HAL Id: jpa-00242252
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Submitted on 1 Jan 1907
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R.D. Kleeman
To cite this version:
R.D. Kleeman. Sur l’ionisation des différents gaz par les rayons α,β et γ. Radium (Paris), 1907, 4 (7), pp.268-275. �10.1051/radium:0190700407026801�. �jpa-00242252�
llue 1; il faudrait se guider sur des études préalables
de l’absorption dans la région ultra-violette du
spectre.
J’ai, depuis la publication de mon travail, appliqué
la formule (’15) au cas de composés organiques dis-
sous ou non dissous. Cette étude est loin d’être ter-
minée, mais je puis dire que. pour des corps à fonctions
simples (alcools, acides gras, etc.), elle parait assez
bien vérifier la relation entre le nombre d’électrons et
la valence’. Pour des fonctions plus complexes, je ne puis dire encore si la présence de liaisons doubles a
une influence; ce fait, s’il existe, comme l’a déjà indi- qué Drude, aurait peut-être une certaine importance
pour décider de l’existence de certaines liaisons. J’ai montré que les lois d’addition ne sont pas rigoureuses
pour les corps minéraux. Il en est de même en chimie
organique d’après les travaux de MM. Haller et Mulll’r:5,
Baüer4, Moureu5, etc. Or, d’après la signification qu’il
faut donner a la valence de la molécule dissoute, on
est amené à penser que, dans cette molécule, les
atomes n interviennent pas toujours individuellement dans le phénomène de la réfraction et de la disper-
sion de la lumière, mais que souvent ce sont les groupements atomiques ou ions qui peuvent ajou-
ter leurs actions optiques variables à l’infini sui-
vant la nature des éléments liés et le mode de liai-
son.
L’expérience a déjà d’ailleurs indiqué nettement (Brühl1 et Conrady2) que, dans des groupements ato-
miques différents, le même atome lié de façon diffé-
rente à des corps ou des groupell1ents différents n’a pas le même module optique.
Ainsi pourrait-on expliquer que le pouvoir réfrin- gent moléculaire ou la dispersion moléculaire d’un
composé, calculés à partir des élthnents, sont parfois
très différents de la réfraction ou de la dispersion
moléculaires observées. L’influence des actions mu-
tuelles des particules a d’ailleurs été négligée; elle ne peut qu’accentuer cette difl’érence. Celle-ci peut alors
prendre une importance d’autant plus grande que les molécules sont plus complexes et, Ineiquement, la
chirnie organique doit nous donner de nombreux exemples d’exception aux lois d’additivité.
Juillet 1907.
Sur l’ionisation des différents gaz
par les rayons 03B1,03B2 et 03B3
Par R. D. KLEEMAN,
[Laboratoire de Physique. Emmanuel College, Cambridge].
UAND un agent ionisant traverse un gaz, l’ioni- sation entre deux plans parallèles distants de
Q
d.x est K 6X, où K désigne l’ionisation par cen- timètre cube du gaz supposé ionisé partout avec lamême intensité qu’entre les deux plans. Pour obtenir K pratiquement, on abaisse assez la pression du gaz pour qu’il n’absorbe plus qu’une petite fraction de l’énergie ionisante, et alors une série de lectures avec
différents gaz donne les valeurs correspondantes de K
ir l’entrée de la chambre d’ionisation. Un critérium 1. Dans les recherches de Rubens et Nichols.et de Paschen, la
longueur d’onde des vibrations propres ultra-violettes est de l’ordre de grandeur de 0cm, 1.10-5, longueur d’onde des rayons de Scliumann, absorbâmes par l’air.
2. Cette étudc est actuellement faite, non pas à l’aide d’expé-
riences personnelles, mais (l’après les données expérimentales
fournie, par de nombreux chimisies.
5. HALLEn et MULLER (C. R., t. CXXVIII, 1899, p. 1570;
t. CXXIX, 1899, p. 1085).
4. BAUER. (Contribution à l’étude physico-chimique des pseudo- acides. Thèse, Nancy, 1904).
5. MOUREU. (Anit. de Claintie et de Physique, 8c série,
t. VII, 19U6, p. 556).
que l’absorption d’énergie par le gaz est petite, est la proportionnalité de l’ionisation à la pression. Stl’ütt a
fait une série d’expériences sur l’ionisation d’un
grand nombre de gaz par les rayons x, B et Y.
Le présent mémoire donne l’ionisation d’un grand
nombre de gaz par ces rayons et les conclusions qui
ressortent des expériences. Considérons d’abord la
particule u.
§ 1. La particule oc, comme l’ont fait voir Bragg et lileeman, ionise mieux au bout de sa course qu’au
début. Nous devons donc comparer les ionisations dans différents gaz pour la même vitesse de la particule x.
Six est la distance comptée sur le trajet de la parti-
cule u à partir du moment où elle entre d-ins le gaz, et L le parcours total, alors, si le rapport L xest main-
tenu constant d’un gaz â l’autre, la vitesse de la parti-
1. BRUHL (Z. f. ph. ch., t. VII, 1891, p. 140, t. XVI ; 1895, p. 193, 226, 497, 512 ; t. XXII, 1897, p. 373. t. XXV, 1898, p. 577 ; t. L,1904, p.1).
2. CONRADY (Z. f. ph. cla., t. III, 1889, p. 210).
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:0190700407026801
cule « est la même à 1 extrémité de chaque distance x quelle que soit la nature ou la pression du gaz. Ceci suit du fait que, puisqu’une colonne de matière réduit très sensiblement de la même quantité le par-
cours de la particule « en quelque point de ce parcours
qu’elle se trouve placée, le rapport des parcours de la
particule dans deux gaz différents est indépendant de
la vitesse initiale. Dans les différents gaz, les distances à l’extrémité desquelles, le particule « a la même vitesse
L-x
sont donc données par L Constante, c’est-à-
dire L= Constante. Mais les déterminations d’ionisa-
x
sations relatives, faites avec des vitesses différentes de la particule « seront différentes, à moins que la répar-
tition de l’ionisation le long du parcours delà particule
soit la même dans tous les gaz, c’est-à-dire à moins que le rapport des ionisations à la distance x1 et à la distance x2 soit la même pour tous les gaz L x = K1 x1
L = K2, Ki et K2 constants).
x2
Le professeur Bragg a comparé les ionisations le
long du parcours de la particule dans quelques gaz. Il les a trouvées approximativement semblables, et ce fait
est probablement général. Alors les ionisations relatives dans différents gaz pour la même vitesse de la parti-
cule « sont indépendantes de la grandeur de cette
vitesse.
Par conséquent, si T et 1 dénotent respectivement
l’ionisation totale et l’ionisation par centimètre cube d’un gaz rapportées à l’air comme étalon, si S désigne le pouvoir d’arrêt de la molécule du gaz rapporté a celui
d’une molécule d’air, alors 11 est le parcours de la par- ticule « dans le gaz rapporté au parcours dans l’air, et l’on a’
1 Supposons qu’il faille la même dépense d’énergie
pour ioniser un atome libre ou combiné. Soit Ta le
nombre total d’ions qui seraient produits par une par- ticule x dans un gaz formé d’atomes a, Tb le nombre
correspondant pour un gaz b, de sorte que si l’énergie
de la particule x est prise pour unité, les énergics
nécessaires pour ioniser un atome a ou b sont respecti-
vement 1 T et 1 Tb Soient Sa et Sb les pouvoirs d’arrêt des
atomes a et b rapportés à celui de la molécule d’air.
Alors, si nous avons un gaz dont les molécules sont formées de Na atomes a combinés à Nb atomes b, le pouvoir d’arrêt de ce gaz sera Na Sx+Nb Sb, et le par-
cours de la particule oc rapporté au parcours dans l’air à la même pression sera Nx Sx + Nb Sb .
L’énergie moyenne dépensée par la particule x sur
une longueur de son parcours dans le gaz égale au
parcours complet dans l’air est par suite Nx Sx + Nb Sb,
et les fractions de cette énergie dépensées sur les ato-
mes a et b sont Na Sx et Nb Sh. Les énergies dépensées
sur les atonies a et b pendant le parcours total sont
L’ionisation totale Tab produite par la particule x
dans le gaz est par suite :
substituant cette valeur T ab à la place de T dans (1)
et Na Sa + Nb Sb à la place de S, il vient
D’après la manière dont on a obtenu les équations (2)
et (5), on voit facilement qu’on a en général
Or Ta Sa est l’ionisation par centimètre cube d’un gaz dont les molécules se composent d’a ton1es (l. rapportés à
l’air comme étalon, Tb Sb est l’ionisation par centimètre cube d’un gaz dont les molécules se composent d’ato-
mes b, etc. (Voir équation 1.)
Donc, si l’hypothèse faite au début est vraie, l’ionisa-
tion dans un gaz cornplexe doit être une propriété addi-
tives des atomes constituants.
Voici un tableau des ionisations relatives dans un
grand nombre de gaz. Beaucoup des nombres de la
cinquième colonne sont empruntés à Bragg, qui les a
trouvés en mesurant l’ionisation en un point déter-
miné du parcours d’un faisceau de rayons x. La valeur pour NH3 a été obtenue en multipliant le nombre total
des ions produits dans NH3 (Laby) par le pouvoir d’ar-
rêt calculé (équation 1), les autres, sauf C2 N2 ont été
obtenus par l’auteur avec la méthode de Bragg; le
nombre pour C2 N, est emprunté à Strutt, et j’ai éga-
lement mis son nombre pour H2 dans la dernière ligne
du tableau. La méthode de Strutt n’est pas absolument
parfaite au point de vue de la connaissance que nous
avons actuellement des rayons i, malgré cela ses nom- bres, sauf pour CHCl3 sont en bon accord avec ceux de
Bragg.
L’ionisation est une propriété sensiblement addi- tive. Si l’on se sert des ionisations atomiques données
dans la seconde colonne pour calculer les ionisations des différents gaz, on obtient les nombres de la sixième colonne . L’accord entre les nombres observées et cal- culés est aussi bon qu’on peut l’espérer. Nous laissons
de côté pour le moment SO,, NHg et H,.
Ceci confirme l’hypothèse faite au début, savoir que
Tableau I.
le travail d’ionisation est indépendant des liaisons chi-
miques. Il faut observer que le seul fait de l’additivité
ne suffirait pas à fournir cette preuve, car le nombre des ions produits par un agent d’ionisation dont l’éner-
gie passe de et à e2 dépend non seulement de l’inten- sité d’ionisation durant le parcours, mais de la dis-
tance totale franchie.
Si nous divisions l’ionisation atomique d’un atome a,
c’est-à-dire Ta Sa par le pouvoir d’arrêt de l’atome rap-
porté à celui de la molécule d’air, nous obtenons Tx, l’ionisation atomique totale (équation 5), et son inverse
donne l’énergie nécessaire pour ioniser un atome a
rapporté à la molécule d’air comme étalon. Les pou- voirs d’arrêt des atomes des gaz intervenant dans le tableau 1 ont été calculés par la loi de la racine carrée des poids atomiques, prenant le poids atomique de l’a-
tome d’air étalon comme égal à 14,4. L’ionisation ato-
mique totale et l’énergie nécessaire pour ioniser un atome (calculées d’après la 2e colonne) ont été inscrites dans la 5e colonne.
On voit que la particule a dépense le minimum
d’énergie pour ioniser un atome de soufre, et le maxi-
mum pour ioniser un atome d’azote. L’énergie dépen- sée par la particule ce sur les atomes gazeux de même
espèce consiste en ionisation, collision, etc., et c’est la
somme totale qui est proportionnelle à la racine carrée
du poids atomique. Cela ne veut pas dire que la par- ticule u trouve effectivement plus facile d’ioniser un
atome de soufre qu’un atome d’azote. Tout ce que
nous pouvons dire, c’est que le travail total dépensé
pour former un ion est moindre dans le cas du soufre.
Les gaz NH3, H,, 8°2’ surtout H2, montrent des
écarts à la loi additive, les valeurs calculées étant plus grandes que les valeurs observées, et je n’ai pas es-
sayé de les mettre sur le même rang que les autres gaz, parce qu’ils présentent des anomalies semblables pour d’autres agents ionisants. Ainsi la liaison chi-
mique affecte l’ionisation spécifique dans ces gaz. Si les pouvoirs d’arrêt de ces gaz suivent la loi de la ra-
cine carrée, l’énergie dépensée sur l’un quelconque de
leurs atomes est la même que lorsque cet atome se trouve
dans un autre gaz. Le pouvoir d’arrêt de H, a été dé-
terminé et trouvé normal, et par conséquent la parti-
cule x dépense plus de travail pour ioniser l’atome
d’hydrogène dans la molécule d’hydrogène que dans la molécule de tout autre gaz. La liaison chimique n’af-
fecte donc pas seulement l’ionisation par centimètre cube dans H2, mais encore l’énergie dépensée par ion,
et il en est probable,nent de même pour NH3 et 8°2.
L’énergie dépensée par ion, pour un atome H dans H2,
est donnée dans le tableau 1 sous la rubrique H*.
La 7e colonne du tableau 1 donne les valeurs expé-
rimentales de l’ionisation totale dans quelques gaz. La
plupart de ces nombres sont empruntés à Bragg. On peut
se servir des équations (4) et (5) pour calculer l’ionisation totale et l’ionisation par centimètre cube d’un gaz sui- vant laloi d’ionisation additive et la loi de la racine carrée pour le pouvoir d’arrêt. Les ionisations totales calcu- lées à l’aide de (4) sont données dans la 8e colonne du tableau. Pour le dénominateur de l’expression (4) qui
est le pouvoir d’arrêt, du gaz, j’ai employé lcs valeurs expérimentales du pouvoir d’arrêt, au lieu de le cal-
culer au moyen des nombres de la 2e colonne car on
a de la sorte un accord numérique meilleur.
On peut signaler que le professeur Oragg a montré
que l’ionisation spécifique d’un gaz (désignée par Ks dans son mémoire) est sensiblement proportionnelle
au volume moléculaire.
§ 2. - Passons aux expériences sur les rayons y. La
figure 1 donne un schéma de l’appareil et du dispositif
Fig. 1,
employé. A est la eliambre d’ionisation, dont’enveloppe
extérieure est reliée à un potentiel de 200 volts. Elle
est cylindrique, haute de I O centimètres et large de 9.
L’électrode B est reliée à un électromètre du type Do- lezalek. La source de rayons y est du radium, placé à
une distance convenable pour avoir des déplace-
ments de l’ordre de 200 millimètres en 10 secondes.
Pour remplir la chambre d’ionisation de vapeur pure
on opérait comme suit : - Le robinet a est ouvert et b fermé, la chambre d’ionisation et la bouteille C sont vidés à l’aide d’une pompe Fleuss jusqu’à ce que la pression, lue sur la jauge D, ne soit plus que de
quclques millimètres. On ferme alors c, on verse un
peu de liquide en cl et en ouvrant b on laisse arriver
un peu de liquide en e. Celui-ci s’évapore jusqu’à ce qu’on ait la pression voulue, après quoi on ferme a.
On a pris soin d’opérer toujours sur des vapeurs assez
éloignées du point de condensation. L’air de la chambre d’ionisation qui n’avait pas été chassé par la pompe était refoulé par le courant de vapeur dans le flacon C, dontlacapacité était d’environ 10 fois celle de la chambre d’ionisation. Quand on déterminait la perte
étalon dans l’air, on disposait toujours la pression de
façon que cette perte soit à peu près égale à celle dans
la vapeur, de façon à éliminer les erreurs dues au
changement de capacité de l’électromètre avec la dé- viation. On lisait d’ordinaire les deux premières élon- gations de l’aiguille après rupture du courant, et la
position d’équilibre de l’aiguille se calculait par la for- mule donnée précédemment par l’auteur’.
Avec quelques vapeurs (CS,, CCl4 etc.), la pression
dans la chambre d’ionisation diminuait graduellement,
pour arriver finalement à une valeur constante. Ceci était dù probablement à une action chimique de la
vapeur sur les joints de caoutchouc et la cage de lai- ton. La perte à l’électromètre diminuait aussi en géné- ral, même après correction pour la chute de pression
et atteignait une valeur limite. Pour éviter cet effet
perturbateur, on remplissait d’abord la chambre d’io- nisation de vapeur à une pression inférieure à celle
qui devait être utilisée et on attendait une ou deux
minutes. Puis on chassait la vapeur en C à l’aide de nouvelle vapeur et on faisait rapidement les lectures.
De cette façon, on a obtenu des lectures très concor-
dantes. Mais pour quelques vapeurs les nombres ont été très supérieurs à ceux trouvés par Strutt. La rai-
son en est probablement que Strutt a employé une
source de rayons Y très faibles, et devait par suite
prolonger chaque lecture très longtemps, ce qui per- mettait à la vapeur de devenir plus ou moins impure.
Il est aussi important d’employer des produits purs.
L’auteur s’est servi de ceux de Kahlhaum.
La 8e colonne du tableau II donne l’ionisation d’un
grand nombre de gaz rapportée à l’air comme étalon.
Chaque valeur, sauf un petit nombre d’exceptions, est
la moyenne des trois valeurs contenues dans les co-
lonnes précédentes. Pour chaque vapeur, le courant ,
de saturation a été plus petit que dans l’air à 75,23 centimètres de pression, et si l’on déterminait les pertes dans l’air aux pressions 75,25, 55,65, 34,94, 14,10 centimètres, puis qu’on les réduise à la pres- sion 65,23 centimètres, on troue les nombres 2003, 2018, 2009, 2060, preuve que l’ionisation est pro-
portioniielle à la pression dans l’air et par suite dans les autres gaz.
L’ionisation des gaz par les rayons y est une pro-
priété atomique additive. La 9e colonne du tableau donne les ionisations calculées à partir des ionisations
atolniques (colonne 2). L’accord entre les nombres ob- servés et calculés est très bon, sauf pour H2, 8°2’ NH:p qui donnent ici, comme avec les rayons u, des valeurs calculées trop grandes. La valeur de Strutt pour H2
est en bon accord avec la mienne (H 2). Ainsi dans ces cas la liaison chimique diminue aussi l’ionisation par les rayons y. Les ionisations atomiques sont données en
gros par
I = 0,11 + 0,035 w
ici w désigne le poids atomique. Cette équation a servi
à calculer les nombres de la 5e colonne du tableau.
Les expériences sur l’absorption des rayons y par différentes substances montrent que si les rayons sont
homogènes, l’absorption a lieu suivant une loi expo- 1. Phil. lVlccg., page 276, octobre 1906.
Tableau II.
nentielle, le coefficient d’absorption étant propor- tionnel à la densité de la substance. Si les substances absorbantes étaient distribuées dans l’espace, de telle
sorte qu’il y eût toujours le même nombre de molé- cules par centimètre cube, comme c’est le cas pour les gaz à la même pression, le coefficient d’absorption
serait proportionnel à la somme des poids des atomes
contenus dans la molécule ; ce serait donc une pro-
priété additive,.
Admettons qu’il n’y ait pas de diffusion des rayons y. Soit 1 l’ionisation totale dans un cylindre de gaz de 1 centimètre carré de section et de hauteur infinie, comparée à l’ionisation dans le même cylindre d’air (les cylindres sont supposés parallèles aux rayons).
Soit ?, le coefficient d’absorption et 1 l’ionisation par centimètre cube à l’entrée des rayons dans le cylindre (rapportée à l’air comme étalon). Alors
Nous avons donc dans le cas des rayons y la même relation que dans le cas des rayons ce entre l’ioni- sation totale, l’absorption et l’ionisation spécifique.
Comme X peut être calculé (c’est le poids moléculaire du gaz rapporté à l’air) et I se déduit des ionisations
atomiques données dans la 2e colonne du tableau il,
on peut tirer de (7) les ionisations totales dues aux
rayons y dans différentes gaz, quantité à peu près impossible à déterminer directement. Les nombres calculés sont contenus dans la 2e colonne du ta-
bleau III et l’on a mis en regard les nombres expéri-
mentaux pour les ionisations totales dues aux rayons u. On voit que tous les nombres sont compris
entre 1 et 2.
Tableau III.
On peut déduire de (7) deux équations semblables
aux écluations (4) et (5) relatives aux particules «. Si l’énergie d’une particule « décroit de e1 à e2 dans un
gaz, la distance franchie est égale à l’inverse de la
somme de racines carrées des poids des atomes con-
tenus dans la molécule, multipliée par une con- stante qui est la même pour tous les gaz à la même
pression. Dans le cas des rayons la distance fran- chie pendant que 1"énergie passe de e1 à e, est donnée
