HAL Id: jpa-00242427
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Submitted on 1 Jan 1910
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William Duane
To cite this version:
William Duane. Le dégagement de chaleur des corps radioactifs. Radium (Paris), 1910, 7 (9), pp.260- 265. �10.1051/radium:0191000709026001�. �jpa-00242427�
Les premiers facteurs s1-s2,
-r -
doivent êtresupposés constants quand la température varic :
s1- s2 correspond aux propriétés optiques, A aux propriétés diamagnétiques des molécules individuelles,
et sont indépendants de l’agitation thermique - est
la susceptibilité diamagnétique pour une molécule- gramme, invariable en général.
Les derniers facteurs diminuent quand la tempé-
rature s’éléve ; N varie en raison inverse du binôme de dilatation cubique du liquide ; l’indice no dimi-
nuant aussi, il cn résulte une variation plus rapide
que l’inverse de la température absolue, tout à f, it conforme aux faits expérimentaux. Il est a désirer
que des résultats quanlitatifs précis sur les diverses
constantes qui figurent dans la formule (58) permet-
tent de soumettre celle-ci à un contrôle expérimenta plus complet.
Enfin l’expression (42) de la constante de Kerr
nous conduit à prévoir, pour la biréfringence élec- trique, une variation avec la température plus rapide
encore que celle de la biréfringence magnétique; les
résultats expérimentaux sont bien aussi dans ce sens.
La comparaison de (42) et (58) montre que
- Y doit rester constant quand la température
C (K -i- J)
varie. Les données numériques ne sont pas encore
assez certaines pour permettre une vérification précise
de cette relation.
[Manuscrit reçu le 25 août 1910.]
Le dégagement de chaleur des corps radioactifs.
Par William DUANE
[Faculté des Sciences de Paris. - Laboratoire de Mme CURIE.]
J’ai fait dernièrement plusieurs expériences sur les dégagements de chaleur des corps radioactifs 1, et je
me propose de donner ici les détails de ces expériences qui n’ont pas été publiés.
1. C. R., 1er et 21 juin 1909, 1er août, 16 30Ùt 1910 Ra- dÙl1n, 6 (1909).
Dans quelques expériences j’ai employé un .calori-
mètre différentiel à gaz, mais dans la plupart des expériences je me suis
servi d’une nouvelle méthode qui est beau-
coup plus sensible que le calorimètre à gaz.
La méthode est basée
sur l’augmentation ra- pide de la tension de
vapeur d’un liquide très
volatil quand la tempé-
rature s’élève. A et A’
sur la figure 1, repré-
sentent deux récipieni s
de verre réunis par le tube capillaire B. Les récipients sont reniplis
à moitié du liquide vo- latil, presque tout l’air
en est retiré en faisant le vide à l’aide d’une trompe à eau, et le tube C est scellé à la flamme.
Avec un peu d’habitude,
on peut placer une pe- tite bulle d’air d’une longueur déterminée dans le tube B, et l’on observée le dépl cement de cette bulle,
soit avec une lunette, soit avec une lentille et une échelle. J’emploie le second procédé, et le déplacement
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:0191000709026001
de l’image sur l’échelle est à peu près huit fois celui de la bulle.
Il n’est pas difficile de placer la petite bulle dans
le tube B. On renverse l’appareil de façon que le li-
quide puisse sortir du tube. Enlc rctournant on trouve dans le tube B une bulle d’air qui généralement est beaucoup trop longue. Pour réduire la longueur de la
bulle on n’a qu’à incliner légèrement l’appareil et faire
passer un courant du liquide dans le tube. Ce courant
pousse la bulle d’air dans la partie du tube à côté et
en bas qui est plus large que la partie capillaire au
centre. La bulle reste dans la partie large du tube,
et le courant de liquide en la poussant emporte peu à peu l’air, et réduit ainsi le volume de la bulle. En
répétant ce procédé d’abord d’un côté et ensuite de
l’autre, on peut réduire la longueur de la bulle jus- qu’à la valeur déterminée.
Après qu’on a mis la bulle en place et qu’on a préparé l’appareil pour les expériences, la bulle d’air
ne descend jamais dans les parties verticales du tube.
Elle reste dans la partie horizontale quelle que soit la variation de température de la pièce, mais elle dis- paraît peu à peu. L’air de la bulle se dissout dans le
liquide plus ou moins rapidement suivant la nature du liquide, la pression de l’air et les dimensions de
l’appareil.
Dans mon appareil il faut renouveler la bulle au
bout de deux ou trois semaines.
J’ai étudié soigneusement les dimensions du tube.
La longueur de la partie capillairchorizontalc est4cm,5
et le diamètre intérieur est un peu plus de 0,5 mm.
Le diamètre intérieur de la partie large est environ
5 mis. Il est plus facile de manier l’appareil, si le tube capillaire n’est pas soudé au bout des parties larges,
mais en haut, comme la figure le représente. Le vo-
lume de chaque récipient est de l’ordre de 50 em3.
L’intérieur des récipients et du tube doit être soi-
gneusement nettoyée. La moindre poussière dans le tube
capillaire arrête la bulle, et dans les expériences on
doit choisir la partie du tube où la bulle se déplace
le plus régulièrement.
Si l’on introduit dans lc tube D une source de cha- leur S, la tension de vapeur augmente et le liquide
pousse la petite bulle vcrs le récipient A’. La sensibi- lité de l’instrument est grande. Dans une expérience j’ai trouvé que 1,’l X 10 - 4 gramme-calorie produi-
sait un déplacement de l’image sur l’échelle de 1 mm.
Parmi les liquides que rai cssayés j’ai choisi l’éther sulfurique, comme étant le plus efficace. L’éther sul-
furique nettoye et mouille bien la surface du verre ; il est très fluide et la tension de sa vapeur augmente beaucoup avec la température (à peu près 17 mm.
de mercure par degré centigrade à la température ordinaire). Un liquide comme le chlorure d"éthyle
colo ient bien, mais il E st moins facile à manier.
La sensibilité de la méthode change beaucoup avec
la pression de l’air a 1 intérieur de l’appareil. S’il y a très peu d’air, le déplacement du liquide ne change
pas les tensions dans les récipients, et 1"augmentation
de tension en A n’est équilibrée que par le change-
ment de niveau du liquide. Comme l’éther sulfurique
est un liquide léger, la différence de niveau n’oppose
pas une très grande force au déplacement de la bulle.
Pour avoir une grande scnsibilité, il faut alors enlever le plus d’air possible, en laissant juste assez pour for-
mer la bulle.
La sensibilité dépend aussi du rapport entre la section du tube capillaire et la surface du liquide
dans les récipients. Pour augmenter la sensibilité, il faut réduire la section du tube, mais j’ai trouvé (si
le liquide est l’éther sulfurique), qu’un tube qui n’a qu’un diamètre intérieur de 0.5 mm. ne convient pas bien à cause des forces capillaires. Il faut .alors choisir un tube qui soit un peu plus large que 0,5 mm.
En outrc, le déplacemen t de l’image de la bulle est amplihé par la lentille ou la lunette. Il n’est pas commode de l’amplifier plus de 8 ou 10 fois, parce
qu’on perd en netteté de l’image ce qu’on gagne en
augmentation de son déplacenlent.
Dans la pratique, la protection de l’instrument contre les variations de température extérieure est aussi importante que la sensibilité. Dans les premières expériences, j’ai placé les deux récipients dans un
bloc E (ng. I) de plomb (pesant 25 kilogs). Entre les récipients et le plomb se trouvaient, en bas, de la paraffine et, en haut, de la ouate. Deux tiges F (nor-
males au plan de la figure) supportaient le plonlb à
l’intérieur d’une boitc en laiton G. Les tiges F servaient
d’axes par lesquels on pouvait changer l’inclinaison du
plomb, et amener ainsi la petite bulle d’air à une place
déterminée dans le tube capillaire. La boîte G était
complètement enveloppée de ouate, qui se trouvait
dans une deuxième boîte en zinc (non représentée sur
la figure), et le tout a été placé dans un thermostat à
chauffage électrique.
Ce thermostat est représenté sur la figure 2. Le grand tonneau A contient de l’eau un peu salée. Un courant électrique alternatif est conduit du secteur par les fils GH aux plaques métalliques B, qui sont plongées dans l’eau. Ce courant électrique traverse
l’eau et la chauffe. Par ce moyen, on obtient un
chauffage qui est régulier et bien distribué. Le tube dc cuivre C en forme de spirale, qui se trouve dans l’eau, est rempli d’un liquide (tel que l’alcool) qui
se dilate beaucoup quand la température s’élève. Le tube est fermé en bas, et quand la température monte
le liquide pousse le mercure, qui se trouve en haut
dans le tube capillaire en verre D. A une température déterminée, le mercure vient toucher le fil et ferme le deuxième circuit ab, qui contient une pile et un
relais E de grande résistance. Un petit courant élec- trique passant dans ce relais ferme un troisième cir-
cuit, qui contient également une pile et un relais de petite résistance. Le courant électrique dans ce
h’ig. 2.
deuxième relais ouvre le circuit principal et arrête le chauffage. Immédiatement la température du bain
d’eau descend, les circuits des deux relais sont coupés,
le circuit principal se ferme et le courant alternatif
commence à réchauffer l’eau. Ainsi la température du
bain est maintenue lrès constante.
L’eau dans le tonncau est agitée par quatre hélices (non représentées sur la figure), qui sont mises en
marche par un moteur électrique.
Dans les dernières expériences, j’ai remplacé la
ouatc par du duvet, et j’ai ajouté deux gros blocs de plomb au-dessus de la boîte G (lig. 1). Les
blocs égalisent les variations de température descen-
dantes de la piècc. Ils sont placés l’un à côté de
l’autre, laissant assez de place entre eux pour les tubes de verre. Avec ce dispositif il n’est plus néces-
saire de faire marcher le thermostat, sauf les jours
ou la températures de la pièce cliange beaucoup.
Souvent la chaleur due à la radioactivité est dégagée
dans une masse de matière relativement grande. Dans
cc cas, il faut laisser la matière très longtemps dans
la partie supérieure du tube par lequel on l’introduit dans le récipient, pour s’assurer que la température
de la substance ne diffère pas beaucoup de la tempé-
rature du récipient. Cette partie du tube se trouve
entre les deux gros blocs de plomb et doit être en
métal.
Si le dégagement de chaleur est relativement l’ort,
une quantité appréciable de la chaleur peut être con-
duite dans le récipient par la colonne d’air. Pour éviter ceci, on bouche le tube par une petite quantité
de duvet au bout d’une tige de verre. En faisant une expérience, on enlève le bouchon de duvet, on des-
cend la substance et on replace immédiatement le duvet.
On peut employer plusieurs méthodes pour mesu-
rer le dégagement de chaleur. En introduisant la
source de chaleur dans le calorimètre on peut obser-
ver le déplacement maximum de la bulle quand l’ap- pareil est en équilibre thcrmique. Cette méthode
fonctionne hien si l’instrument n’est pas réglé pour
une grande sensibilité. Dans le cas ou l’instrument
est très sensible, il est mieux de prendre la vitesse de déplacement de la bulle comme mesure de la chaleur
dégagée par seconde. Quoique l’instrument soit bien
protégé contre les variations de température exté- rieure, la petite bulle d’air nc reste pas à la même
place. Toutefois, si l’appareil est resté longtemps tranquille, afin que la température puisse s’équilibrer,
le déplacement propre de la bulle est lent et très ré-
gulier, et on peut mesurer avec précision le change-
ment de vitesse de la bulle due à la chaleur dégagée
par la source quand elle arrive dans le calorimètre.
En outre on peut compenser la chaleur dégagée par la source dans le tube D par un dégagement de cha-
leur connue dans le tube D’ (fig. 1).
Cependant il est mieux d’employer une méthode
de compensation en absorbant la chaleur dans le tube D en mênle temps qu’elle est dégagée. Peltier a dé-
couvert qu’un courant électrique, en passant d’un
métal à un autre, dégage ou absorbe de la chaleur suivant le sens du courant. Dans les premières expé- riences j’ai introduit dans le tube D un couple P de fer-nickel, et j’ai cherché l’intensité du courant élec-
trique qui absorbait la chaleur produite à chaque
instant. Dans les dernières expériences je remplace ce couple simple par un tube métallique. L’épaisseur des parois du tube est un millimètre, et son diamètre exté-
rieur est juste suffisant pour qu’il puisse entrer dans
le tube D. La longueur est 58 llm., c’est-à-dire tout le tube se trouve dans le récipient A. La moitié du tube est en fer, l’autre moitié en nhkel, les deux sur-
faces de séparation étant verticales. Un fil de fer est soudé n la partie du tube en fer et un fil de nichcl est
soudé à la partie en nickel, de sorte qu’un courant électriquc, qui descend par le fil de fer, peut tra-
verser les joints du tube fer-nickel et sortir par le fil de nickel. Avec ce dispositif, quand la source de cha-
leur descend dans le tube, elle est entourée d’un bon conducteur de chaleur, la distribution et la compen- sation de la chaleur se font plus facilement. Cette méthode est très précise et elle s’applique, sans chan-
ger l’appareil, à des dégagements de chaleur de 0,001 gramme-calorie par heure à 2 calories par heure.
Pour étalonner le couple, j’introduis un deuxième
circuit dans le tube fer-nickel, je le chauffe avec un
deuxième courant électrique, et je cherche un courant, qui, traversant le tube fer-nickel, absorbe toute la chaleur dégagée.
Les courants électriques sont produits par des ac-
cumulateurs électriques, et leurs intensités sont chan-
gées en augmentant ou diminuant les résistances des circuits. J’emploie des boîtes de résistance et j’ai soi- gneusement mesuré les résistances des boîtes ainsi que
les résistances de tous les fils conducteurs des circuits
au moyen d’un pont de Wheatstone étalon.
Je mesure l’intensité des courants électriques en comparant la force électromotrice des accumulateurs
avec celle d’une pile étalon Weston, par la méthode
du potentiomètre, et en divisant cette force électro-
motrice par les résistances des circuits.
Le tableau suivant résume ces expériences. La résis-
tance de la partie (qui est en manganèse) du deuxième circuit introduit dans le tube fer-nickel est 9,20 ohms.
La force électromotrice de la pile Weston est 1,0188 volt, et celle des deux accumulateurs em-
ployés 4,153 volts.
Tableau 1,
Les compensations ne sont pas toujours exactes, et
une petite correction est introduite dans les valeurs du courant du tube fer-nickel. La valseur de cette correc-
tion est déterminée par la vitesse de déplacement de
la bulle. e
La chaleur dégagée ou absorbée par le courant élec-
trique dans le tube fer-nickel est due à deux causes.
D’abord, il y a la chaleur dégagée ou absorbée sui-
vant la loi de Peltier. Cette chaleur est dégagée, si le
courant passe dans un sens, et elle est absorbée s’il passe dans l’autre. Ensuite il y a la chaleur dégagée
suivant la loi de Joule. Cette chaleur est toujours dégagée quel que soit le sens du courant, et la quantité
de chaleur est proportionnelle à l’intensité du carré du courant, et à la résistance du circuit. La 5·’ colonne du tableau 1 contient les quantités de chaleur absor- bées par Iaeure et par ampère. Ces quantités sont
les mêmes quelle que soit l’intensité du courant. Il en
résulte que l’absorption de chaleur est proportionelle
à l’intensité du courant, c’est-à-dire que la résistance de la partie du circuit dans le calorimètre est très
petite, et que la chaleur dégagée suivant la loi de Joule n’est pas appréciable, du moins si l’absorption de
chaleur est inférieure à 0,6 calorie par tour.
La valeur moyenne de la chaleur absorbée (ou dé- gagée) dans le tube par heure et par ampère est 8,5 calorie (la température étant 13°). J’ai trouvé 8,2 pour le couple employé dans le; premières expériences.
Pour déterminer la sensibilité de l’appareil j’ai fait l’expérience suivante. Je fais passer un courant très faible dans le tube ftfr-nickel, et je mesure le change-
ment de vitesse de la bulle due à la chaleur absorbée
ou dégagée. Les courbes de la figure :5 résument
les résultats.
I,es lignes ab et ccl des courbes représentent les
mouvements propres de la bulle. Les abscisses des
points b sont les instants ou le courant électrique com-
Fig.5.
mence à traverser le tube fer-nickel et les abscisses des points c sont ceux ou le courant s"arrète. Pour la
première courbe le sens du courant est tel que la chaleur est dégagée, et pour la deuxième courbe, qu’el!e
est absorbée. On voit que le déplacement de la bulle
dû au courant est à peu près le même dans les deux
cas, mais en sens inverse, ce qui confirme la loi de
Peltier et indique encore que le dégagement de cha-
leur suivant la loi de Joule est inappréciable.
t’intensité du courant électrique est de 0,00019 ampère, et la chaleur dégagée ou absorbée est 0,0016
calorie par heure. En dix minutes 0,0002/17 calorie
est dégagée ou absorbée, et cette quantité de chaleur produit un déplacement de l’image de la bulle de 1,6 mm. Il en ésulte qu’un millimètre de déplace-
ment de l’in1age correspond à 0,00017 gramme-ca- lorie de chaleur dégagée ou absorbée.
Dans d’autres expériences faites avec des courants
âifférents j’ai trouvé que le déplacement de la bulle
est proportionel à la quantité de chaleur dégagée, du
moins si le dégagement de chaleur n’est pas trop fort.
On emploie ces résultats pour calculer la petite correction, qu’il faut ajouter, si on n’a pas trouvé le
courant qui compense exactement le dégagement de
chaleur.
J’ai mesuré la chaleur dégagée par le radiothorium et le polonium. Ces expériences ont été décrites dans des notes présentées à l’Académie des Sciences de
Paris, le 1er et le 51 juin 1909 1. Depuis les premières expériences sur le polonium j’ai mesuré le dégage-
ment de chaleur plusieurs fois pour voir si l’effet s’abaissait avec le temps. La moitié d’une quantité
donnée de polonium disparait en 143 jours à peu près.
Les courbes de la figure 4 représentent les dépla-
1. Voir aussi Le RadiuJJl. 6 (1910).
