io
jour et à un volume de loS™"'' par an et par gramme de radium ;
fGG CHAPITRE IX.
ce nombre est en accord avec les résultats expérimentaux (coiV Chap. X).
1 3o. Nombre d'ions produit par une particule -j. le long de son parcours. — Si l'on connaît le courant de saturation i, produit dans une chambre d'ionisation par l'émission dans l'unité de temps d'un nombre connu n de particules a qui sont complètement absorbées par le gaz^ on peut en déduire le nombre d'ions N créé par une seule particule. Quand l'expérience est faite avec un sel de radium, il faut que celui-ci soit utilisé en couche très mince, de manière que l'absorption des particules a dans le sel puisse être considérée comme négligeable.
Soient i la valeur du courant de saturation et ^o 1^ charge d'un ion. On trouve
Une détermination approchée faite par M. Rutherford a indiqué que le nombre d'ions produit par une particule a du radium au minimum d'activité (parcours 3"", 5) est environ 120000.
Une étude plus précise a été faite à ce sujet par M. Geiger ( ' ) qui a déterminé l'ionisation totale sous pression réduite pour diverses portions du parcours des rayons a du radium C; il était facile, en opérant ainsi, d'obtenir le courant de saturation, tandis qu'en utilisant les rayons a à la pression atmosphérique, il est souvent difficile d'obtenir ce résultat. La quantité de radium C était évaluée par la mesure du rayonnement y, et l'on connaissait, par conséquent, le nombre de particules a émises par unité de temps.
Un faisceau très étroit de rayons parallèles émis par la source R et limité par le diaphragme K (/ïg. io()) traversait une fenêtre en mica très mince et était admis dans la chambre d'ionisation formée par les plateaux B et C; le plateau A servait de plateau de garde; grâce à sa présence les ions produits entre B et C étaient seuls recueillis par le plateau B relié à l'électromètre. Pour faire une série d'expériences on faisait varier la pression du gaz dans l'appareil; à une pression déterminée, on utilisait une portion du parcours des particules qui correspondait à une portion déter-
(') GEiauii, Le Radium, i<)oi).
NATLKE DES RADIATIONS. 167
minée également et très petite du parcours dans l'air sous la pression atmosphérique. La position de cette dernière portion était calculée en admettant que le parcours varie en raison inverse de la pression. Pour étudier la portion initiale du parcours sur la longueur de i'™, on plaçait la substance active au centre d'une chambre d'ionisation sphérique dans laquelle on faisait varier la pression ; on constate
que^ pour les basses pressions, l'ionisation varie proportionnellement à la pression, ce qui indique que dans cette région le pouvoir ionisant de la particule reste constant.
Le pouvoir ionisant moyen d'un faisceau de rayons a du radium C en différents points du parcours est indiqué dans le Tableau suivant, dont les nombres se rapportent à l'air à la température de i-^" et à la pression atmosphérique :
Ions
ar milliniètre.
^arcours en centimètres.
et
àr particule.
23oo
3(>oo
J5oo
Ces mêmes résultats sont représentés dans la figure i4o. L'échelle choisie est telle que chaque centimètre carré représente lo' ions.
Le nombre d'ions rapporté à une particule du radium G est déterminé par l'aire comprise entre la courbe d'ionisation et les axes. Ce nombre est égal à 2,3-. 10% en admettant que la charge d'un ion a pour valeur 41^5.10""^ E. S.
Les nombres d'ions produits par des particules y. émises par d'autres substances ont été calculés en admettant que la courbe
CIIAPITUE IX.
d'ionisation correspondante se superpose à celle obtenue pour les rayons a du radium C à partir de la fin du parcours (§ 130).
Fig. i4o.
Parcours en cm. d'air
Ces nombres sont indiqués dans le Tableau suivant ( ' ) :
Parcours
Nombre N
en cenlimc
1res.
d'ions produits.
Radium . . . .
1 , j3. lo^ 1 ,74. 10»
4,37. lO^ 4,11.10*
Etnanalion .
Radium A. .
1 ,87. io5
Radium C. .
7 , oG
2,37. lO^^
Radium F. .
C) L'exactitude de ces nombres peut se trouver alTeclée par suite de l'emploi de riiydrogène au lieu de l'air dans la chambre d'ionisation. La forme de la courbe d'ionisation dans l'hydrogène est, en efTet, un peu difTérenle de la forme de cette même courbe dans l'air (§ 144).
NATURE DES RADIATIONS. ifil)
On voit que le rapport — décroît à mesure que le parcours augmente.
D'après les résultats indiqués on peut calculer que le courant de saturation -^ obtenu avec un gramme de radium au minimum d'activité distribué en couche très mince sur une lame, de telle manière que la moitié des particules émises soit absorbée dans le gaz, a pour valeur
c) = I ,21 . lo'' unités E. S.
Ce résultat peut servir pour le dosage de faibles quantités de radium.
Si l'on admet que les nombres des particules a émises dans les différents faisceaux sont les mêmes, on peut calculer le rapport de l'ionisation totale, obtenue avec une certaine quantité de radium en équilibre radioactif, à l'ionisation obtenue avec la même quantité de radium au minimum d'activité; ce rapport
doit en eiret être égal a • r-; ~= \a).
Une détermination expérimentale du même rapport a été faite par M. Boltwood (') de la manière suivante : on mesurait l'activité initiale d'un sel radifère en couche très mince (au minimum d'activité) ; on laissait ce sel en vase clos et desséché pendant un mois; après ce temps le sel ne contenait que 70 pour 100 de la quantité d'émanation qu'il aurait contenue si l'émanation formée était restée entièrement occluse. On mesurait l'activité limite du sel et l'on faisait la correction relative à l'émanation qui s'était échappée. Le rapport ainsi trouvé entre l'activité limite et l'activité initiale était égal à 5,6.
Il est donc probable que les particules a des divers faisceaux sont en nombre égal. Les mesures doivent être faites en ayant soin que les rayons a de tous les parcours soient complètement absorbés dans l'air.
Le nombre d'ions produit en moyenne dans l'air par particule a, dans la région du parcours qui correspond au maximum de l'ionisation, est égal à 76000 par centimètre, à la pression et à la température ordinaire. Dans ces conditions de température et de
('} Boltwood, Phys. Zeit., 1906.
lyo CHAPITRE IX.
pression le chemin moyen d'une molécule d'air est environ i o~^ centimètre. Le chemin moyen d'une particule a dans l'air doit être plus grand parce que la particule est probablement plus petite qu'une molécule d'air, et parce que sa vitesse est très grande par rapport à celle des molécules d'air; pour cette dernière raison le chemin moyen doit être augmenté dans le rapport \,^. Si l'on admet que le chemin moyen est environ i,4'io~^ centimètre, le nombre des molécules rencontrées sur la longueur de i*^"' est environ -oooo, et ce nombre est du même ordre de grandeur que celui indiqué par l'expérience pour le nombre des ions produits. Il est difficile d'apprécier exactement la valeur du chemin moyen; il est cependant probable que le maximum du pouvoir ionisant correspond à l'ionisation de chaque molécule rencontrée.
L'énergie perdue par une particule a du radium C le long de son parcours est environ i ,6. lo"^ erg; le nombre d'ions produit est environ 2,j\.io-'; si l'énergie était entièrement utilisée pour la production d'ions, la dépense d'énergie par molécule ionisée serait environ 0,0. io~'" erg. Ce nombre constitue donc une limite supérieure de l'énergie nécessaire pour l'ionisation d'une molécule d'air.
136. Production de rayons secondaires par les rayons a. Diffusion des rayons a. — Quand les rayons a traversent la matière, on n'observe pour ces rayons ni diffusion importante, ni production appréciable de rayons secondaires, ainsi qu'il résultait des premières expériences de H, Becquerel à ce sujet. Ces expériences étaient faites par la méthode radiographique, et l'on pouvait se demander si l'on ne pourrait observer une production de rayons secondaires en opérant d'une manière différente.
J'ai cherché à mettre en évidence une transformation des rayons du polonium, en employant la méthode de l'interversion des écrans ( ' ) : deux écrans superposés E| et Ej étant traversés par les rayons ; l'ordre dans lequel ils sont traversés doit être indifférent, si le passage au travers des écrans ne transforme pas les rayons; si, au contraire, chaque écran modifie les rayons en les transmettant, l'ordre des écrans n'est pas indifférent. Si, par exemple,
(') M"" Curie, Thèse de doctorat, Paris, if)o3.
les rayons se transforment en rayons plus absorbables en traversant du plomb, et que l'aluminium ne produise pas un effet du même genre avec la même importance, alors le système plomb-aluminium paraîtra plus opaque que le système aluminium-plomb ; c'est ce qui a lieu pour les rayons R<>ntgen.
L'expérience indique que ce phénomène se produit avec les rayons du polonium. L'appareil employé était celui de la figure i 1 9. Le polonium était placé dans la boîte CCCC et les écrans absorbants, nécessairement très minces, étaient placés sur la toile métallique T.
Écrans employés. Epaisseur. Courant observé.
mm
,' Aluminium o 01 /
j Laiton o,o03 ]
Laiton o.ooj ) ..
Aluminium o,o[ \
Aluminium 0,01 1
Elain..... 0,003 \
Étain o,oo5 )
Aluminium 0,01 )
Etain.... o,oo5 \ ^
Laiton 0,00 5 \
\ Laiton 0,00 3 )
' Etain O.OOJ \
Les résultats obtenus prouvent que le rayonnement est modifié en traversant un écran solide et sont d'accord avec les expériences dans lesquelles, de deux lames métalliques identiques et superposées, la première se montre moins absorbante que la suivante. Il est probable, d'après cela, que l'action transformatrice d'un écran est d'autant plus grande que cet écran est plus loin de la source.
Il semblait possible d'expliquer ces expériences par la production sur les faces des écrans de rayons secondaires dont la nature et la quantité serait variable avec la nature des écrans. Toutefois, les recherches faites ultérieurement ont montré qu'on ne peut mettre en évidence la production de tels rayons, ni par l'effet ionisant, ni par l'effet radiographique. Ce fait résulte très clairement des expériences suivantes ( ' ) : les rayons émis par la source active
( ' ) Lattes, Le Radium, ic
172 ciiAPiiRi-: IX.
{fis. 120, II) constituée par le polonium en couche très mince^ traversaient un diaphragme composé d'une série de tubes juxtaposés et étaient ensuite reçus dans une chambre d'ionisation étroite^ formée par une toile métallique reliée à la pile et un plateau placé au-dessus de la toile et relié àl'électromètre. Le plateau pouvait être enlevé et remplacé par d'autres plateaux ayant exactement la même forme, mais faits avec des métaux différents : aluminium, cuivre, zinc, laiton ; l'appareil était construit avec une exactitude suffisante pour que la substitution d'un plateau à un autre ne pût amener aucune modification dans la forme de la chambre d'ionisation. On construisait la courbe d'ionisation des rayons du polonium pour chaque plateau; les courbes obtenues sont exactement superposables, et aucune influence du métal frappé par les rayons n'est visible. Le même résultat est obtenu en remplaçant le plateau supérieur par une toile métallique tendue reliée à l'électromètre sur laquelle on pose des feuilles métalliques très minces de nature différente : aluminium, zinc, plomb. Si les rayons a du polonium en frappant les écrans donnaient lieu à la production de rayons secondaires très absorbables dans l'air et doués de pouvoir ionisant, le dispositif qui vient d'être décrit devait être particulièrement bien adapté à faire valoir l'effet de ces rayons, puisque le pouvoir ionisant des rayons a n'était utilisé que sur un faible trajet (profondeur de la chambre d'ionisation o""", 5). On peut donc conclure qu'il n'existe aucun ejjet inHal, accompagné d'ionisation, dû aux rayons a.
D'autres expériences ont été faites par la méthode radiographique. Une nappe verticale étroite de rayons du polonium, limitée par deux fentes semblables et parallèles placées l'une au-dessus de l'autre, venait rencontrer une plaque photographique inclinée dont le bord horizontal était perpendiculaire à la direction des fentes; cette plaque venait s'appuyer sur une cloison horizontale, dont le bord extrême horizontal et perpendiculaire aux fentes se trouvait au-dessus du milieu de celles-ci. Ce bord aurait pu être le siège d'une émission secondaire, et en ce cas la partie supérieure de l'impression produite par les rayons directs aurait pu être entourée d'une houppe diffuse. Les expériences étaient faites soit à la pression atmosphérique, soit à une pression inférieure à celle de i""" de mercure; en aucun cas on n'a observé la moindre trace des apparences attendues.
NATLRE DES RADIATIONS. IjS
Tl semble donc bien établi que les rayons a ne produisent pas de rayons secondaires doués de pouvoir ionisant et capables d'impressionner les plaques photogi^aphiques. En revanche certaines expériences sont favorables à l'existence d'un rayonnement secondaire lent du genre ^i; ce rayonnement ne peut être mis en évidence que par la charge qu'il transporte. M. Logeman a étudié la vitesse avec laquelle se charge un plateau métallique exposé aux rayons du polonium dans un champ magnétique ('); cette vitesse dépend de la nature du métal employé pour le plateau. Dans les expériences de M. Moulin (-), les rayons du polonium traversaient une toile métallique reliée au sol, et pénétraient ensuite dans un condensateur, formé par une toile reliée à une batterie et un plateau relié à l'électromètre. Le polonium étant porté à un potentiel positif élevé-, pour empêcher l'émission d'électricité négative, le courant obtenu dans le condensateur dépend du sens du champ. Dans les deux cas l'électromètre recueille de l'électricité positive, mais la vitesse de charge est plus grande quand le plateau relié à l'électromètre est chargé négativement; en ce cas, en effet, il y a émission secondaire d'électricité négative par le plateau sous l'action des rayons a qui viennent le frapper, tandis qu'en cas contraire, ces rayons ne peuvent quitter le plateau si la différence de potentiel entre le plateau et la toile est suffisante. La différence de potentiel qui suffit pour arrêter l'émission secondaire est de i o à 1 5 volts, d'où l'on peut conclure que les rayons secondaires ont une vitesse insuffisante pour pouvoir ioniser les gaz. Dans les mêmes expériences on a remarqué l'émission par le polonium de rayons |j dont la vitesse semble supérieure à lo^— ;; la proportion de ces rayons est probablement faible. Un champ magnétique faible suffit pour ramener les rayons secondaires sur le plateau qui les émet; un champ magnétique plus intense est nécessaire pour ramener de même tous les rayons 3 du polonium à la source ; pour un champ magnéticfue suffisant, la charge reçue par le plateau relié à l'électromètre est due aux rayons a seulement.
Les expériences relatives à l'effet du renversement des écrans ne peuvent donc s'interpréter par une émission de rayons secon-
(') LoGEMAX, Proc. Boy. Soc, 1908.
{-) Moulin, Le Radium, 1907.
174 CHAi'iTiu: IX.
daires, et il s'agit, par conséquent,, d'un effet sur les rayons primaires. On a proposé d'expliquer le phénomène, soit par la variation du pouvoir absorbant d'un écran avec la vitesse des rayons ('), (-), soit par la diffusion des rayons a au passage des écrans ( ^).
Les effets d'interversion d'écrans obtenus par les divers observateurs qui utilisaient des rayons normaux aux écrans sont beaucoup plus faibles que les effets obtenus par M. Curie; il est donc probable que le phénomène augmente beaucoup quand on utilise les rayons obliques. En ce cas une interversion de l'ordre des écrans peut amener un très grand changement dans l'intensité des rayons qui traversent, et cela aussi bien avec une couche radiante épaisse qu'avec une couche radiante très mince. Voici les résultats de quelques expériences faites avec utilisation de rayons de toutes les directions, et avec un double écran placé à une distance de ()""" de la substance active {'').
Poloniiini
Nature des écrans. en couclie épaisse. en couclie mince.
Etain-laiton 95,6 sr,-*
Laiton-étain 38,5 9,3
Aluminium-cuivre.. 7'^)6 i4j4
Cuivre-aluminium ^9,2 12, 5
Aluminium-argent 79, o 21,2
Argent-aluminium 56,9 18,0
Aluminium-platine 117 32,4
l'Iatine-aluminiuui 94 27,'6
La variation du pouvoir d'arrêt des écrans avec la nature et l'épaisseur de la matière déjà traversée est encore peu connue, et en tenant compte de cette variation il n'est pas facile de calculer l'effet d'une interversion de l'ordre des écrans pour des rayons émis dans toutes les directions. Il est cependant probable que c'est là la cause principale des différences observées; la diffusion des rayons a qui traversent normalement un écran mince est très faible, mais elle doit être beaucoup plus importante pour les rayons
(') Meyer. Phys. Zeit., ifioii.
{•) Bkagg, Phil. Mag., 1907.
(•■') KucERA et Masek, Phys. Zcil.^ içjoG^
(') Lattes, Le RacUuni, 190''^.
NATURE DKS HADIATIONS. 17a
obliques à l'écran qui traversent une épaisseur de matière plus grande.
M. Rutherford a observé qu'une nappe étroite de rayons a traversant un écran en mica mince donne une impression photographique moins bien définie qu'en l'absence de l'écran, et que la déviation des rayons par diffusion peut atteindre '2 degrés. Pour obtenir la même déviation par application d'un champ électrique normal au rayon, le long d'un trajet de même longueur, il faudrait employer une intensité de champ égale à loo millions de volts par centimètre ('), et l'on peut ainsi se faire une idée de la grandeur des champs électriques produits parles atomes.
Les expériences suivantes indiquent également une diffusion des rayons a. L'ionisation produite par les rayons est mesurée après passage de ceux-ci au travers de deux grillages superposés (^); ces grillages sont semblables à ceux qui servent de diaphragmes pour la construction de la courbe d'ionisation. On observe le rapport des courants obtenus avec un seul diaphragme ou avec deux diaphragmes superposés, soit en recouvrant le premier diaphragme d'un écran, soit en enlevant cet écran. Le rapport n'est pas le même dans les deux cas, et l'on constate ainsi un effet de diffusion qui augmente avec le poids atomique du métal employé pour l'écran.
Une étude plus précise de la diffusion des rayons a a été faite par M. Geiger (•^). Un faisceau étroit de rayons a, issu d'une source de petites dimensions et limité par un diaphragme circulaire, était reçu sur un écran au sulfure de zinc sur lequel il produisait une tache de scintillations bien limitée, l'expérience étant faite dans le vide. En recouvrant le diaphragme d'un écran métallique mince, on constatait que les scintillations se trouvaient distribuées sur vme surface plus grande. La densité des scintillations était décroissante depuis le centre vers le bord ; on la déterminait en comptant au moyen d'un microscope le nombre des scintillations par unité de temps et de surface, à différentes distances r du centre. Le nombre
des particules qui ont subi une déviation angulaire égale à - >
(') Rutherford, P/iil. Mag., 1906.
('-) M"' Meitner, Phys. Zeit., 1907.
(•"■) Geiger, Proc. Roy. Soc, 1910.
OÙ S est la distance de l'écran phosphorescent au diaphragme, est mesuré par la quantité 2T:rn; cette quantité passe par un maximum pour une certaine valeur de r ; l'angle de déviation correspondant était considéré comme l'ajigle de dispersion le plus probable pour les particules a d'une vitesse déterminée traversant l'écran utilisé. On trouvait, par exemple, que pour les rayons a du radium C traversant une feuille d'or d'épaisseur équivalente à i"™ d'air, cet angle cp était égal à 2", i. L'expérience montre que l'angle o croît rapidement quand la vitesse des rayons diminue; il varie approximativement en raison inverse du cube de la vitesse. Il est à peu près proportionnel à l'épaisseur de l'écran, sauf .pour les très faibles épaisseurs, pour lesquelles l'accroissement est moins rapide. En admettant que le diamètre d'un atome est environ 2.10"**, M. Geiger a déduit de ses mesures que la valeur de l'angle o pour un atome d'or est environ o",oo.").
La valeur de '^ pour une lame métallique, pour laquelle l'épaisseur d'air équivalente est i'"', a été nommée coefficient de dispersion. Ce coefficient augmente avec le poids atomique du métal.
La reflexion diffuse des rayons a a été constatée par MM. Geiger et Marsden (') qui observaient les rayons par les scintillations produites sur un écran au sulfure de zinc; le dispositif expérimental, analogue à celui qui a été utilisé pour l'étude des rayons secondaires des rayons |j est représenté dans la figure \ \i. La source
Fis. I
radiante était constituée par le dépôt actif de radium porté par un petit plateau A; le radiateur R renvoie quelques-unes des particules a reçues sur l'écran phosphorescent S qu'on observe au
(') Geiger et Marsden, I.c Iladium, if)ot).
N.VTLRE HES radiations.
microscope. Les particules réfléchies sont renvoyées indifféremment clans toutes les directions^ et le rapport du nombre des particules renvoyées au nombre des particules reçues a été trouvé égal à ^r^ pour un réflecteur en platine. On a constaté que le phénomène de réflexion diffuse prend une importance plus grande quand l'incidence est rasante.
La réflexion par diffusion est un effet de volume. Le nombre des particules renvoyées croît avec l'épaisseur du radiateur jusqu'à une certaine limite qui est atteinte pour une épaisseur très faible. Ce nombre A dépend de la nature du radiateur et augmente avec
le poids atomique p de celui-ci; toutefois le rapport — diminue
quand le poids atomique augmente. On a pu constater, en l'absence de tout réflecteur, un effet de dispersion des particules y. par l'air atmosphérique.
AL Duane (') a montré que la production de rayons secondaires (électrons lents) par les rayons a cesse à la fin de leur parcours. Les mesures étaient faites avec le dispositif qui avait servi pour la mesure du parcours par la charge transportée (§ 132). En l'absence de champ magnétique l'électrode recueille un courant
où a est le courant de charge positive des rayons y., Si le courant dû à l'émission d'électricité négative par l'électrode; So le courant dû à l'émission d'électricité négative par la fenêtre. On peut séparer les courants a, S| et s> par l'action d'un champ électrique et d'un champ magnétique; ce dernier supprime s, et So tandis que le premier, suivant son sens, supprime s i ou s^- L'ionisation du gaz résiduel était considérée comme négligeable. En faisant varier la distance de la source radiante (radium au minimum d'activité), à la fenêtre, on constate que la production de rayons secondaires est supprimée en même temps que la charge des rayons. S'il y a une différence, le parcours est plus court pour la charge que pour le pouvoir de produire des rayons secondaires, mais, en tout cas, la différence est très petite.
(') Duane, Comptes rendus, njoS.
\-ii CHAPITRE IX.
