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Submitted on 1 Jan 1906
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Le coefficient d’absorption des rayons β de l’uranium
J. Arnold Crowther, Léon Bloch
To cite this version:
J. Arnold Crowther, Léon Bloch. Le coefficient d’absorption des rayons β de l’uranium. Radium (Paris), 1906, 3 (12), pp.353-358. �10.1051/radium:01906003012035300�. �jpa-00242209�
Le coefficient
d’absorption
desrayons 03B2
de l’uraniumPar J. ARNOLD CROWTHER,
Laboratoire de physique, Trinity College. 2014 Cambridge.
Iniroduction.
Es rayons B des substances radioactives consis-
L
tent en corpuscules négatifs extrèmement petitsaiiiniés de vitesses extrèmement grandes. Lors- qu’ils rencontrent une substance quelconque, ils sont plus ou moins rapidement absorbés, l’inlensité du
rayonnement décroissant suivant une loi sensiblement
exponentielle avec l’ép diseur de la substance traver- sée. Ainsi si Io est l’intensité initiale de la radiation avant qu’elle pénètre la substance, l’iutensité 1 après
traversée d’une épaisscur d de matière est donnée par
l’équation
où A est le coefficient d’absorption de la substance donnée pour le rayonnement B particulier dont il s’agit.
Nous prouvons regarder l’absorption des rayons B
par la matière, comme due aux conditions entre l’essaim de corpuscules constituant les rayons et les
particules colnposant la substance. Mais par suite de la petitesse des corpuscules et de la grande vitesse qu’ils possèdent, nous devons considérer que leurs collisions ont lieu non avec l’atome ou la molécule de la substance absorbante considérée dans son ensemble,
mais plutôt avec les corpuscules individuels consti- tuant l’atome dans lequel ils pénèlrent i. L’absorption
des rayons B est donc due aux chocs entre les corpus-
cules du rayon et les corpuscules analogues situés
dans le milieu absorbant.
A ce point de vue la grandeur caractéristique de l’absorption du rayonnement B est le pouvoir d’arrèt
des corpuscules individuels de l’atome, et cette gran- deur peut se déduire immédiatement du coefficient
d’absorption. Car si c est la densité du milieu absor-
bant, M son poids atomique, et n le nombre des cor-
puscules dans un atome, alors le nombre N des cor-
puscules contenus par unité de volume est donné par l’équation
1. J. J. THOMSON, Condue! ion of Electricity flu’ough Gases.
p. 312 (1903).
Mais if
est constant, puisque le nombre des corpus- cules prl sent s dans un atome est simplement propor- tionnel au poids atomique. Donc ;N 1)rop. à p
et par suite l’absorption par corpuscule est simple-
ment proportionnelle à A.
?
Si le pouvoir d’arrêt corpusculaire était le même pour toutes les substances, indépendamment du mode
de groupenient des corpuscules dans l’atome, le rap-
port du coefficient d’absorption et de la densité serait
une constante universelle.
C’est la « loi de masse » pour l’absorption, qui a
d’abord été proposée par Lenard 1 à la suite d’expé-
riences sur l’absorption des rayons cathodiques. Bien
que ces expériences aient porté sur des substances dont la densité allait de 5.6.10-1 (H sous 5 mm, de pression) à 19,5 (02) et aient donné des valeurs de ), variant entre 0,v01Q5 pour le premier et 55 600
pour le dernier, les valeurs extrêmes du rapport
P ont été 2070 et 5610, montrant que si ce rapport
n’était pas rigoureusement constant il fournissait
pourtant une loi d’une importance fondamentale.
Des expériences semblablcs ont été faites par Slriil1 z avec les rayons B du radium. Les résultats ont été analogues, - variant de 3,84 pour le carton à
p
7,54 pour le platine. Mais le rayonnement du ra-
dium est complexe, il consiste en rayons possédant
des vitesses bien différente. Comme chaque faisceau simple a son coefficient d’absorption, l’absorption du
faisceau total ne suit pas une loi simple, et les valeurs
qu’on obtient n’ont pas une signification bien déter- minée.
Aussi Rutherford3 a-t-il fait de nouveltcb expé-
riences en employant l’uraninm conune source de rayonnement. Les rayons B de cette substance sont pratiquement homogènes et par suite ne prêtent pas
1. LEZARD, Bled, Ann. LVI.. p. 233 (1895).
’?. SIRUTT, Nature. XII, p. 53U "1900,.
3, RUTHELTORD. Radiogotirity. p. 114 ’1904.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:01906003012035300
354
u la même objection que les rayons du radium. Voici les résulta ts obtenus.
On voit que les variations du
rapport -
sont petites,p
mais systéinaliques ; le pouvoir d’arrêt corpusculaire
n’est donc pas le même pour tous les atomes.
La théorie aussi nous permet de prévoir que 1 arran-
gement des corpuscules dans l’atome doit influencer
leur pouvoir absorbant. J. J. Thomson a montré que
l’absorption d’un atome oû tous les corpuscules seraient
invariablement liés serait double de celle du mème atome ou les corpuscules se mouvraient librement.
Il est aussi tout à fait possible que la présence d’ull
si grand nombre de corpuscules chargés dans l’espace
d’un atome produise dans l’éther une contrainte ana-
logue à la polarisation diélectrique. Ceci affecterait la grandeur des forces s’exerçant entre les corpuscules B fixes et mobiles, et l’étendue de cette altération dé-
pendrait du nombre et de la liaison des corpuscules
dans l’atome.
On doit donc s’attendre à des différences dans la valeur du rapport A selon les différents éléments, et
p
il y avait lieu de faire à ce sujet une recherche aussi
étendue que possible pour trouver la dépendance
entre ce rapport ct le poids atomique,.
Partie expérïmentale.
Comme source de rayonnement B on a employé l’oxyde d’uranium, l’homoâénéité des rayons et leur caractère très pénétrant compensant et au delà la fai-
blesse des préparations comparées à des préparations
de radium. L’intensité relative du rayonnement avant
et après passage à travers la substance étudiée était mesurée par l’ionisation relative produite dans l’air d’un récipient d’épreuve. On mesure ainsi l’énergie
des rayons, c’est-à-dire une quantité qui dépend à la
fois du nombre et de la vitesse des corpuscules. Mais
Lenard a montré qu’il n’y a pas de changement appré-
1. J. J. THOMSON. Conduction of Electricity thJough Gases,
p. slô.
ciable dans la vitesse des corpuscules B tant qu’ils
n’ont traversé qu’une faible épaisseur de matière: est
ce résultat sera confirmé plus loin. La théorie a fait
voir 1 que le pouvoir de pénétration des rayons varie
commela puissance quatrième de leur vitesse (on a
déduit ce résultat d’mne comparaison entre les coeffi-
cieuts d’absorption des rayons de ditf’érentes vitesses).
Si donc il y avait une diminution appréciable de
vitesse des rayons au passage de la nlatiére, il devrait y avoir un accroissement marqué du coefficient d’ah-
sorption quand l’épaisseur de matière traversée aug- lllellte. On n’a observé aucun effet de ce genre est nous pouvons dire qu’il n’y a aucun changement appré-
ciable de la vitesse des rayons, au moins tant que leur énergie n’a pas été réduite à une faible fraction de sa valeur.
Comme on sc proposait d’étudier un grand nombre
d’éléments dont certains ne pouvaient s’obtenir qu’en petite quantité, l’appareil devait garder des dimen- sions très petites. Sa forme finale a été la suivant
(fig. 1).
L’oxyde d’uranium était placé dans une dépression
de 2 millimètres de profondeur et de ft,5 cmq. creusée dans une lamc de plomb et couverte d’une feuille d’aluminium de 0,1 mm. d’épaisseur destinée a arrê-
ter tous les rayons 7..
Les rayons pénétraient dans la chambre B, ionisant
l’air conlpris entre les plateaux C et D distants de
4,2 cm. C était re-
liée u une batterie de petits accumula-
teurs et maintenu à un potentiel suffi-
sant (560 volts) pour
produire le courant
de saturation dans le récipient quand
Fig. 1.
l’intensité de la radiation est maximum. D, ayant
4 cin. de diamètre et muni d’un anneau de garde
était relié à un électroscope incliné genre Wilson par
un commutateur à mercure E pouvant se lllanoeu- vrer à distance et, permettant d’isoler, de charger, ou
de mettre au sol le systèlle des feuilles d’or. L’isule-
lent de ce dernier était en soufre, et le tout était
protégé par des écrans métalliques reliés au sol. L’é- lectroscope au maximum de sensibilité donnait 50 di- ssions par volt, et oii pouvait lire le 1/5e de division.
La vitcsse de déperdition de l’élcctroscope nlesurait
l’ionisation dans la chambre B, c’est-à-dire aussi l’in- tensité de la radiation qui pénétrait dans cette
chambre, le rapport des vitesses de chute dans les deux cas ou la lame A n’était recouverte par rien
(sauf la feuille mince de. 111ica destinée à arrèter le
rayonnement x) ou bien était recouyerte par une
1. J. J. THOMSON, loc cit., p. 315.
couche mince de la substance étudiée, permettait le
calcul du coefficient d’absorption A lorsqu’on connais-
sait l’épaisseur de la substance.
Dans presque tous les cas on a fait des expériences
avec différentes épaisseurs de la substance pour s’as-
surer si l’absorption était bien une fonction exponen- tielle simple de l’épaisseur. On a porté les logarithmes
Fig. 2.
des intensités eu ordonnées et les épaisseurs eu abscisses, et les courbes obtenues se sont montrées du
type de celles de la fig. 2. Dans la grande majorité
des cas, la courbe était une ligne droite (voir les
courbes de Al et K), preuve que pour les substances,
aux erreurs d’expérience près, la loi d’absorption est
la suivante :
Dans le cas de quelques métaux lourds (Pb, Aii, Pl, Sn, Ag, hd), il y avait un écart initial plus ou
moins marqué à la loi exponentielle (v. la courbe
pour le papier d’étain Sn). Mc. Clelland 1 a nlontré que cela peut s’expliquer par la production d’un rayonne-
ment secondaire appréciable; et des expériences de
contrôle ont fait voir qu’en effet il y a dans le cas de
ces métaux un rayonnement réfléchi considérable.
Nous y reviendrons plus tard. Pour le moment nous
pouvons dire que les valeurs de ), employées sont
celles qui se déduisent de la portion rectiligne dc la
courbe,
Chaque fois que cela s’est trouvé possible, un a
ulilisé les éléments sous formc de feuilles minces.
Mais beaucoup n’ont pu être obtenus qu’à létal de poudre. Les poudrcs légères ont été disposées en
couches planes dans de petites aubes de carton de ditléreiites hautcurs; les poudres lourdes ont été nne-
mcnt concassées, délayées dans du chloroforme, et
1. Scient. Trans. Roy. Soc., Dublin, 1906.
abandonnées à l’évaporation sur deb lalllles de niu’u.
L’absorption due au mica ou au carton était naturel- lement mesurée et portée en compte.
L’épaisseur des couches a toujours été mesurée par
pesée d’une couche d’aire connue. Dans le cas des poudres, cette aire était celle de l’auge ou de la la-
melle. Cette méthode a l’avantage de donner directe-
A ment le rapport A.
p
Car si x est l’épaisseur de la couche,
M sa masse,
ce son aire,
Il devient donc inutile d’avoir une mesure précise
de la densité de l’échantillon étudié. Pour faciliter les
comparaisons, l’épaisseur dans la fibure 2 est remplacée
par la masse de l’unité de surface.
Absorption des éléments.
oit a étudié plus de 50 éléments, et les résultai obtenus sont consignés dans le tableau ci-joint :
Presque toutes les valeu) s ci-dessus ont été obte-
nues avec les éléluents eux-n1êmes., excepté dans le
cas du strontium, du baryum et de l’uranium, pour
lesquels on s est servi des nombres tournis par les
oxydes, de la façon qui sera indiquée plus loin. La comparaison de ces résultats avec ceux de Rutherford
montre en général un accord ’satisfaisant, excepté
daiis le cas de l’étain. La dinéreuce est due sans doute ii ce que l’absorption de l’étain, comme on l’a
iu, ne suit pas une loi exponentielle simple. Le cal-
356
cul de A avec les premiers points de la courbe donne
une valeur très voisine de celle de Rutherford.
Si maintenant nous portons les valeurs de - tirées p du tablcau précédent en ordonnées et les poids ato- miqucs en abscisses, nous obtenons la courbe de la
figure 5. Cette courbe présente plusieurs particula-
Fig. 3.
ritas intéressantes. On voit tout de suite que les élé- ments se rangent très netlenienl le lung d’une séric de courbes s mblables. De plus ces courbes corres- pondent exactement aux divisions de la classification
périodique de Mendeléreff. Le bore et le carbone sont
les seul, représentants du premier groupe. Le second groupe possède une branche de courbe très nette
allant du sodium au soufre. Le putassiurn, le premier
élémcnt du troisième groupe, est au début d’une nouvelle portion de la courbe s’étendant jusqu’au
sélénium, une autre branche distincte va du stron- tium a l’iode, le baryum est le seul représentant du cinquième groupe, le sixième est assez pauvrement représenté par le platine, l’or et le plomh, mais on
voit clairement qu’il est situé sur une branche de courbe distincte, l’uranium figure seul sur la courbe
du dernier groupe. Il est intéressant de noter en pas-
sant que l’absorption des rayons B de l’uranium par l’uranium lui-mêrne n’est nullement anormale, elle
est ce qu’on peut attendre du poids atomique de cet
élément.
Les différentes portions de la courbe se ressemblent
beaucoup, la première seule est un peu exceptionnelle,
comme l’est d’ailleurs le premier groupe au point de
vue chimique. Chacune d’elles commence par une
portion sensiblement horizontale, puis monte rapide-
ment verts un maximum. Pratiquement toute l’ascen-
sion de la courbe se fait dans la seconde moitié des 5e et 4e groupes.
Il faut noter aussi que les éléments semblables se
retrouvent sur des portions semblables de la courbe.
C’est ainsi que les alcalins et les alcalino-terreux viennent au début des différentes sections, les métaux de la huitièiue classe sont au voisinage des minimums,
alors que le soufre, le sélénium, le tellure et les halo- gènes forment les maximum.
En somme, il est évident que le rapport mesu-
rant l’absorption corpusculaire, n’est pas eonstant ; c’est une fonction périodique du poids atomique aux
mémes périodes que la classification chimique des
éléments.
En plus de cette variation périodique, il y a aussi
un accroissement progressif du
rapport 1 ?
pavec le poidsatomique. C’est ce qui résulte clairement de la com-
paraison de certains éléments semblables.
On voit bien qu’il y a un accroissement continu du
rapport - quand le poids atomique s’élève dans un de p
ces groupes, mais la vitesse d’accroissement diminue vite sitôt qu’on a dup ssé la quatrième période.
Plus’eurs éléments se présentent sous deux ou plusieurs formes différant entre elles par la densité, l’aspect, et d’autres propriétés physiques ou chimiques.
On a cherché à voir si ces ditrérences influaient sur
les valeurs de A.
p
Une comparaison attentive a été faite entre le gra-
phite pur (p = 2,25) et le carbone pur (p = 1,85) préparé à l’aide de glucose, mais on n’a pu trouver
aucune différence. I)es expériences du même genre et
avec le méme résultat ont été faites sur les différentes modifications du soufre. Il semble donc que l’allotru-
pie, quelle qu’en soit la nature n’aflecte pas le pou- voir absorbant de l’atome.
La variation de l’absorption corpusculaire avec le poids atomique ayant été établie, il reslait à décider si l’absorption dépend de l’état de combinaison molé- culaire ; ou, en d’autres ternics, si les forces qui
lient les atomes dans la molécule modifient l’absorp-
tion due à chacun d’eux. On a examiné à cet effet un
nombre considérable de composés.
Si nous admettons que l’état de combinaison n’in- fluence pas l’absorption propre des atomes, nous pou-
vons aisément calculer pour un composé, connais- p
sant sa valeur pour les composants. Une comparaison
des valeurs ainsi calculées et des valeurs observées permettra de juger de la validité de l’hypothèse.
Soient X et Y deux éléments de poids atomiques
nii et m2. Comme le nombre des corpuscules dans
l’atonie est proportionnel au poids atomique, les
nombres de corpuscules contenus dans un atome de
X et de Y seront Knlt et Knt2’ L’absorption corpuscu-
lairc étant A p. l’absorption atomique sera pour X et Y
respectivement égale à A1. Km1 et A2. Km2.
01 o2
Si maintenant le composé a pour formule Xa Yb,
l’absorption moléculaire sera dnns notre hypothèse égale à la somme des absorptions atomique, c’est-à-
dire à
Or, l’absorption moléculaire d un composé est aussi égale à l’absorption corpusculaire moBettm’ multipliée
par le nombre total des corpuscules, c’est-a-dtre égale à
A p (ak
m1 + bk m2) . Égalant ces deux expressions, on aet par suite on connait é pour le composé lorsqu’on a
P
sa valeur pour les composants.
Le tableau suivant montre l’accord entre les valeurs observées et les valeurs calculées pour 14 composés
différents.
L’absorption de l’oxygène n’a pu être mesurée directe- ment ; on l’a déterminée a l’aide de la formule ci-dessus
au niojeii de différents oxydes.
L’accord entre les valeurs observées et calculées est
bon. Dans la plus grande partie des cas la dilférence
est de l’ordre des erreurs expérimentales. Nous pou-
vons donc admettre raisonnablement que l’absorption
est une propriété additive, c’est-à-dire que l’absorption
d’un atome ne change pas quand il entre à rétat de
combinaison moléculaire.
Ces résultats ont été utilisés pour calculer les valeurs de - pour le strontium, le baryum et l’ura-
p
nium. Dans lcs cas, où l’élément à déterminer forme la plus grande partie du compose, l’erreur n’est pas
grande. Mais dans le cas contraire, il résulte claire- ment de la forntule que l’absorp1ion sc présentant
comme la différence très petite de deux quantités
très grands, l’erreur est fortement, accrne.
Aussi n’a-t-on pu employer cette méthode pour cal- culer des valeurs
de -
pour les éléments à poids ato-mique faible.
Rayonnement secondaire.
Comme on l’a dit, Me Clelland a fait voir que même
aBec un faisceau de rayons primaires homogènes il J
aurait des écarts notables a la loi exponentielle dans
le cas de production d*un rayonnement secondaire sensible. Il amontré aussi qu’avec les rayons du radium
ce rayonnement secondaire est très censidérable. l’our- tant on a vu que, pour la grande majorité des sub-
stances étudiées, l’absorption ne s’écartait pas sensi- blement de la loi exponentielle. Ceci semblait indiquer qu’avec les rayons B de l’uranium, le rayonnement secondaire est beaucoup moindre qu’avec le radium.
On a songé à faire des expériences directes pour véri- fier ce point.
Vu la très faible intensité du rayonnement de l’u-
ranium comparé à celui du radium, on ne pouvait
penser à employer un dispositif du genre de celui de lllc Clellanc1. La méthode à laquelle on a eu recours
consiste à mesurer l’ionisation entre un plateau chargé
et une toile métallique qui lui fait face et à trouver
l’accroissement de l’ionisation quand on adossait à la
toile métallique une lame épaisse du métal étudié. La
première lecture donnait une mesure, de la radiation incidente I0, la seconde était proportiounelle à la
somme de la radiation incidente et de la radiation réflé- chie, c’est-à-dire à 10 + R si H estla Iractionde la radia- tion renvoyée par le métal. Les deux lectures permettent
donc de calculer le rapportR
L’oxyde d’uranium était contenu dans une dépres-
sion circulaire de 2 millimétres de profondeur et de
4 centimètres de diamètre au centre d’un plateau À de
8 centimètres de diamètre maintenu à un haut poten-
tiel au moyen d’une batterie de petits accumulateurs.
L’uranium était comme précédemment recouvert d’a-
luminium mince pour intercepter tous les rayons x.
La toile métallique, de 8 centimètres de diamètre était
parallèle à A et reliée à l’électroscope par un commu- tateur à mercure de la même manière que dans les
expériences d’absorption.
Une petite partie du rayonnement primaire peut s’échapper latéralement sans renl’ontrer le plateau supérieur. Cette fraction sera comptée dans le rayon-
nement primaire et pourtant n’apportera pas sa con-
