilles d'aluminium très minces (épaisseur d'une feuille, o'''",ooo3 1).
Les résultats obtenus sont résumés dans le Tableau suivant, dans lequel ç^,, désigne la vitesse des rayons n'ayant pas traversé d'écran :
Nombre des feuilles d'aluminium.
Distance des bandes.
UlUl
Plus d'impression
o,8;J l■•^, 0,7(3 v^ 0,73 Vo 0,(34 ^'o
lî
Ainsi quand une certaine épaisseur d'aluminium a été dépassée^ l'effet radiographique des rayons ne peut plus être décelé. Cette épaisseur limite dans les premières expériences a été trouvée égale à o''"',oo3(). En construisant la courbe d'ionisation des rayons a du radium C par la méthode de M. Bragg^ on a d'ailleurs trouvé que chacune des feuilles d'aluminium employées dans l'expérience précédente était équivalente à une épaisseur d'air deo"",5'î. Par conséquent l'épaisseur d'air équivalente à 12 feuilles était
Cette épaisseur était donc voisine du parcours des rayons dans l'air^ mesuré par la méthode d'ionisation.
Une concordance encore meilleure a été obtenue dans des expériences ultérieures, où l'impression photographique a pu encore être observée après le passage au travers de i/j feuilles d'aluminium, dont l'ensemble était équivalent à une épaisseur d'air de ^'^"'; la vitesse correspondante était évaluée à o,43 Co^ valeur voisine de la moitié de la vitesse primitive.
M. Rutherford a déterminé de plus l'épaisseur maximum d'aluminium qu'on peut utiliser quand on observe les rayons au moyen de la production d'effets de phosphorescence. Pour cela le fil actif était recouvert d'un nombre variable de feuilles d'aluminium, et l'on cherchait la distance maximum dans l'air à laquelle on pouvait encore observer l'effet de phosphorescence sur un écran en sulfure de zinc, en platinocyanure de baryum ou en willemite; cette distance critique peut être observée avec une assez grande précision. En portant en abscisses le nombre des feuilles d'aluminium et en ordonnées la distance critique, on obtenait une ligne droite, dont l'examen permettait de conclure que l'absorption produite par i2,5 feuilles d'aluminium était équivalente, au point de vue de la production des effets de phosphorescence, à l'absorption produite par 6*^"',8 d'air; dans les deux cas, on se trouvait à la limite de l'observation de la phosphorescence, et l'on voit que le parcours des rayons évalué par ce procédé ne diffère pas sensiblement de celui qu'on mesure par la méthode d'ionisation.
Quand on opère avec des substances phosphorescentes très sensibles aux rayons pénétrants, comme le platinocyanure de
baryum, on doit avoir soin de vérifier que les rayons actifs sont bien des rayons a. On peut, pour cela, introduire entre la source et l'écran un papier noir très mince et voir si la luminosité est notablement modifiée par la présence de cet écran.
On peut donc conclure que, pour une particule a, l'effet ionisant, l'effet radiographique et l'effet d'excitation de phosphorescence semblent solidaires et disparaissent simultanément quand la particule a éprouvé une réduction de vitesse suffisante, la disparition se produisant d'vme manière assez brusque, après un parcours dans la matière qui semble déterminé avec une assez grande précision. On peut donc penser que, pour produire l'un quelconque des effets considérés, les particules a émises par le radium C doivent posséder une vitesse supérieure à une certaine vitesse critique. On verra plus loin que la charge des rayons ne peut être observée au delà du parcours mesuré par le pouvoir ionisant; il semble donc probable que les rayons a perdent leur charge quand leur vitesse devient égale à la vitesse critique. Enfin il semble aussi probable que si la production d'ions dans les gaz, la production d'impressions radiographiques et la production de phosphorescence demandent la même vitesse minimum, et par suite la même énergie cinétique minimum des rayons, c'est cjue ces phénomènes ont entre eux quelque analogie et que les deux derniers pourraient être dus à la production d'ions dans la matière solide.
M. Rutherford a admis que les divers groupes de rayons a ne se distinguent entre eux que par leur vitesse initiale; cette hypothèse a été confirmée par les expériences faites par ce savant en vue de
déterminer le rapport — pour les rayons a de différentes substances.
La vitesse critique des rayons a d'une substance quelconque peut donc être considérée comme égale à la vitesse critique des rayons a du radium C, Toutefois, d'après des expériences récentes, la vitesse critique a une valeur très inférieure à celle qui a été primitivement indiquée.
En portant en abscisses l'épaisseur d'aluminium traversée, et en ordonnées la valeur de la vitesse des rayons a d'après les expériences qui viennent d'être décrites, on obtient la courbe I [fig. 128); on a représenté sur la même figure en ordonnées les valeurs de v- correspondant aux valeurs de v et mesurant l'énergie cinétique des
CIIAPITIΠIX.
rayons; les points obtenus sont approximativement en ligne droite.
M. Rutherford a déduit de ces expériences la relation suivante
Fig. 128.
JVofTtôre de rouilles d 3/uminium
entre la vitesse des rayons 9 et le trajet r qu'ils sont capables de faire dans l'air :
(' \l V -f- I, aï
V,, étant la vitesse initiale et a le parcours dans l'air.
Cette relation n'est qu'approchée parce que, d'après des expériences plus précises, la loi de diminution de l'énergie cinétique en fonction de l'épaisseur de matière traversée n'est pas une loi linéaire ; la relation s'applique aux rayons a du radium C, cependant on peut aussi l'étendre aux autres groupes de rayons a, si l'on admet que ceux-ci ne se distinguent entre eux que par la vitesse d'émission. En remplaçant r par la valeur du parcours d'un de ces groupes, on obtiendra la vitesse en fonction de la vitesse initiale des rayons du radium C que nous avons désignée par v^^.
En vue de vérifier cette relation, M. Rutherford a déterminé la valeur de la déviation magnétique pour deux autres groupes de rayons a du radium; le dispositif expérimental était le même que celui qui avait servi pour les expériences sur les rayons a du radium C, et la déviation obtenue z était directement comparée à celle de ces derniers. On utilisait le radium au minimum d'activité, et le dépôt actif du radium obtenu après courte exposition et contenant encore le radium A, Pour le radium lui-même l'épaisseur
NATURE DES RADIATIONS. l35
du sel ne peut être infiniment petite^ et les bandes obtenues avaient une certaine largeur; on utilisait leurs bords qui correspondaient aux rayons les moins déviés. Pour obtenir une impression avec les rayons du radium A on activait fortement un fil au moyen d'une grande quantité d'émanation avec exposition de ) minutes^ on mettait le fil en place et l'on faisait le vide dans l'appareil très-rapidement (en une demi-minute) ; la déviation obtenue était à celle des rayons 7. du radium C dans le rapport i,i4-
Le Tableau ci-dessous résume les résultats des expériences. La valeur de p observée pour le polonium est déduite d'une détermination de la déviation magnétique des rayons du polonium faite
par M. Mackenzie. Les nombres de la colonne — sont relatifs à la valeur de la vitesse calculée.
Parcours
en cm.
V calculé.
V observé.
Rafliiiin. . . . ,
3,0 1. lO'
Émanation .
Radium A. .
0,88 Co
Radium G...
4,06. lO*
Polonium.. .
Les considérations qui précèdent sont en faveur de la supposition que^ si l'on considère les deux groupes de rayons du radium dont les parcours sont X™,>.S et i'^^'^S'^J? c'est ce dernier parcours qui doit être attribué au radium A, puisque la vitesse ainsi calculée est en bon accord avec la vitesse observée; le plus petit des deux parcours est attribuable aux rayons de l'émanation. Ce point ne pouvait être facilement établi par une expérience directe.
Les expériences de M, Rutherford conduisaient à attribuer à la vitesse critique une valeur très élevée (43 pour 100 de la vitesse initiale des rayons a du radium C), et il paraissait surprenant qu'une discontinuité importante dans les propriétés des rayons pût se produire pour un changement de vitesse relativement peu important. De plus il semblait difficile d'expliquer que la valeur absolue de la vitesse critique, déduite de la connaissance de la vitesse initiale des rayons {yoir § 130), fût très supérieure à la vitesse derayons positifs produits dans les ampoules à vides, lesquels possèdent pourtant le pouvoir ionisant. Il résulte cependant des expé-
l36 CllAIMTKK IX.
riences de M, Geiger ( ' ) qu'on peut observer des particules y. de vitesse beaucoup plus faible que celle qui a été indiquée. Le dispositif expérimental était analogue en principe à celui qui a été utilisé par M. Rutlierford^ mais la plaque photographique était remplacée par un écran au sulfure de zinc sur lequel le faisceau plan et étroit de rayons a^ issu d'une source linéaire (radium C) et limité par une fente placée au-dessus de la source^ produisait une bande de scintillations étroite dont la position était repérée au moyen d'un microscope. L'expérience était faite dans le vide, et la réduction de vitesse était obtenue au moyen d'écrans en mica d'épaisseur variable, pour lesquels on avait déterminé l'épaisseur d'air équivalente, et cjui étaient posés sur la source. On mesurait le déplacement de la ligne des scintillations dans un champ magnétique uniforme de direction parallèle à la source. On pouvait en déduire la loi de variation de la vitesse v en fonction de l'épaisseur de mica traversée, et, connaissant l'épaisseur d'air équivalente, on pouvait obtenir la relation entre la vitesse et le trajet x accompli dans l'air. La vitesse minimum observée était V = o/i- (^0 pour X = (V'''^^. Pour cette vitesse les rayons ne produisent plus c{ue des scintillations très faibles, le nombre des scintillations est diminué, et la bande qu'elles occupent est élargie par suite d'une diffusion appréciable des rayons. La courbe expérimentale, obtenue en portant x en abscisses et ç en ordonnées, est bien représentée par l'équation
de sorte cjue la vitesse peut devenir relativement faible pour x = ^'"", c'est-à-dire pour une valeur de x très voisine du parcours des rayons a du radium C. Il est probable, d'après cela, que la vitesse critique n'a pas de valeur particulièrement élevée; cependant elle doit être notablement supérieure à la vitesse d'agitation thermique; la particule a étant constituée par un atome d'hélium chargé en mouvement {'^'oir § 131), on peut penser que sa vitesse critique est comparable à celle que doit acquérir un ion positif produit dans le gaz hélium pour pouvoir se comporter comme
(') Gkigeu, Proc. Roy. Soc. 1910.
NATURK Di:S RADIATIONS. 187
projectile ionisant dans ses chocs contre les molécules {i-'oir § 13).
On peut concevoir qu'un élément instable émette des particules a avec une vitesse inférieure à la vitesse critique ; l'émission de telles particules ne pourrait être constatée par l'ionisation du gaz environnant.
Les expériences de M. Geiger ont montré que la vitesse d'émission des particules a du radium C est très approximativement la même pour toutes les particules. Ce fait est prouvé par la mesure de la largeur de la bande des scintillations produites dans le vide^ en absence et en présence du champ magnétique^ par un faisceau étroit de rayons a qui n'a traversé aucun écran. Pour une déviation magnétique atteignant o""^ { on n'observait aucun élargissement de cette bande dont la largeur était d'environ o"""^"). D'après cela^ il ne se produisait pas de dispersion appréciable des rayons, et la vitesse d'émission des particules semblait être la même à une précision évaluée à o,5 pour loo. On a vu néanmoins, que les conditions du mouvement ne restent pas exactement les mêmes pour toutes les particules jusqu'à la fin du parcours (§ 12o).
Nous venons de voir que, d'après M. Rutherford, la vitesse d'une particule a est proportionnelle à y?' +1,20, où ;■ est le trajet que la particule est capable d'accomplir dans l'air à la pression atmosphérique. M. Bragg a trouvé, d'autre part, que l'ionisation par unité de longueur augmente le long du parcours, et que l'on peut admettre qu'elle varie approximativement en raison inverse de y/r + 1,3.3, Les nombres i,25 et i,.33 n'étant pas très différents, on voit que l'ionisation par unité de longueur i varie approximativement en raison inverse de la vitesse.
AL Bragg a indiqué pour la loi de variation de l'ionisation i avec le chemin parcouru x la formule suivante
où a est le parcours, et K un coefTicient constant.
On obtient une formule un peu différente en admettant avec M. Geiger que le nombre d'ions produits sur un certain trajet est proportionnel à la perte d'énergie sur le même trajet. En utilisant la relation entre (^ et x établie par le même auteur, on trouve dans
l3S CHAPITRE IX.
cette hypothèse
D'après cette formule le pouvoh' ionisant croît avec x jusqu'à l'extrémité du parcours, où il prend une valeur infinie pour tomber à zéro dès que le parcours est terminé. Il semble cependant plus probable que le pouvoir ionisant doive passer par un maximum pour une vitesse très voisine de la vitesse critique et décroître ensuite progressivement jusqu'à la valeur zéro.
130. Mesure du rapport de la charge à la masse et de la vitesse pour les rayons a. — Le rapport — pour les rayons a peut être déterminé comme pour les rayons [i par des expériences de déviation magnétique et de déviation électrique. Dans un champ magnétique uniforme d'intensité H, un rayon émis normalement au champ subit un déplacement latéral z, normal au plan qui passe par le champ et par la direction primitive du rayon. Si la longueur du champ dans la direction de la vitesse initiale est /, le déplacement latéral du rayon est donné par la formule
/^ eH 2 mv
De même, si un rayon traverse sur une longueur l un champ électrique d'intensité A, normal à sa direction, le déplacement latéral y dans la direction du champ est donné par la formule
•^ ~ ■>. me- *
Si après la sortie du champ magnétique ou du champ électrique le rayon poursuit encore son trajet dans une région de champ nul, les déplacements z et y peuvent être facilement déduits, ainsi qu'on l'a vu dans le Chapitre I.
Les premières expériences de M. Rutherford sur la déviation magnétique et électrique des rayons a du radium lui ont permis d'indiquer pour ces rayons les valeurs approchées :
e ,,•,.-,, <-iii
— = {). lo-^ unîtes J'. . IM., c — •>,, >,io^ — • m sec
M. des Coudres a entrepris la détermination de ces mêmes
XATIRE DRS RADIATIONS. iSg
grandeurs par la méthode radiographique ( ' ). Les expériences étant faites dans un bon vide^ on pouvait établir un champ électrique intense sans que la décharge disruptive se produisît. Les rayons passaient par deux fentes étroites^ placées parallèlement entre elles à 4""' de distance; la plaque photographique se trouvait à une distance de 4*^"' au delà de la deuxième fente. Les nombres trouvés sont les suivants :
— = 6,4. lo^ unités E.M.. ( == i ,65. lo^
m sec
M. Mackenzie (-) a utilisé pour recevoir les rayons un écran phosphorescent au sulfure de zinc dont les scintillations étaient
photographiées. Il a obtenu pour le produit —^ , relatif aux rayons
du radium en équilibre, une valeur moyenne 3. 10^ unités électromagnétiques^ les valeurs extrêmes étant 2, 5. 10' et .');^.io-^. Opérant ensuite avec le dépôt actif du radium, il a trouvé le nombre 3,g2. lo' pour les rayons du radium C et 2,55. 10^ pour les mêmes rayons à la fin de leur parcours. Les expériences de déviation électrostatique sur les rayons du radium en équilibre
ont fourni pour le produit la valeur 4,11.10''' unités électromagnétiques. On en déduisait
— =4,6.10^ unités E.M., (^ = i ,37. lo»
m sec
Pour le polonium la déviation magnétique seule était mesurée, et le nombre trouvé pour — est égal à 3,3o, 10^ unités électromagnétiques.
En vue de déterminer exactement la valeur du rapport ^ pour
les différents groupes de rayons a, M. Rutherford (') a entrepris une série de mesures de leur déviation électrique, la déviation magnétique étant connue d'après un travail précédent. Le dispositif expérimental était le suivant :
La source active [flg. 1 29) était un fil activé, placé en S norma-
(') Des Coudres, Phys. Zeit., igoS.
(-) AIackexzie, Phil. Mag., tgoS.
(') Rutherford, Phil. Mag., 1906.
l/jO CHAI'ITIIK IX.
lement au plan du tableau ; le champ électrique était établi entre les plateaux A et B dont la distance d était égale à o'"'", -i et la hauteur à environ 4"". La source avait une largeur plus grande que la distance des plateaux. Une plaque photographique P était
Fig. 129.
placée à une distance l-^ du condensateur; les hauteurs des plateaux A et B sont désignées respectivement par /, et /j; le déplacement latéral d'un rayon par suite de son passage dans le champ électrique est t.
Deux cas sont à considérer suivant que t <^ d ou que t^ d.
i" £ << d. La largeur HI = D [fig. i3o, I) de l'impression produite sur la plaque en l'absence du champ est donnée par la formule
Quand la déviation a lieu à gauche^ le rayon le plus dévié de ceux qui atteignent la plaque est le rayonOC, dont l'angle O avec la normale à la plaque est tel que /, O + s = cZ. Ce rayon atteindra la plaque en un point M tel que
On verrait de même que si la déviation a lieu à droite, le rayon
XATURK DES RADIATIONS.
extrême vient atteindre la plaque en un point N tel que
