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Submitted on 1 Jan 1913
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K. Fajans
To cite this version:
K. Fajans. La place des éléments radioactifs dans le système périodique. Radium (Paris), 1913, 10 (2), pp.61-65. �10.1051/radium:0191300100206100�. �jpa-00242591�
La place des éléments radioactifs dans le système périodique
Par K. FAJANS
[Institut de Physique et de Chimie de la Technische Hochschule, Carlsruhe.]
Dans les trois séries de transformations radioac-
tives, les produits dont les propriétés radioactives se
correspondent sont aussi analogues au point de vue chimique. Ceci signifie que les transformations radio- actives (à 1"exception des premiers termes) passent
dans les trois cas par les mêmes groupt s du système périodique. Mais on n’avait pas réussi jusqu’ici à dé-
cider quel était ce groupe pour toutes les transforma- tions et le problème restait ouvert, de range r dans le
système périodique la totalité des éléments radioactifs.
Les difficultés étaient en partie les suivantes : On
pouvait s’attendre à ce que les transformations qui
conduisent toujours d’éléments à poids atomique plus
fort à des éléments de poids atomique moindre par-
courent simplement de droite à gauche tous les
groupes du système, l’un après l’autre. Mais ceci n’a
pas lieu. D’après F. Soddy, qui a récemment discuté la question’, d’une part les groupes de rang pair (6, 4, 2, 0) sont seuls représentés dans les séries ra-
dioactives, ce qui implique que les autres sont tou-
jours sautés, d’autre part le sens du passage d’un groupe à l’autre n’est pas toujours le même, par
exemple (voir le Tableau du mémoire précédent) on
passe du groupe 4 (Thorium) au groupe 2 (Mésotho-
rium I), puis de nouveau au groupe 4 (liadiothorium)
et de nouveau au groupe 2 (Thorium X). Nous allons
voir que la première de ces deux propositions n’est
pas toujours exacte, mais la seconde est hors de
doute. On peut facilement interpréter cette oscillation d’un groupe à l’autre au moyen de la double règle
que nuus avons énoncée dans le travail précédent.
Pour les transformations x, le produit obtenu est plus électropositif que la substance mère. Or, dans
les lignes hoiizontales du tableau périodique, le
caractère électropositif augmente de droite à gauche quand on passe des groupes de rang élevé à ceux de rang moindre. On peut donc aussi formuler notre
règle en disant que toute transformation x donne lieu à un produit d’un groupe de rang moindre que la substance mère. Le Tableau du travail précédent
prouve qu’il en est bien ainsi dans tous les cas de transformation x où la nature électrochimique des produits est bien connue. Ce passage d’un groupe de rang élevé à un groupe de rang moindre répood
très bien à ce qu’on pouvait attendre d’une transfor-
mation x, laquelle diminue le poids atomique du poids d’un atome d’hélium.
1. The Chemistry ol’ the Radio-elements, p. 29.
La question se pose encore de savoir quelle est
l’étendue de ce déplacement de droite à gauche. Dans
les cas étudiés, omnle l’a démontré d’abord Soddy
et comme il ressort aussi du Tableau du mémoire
précédent, il y a lors d’une transformation x un
saut de deux groupes dans la îiiêîiie rangée hori- zontale, et nous admettons qu’il en est ainsi pour toutes les tran ,formation s x1.
Pour ce qui rcgarde les transformations B, on doit
admettre qu’il s’agit d’une simple transposition inté-
rieure de l’atome, le poids atoniique demeurant inva- riahle. On ne peut plus se servir ici du système pé- riodique pour trouver dans quelle direction doit avoir lieu le passage. Or, ce système ne prévoit nullement
des différences chimiques pour des éléments de même
poids atomique. Pourtant le précédent traçait nous a
montré qu’ici encore le produit diffère de la subs- tance mère au point de vue électrochimique, et la
suite confirmera ce point. Pour décider dans quel
sens aura lieu le déplacement produit par la lraiis-
formation, il suffit d’appliquer notre deuxième règle, d’après laquelle le produit formé doit être plus électro- négatif que la substance mère. Il s’ensuit qu’il doit y avoir passage de gauche à droite, car c’e·t dans ce sens que le caractère électronégatif va en augmen-
tant. Les quelques cas où cette conclusion peut se contrôler conduisent à un parfait accord. Dans les
cas RaD £ RaL i llaF, deux transformations B à par- tir du RaD (parfaitement analogue au plomb, groupe
4) conduisent au RaF, comparable au tellure (groupe 6). Dans la transformation Mes I B Mes 11 ! Radio- thorium, le métal alcalino-terreux (groupe 2) Méso-
thorium 1 produit aussi le radiothorium (groupe 4), après deux transformations B. L’actinium, intermé-
diaire entre le calcium et le lanthane (groupe ’2 ou 5) produit par transformation a le radioactinium qui doit, par analogie avec le radiothorium, être rangé
dans le quatrième groupe. Comme dans le cas des transformations x, on peut ici aussi se poser la ques- tion de l’amplitude du déplacement vers la droite produit par uue transformation B. Dans les deux cas précités il y a déplacement de deux groupes par deux transformations successives. L’hypothèse la plus nalu-
1. Il n’y a de difficulté que pour la transformation Ita x Alcalm B Em et les analogues des autres séries ou il B aurait, d’âpres les hypothèses du travail précédent, passage du radium divalent à un métal alcalin monovalent. Ce cas sera
discuté à une autre occasion.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:0191300100206100
qu’une transformation produit un déplacement d’un groupe. Nous admettons la validité générale de cette proposition.
En nous servant de cette double règle, d’après la- quelle une transformation x produit un déplace-
ment de deux rangs vers la gauche et une ircerts f or- formation B un déplacement d’un 1Ytng vers la droité, nous pouvons essayer d’assigner une place
dans le système périodique aux éléments non encore
bien caractérisés chimiquement. Ainsi on trouve tout
de suite que le Mésothorium II doit appartenir au
troisième groupe, ce qui s’accorde bien avec le fait
qu’il se comporte comme une terre rare. Le RaE doit
être rangé dans le cinquième groupe. Il reste à fixer la place des produits de courte durée de l’activité
induite dans les trois séries. L’étude chimique directe
est difficile à cause de leur disparition rapide. Soddy (1, p. 62) a émis à ce sujet une idée originale.
L’émanation du radium est dans le système pério- dique â l’extrémité gauche de la rangée horizontale,
le polonium (groupe 6) à l’extrémité droite de la
rangée immédiatement supérieure. Les produits de
l’activité induite sont des intermédiaires entre les deux séries qui, d’après Soddy, n’ont pas d’analogies
dans les éléments communs. Cependant, on va voir qu’il n’est pas nécessaire d’admettre ce nouveau type d’éléments. En effet, si nous remontons la série à partir du RaD (groupe 4) et si nous appliquons nos
deux règles, nous trouvons les rangs suivants pour les produits de l’activité induite du radium et aussi pour ceux des deux autres familles :
RaD - Groupe 4.
RaC,, ThC,, ActC. - Groupe 5.
RaA, ThA, Act. - Groupe 6.
RaC’, ThC2. - Groupe 6.
RaBi, ThB, ActB. - Groupe 4.
La transformation des émanations conduit donc du groupe de rang 0 au sixième groupe de la rangée ho-
rizontale voisine. Si l’on néglige donc le huitième groupe, qui occupe une place singulière, on voit que cette transformation ce saute, elle aussi, un groupe
(le septième). On ne peut comparer ces résultats avec
l’expérience que dans le cas des produits B, et notre résultat, qu’ils appartiennent au quatrième groupe, est en parfait accord avec le fait qu’il est impossible
de séparer le ThB du plomb. D’ailleurs, le RaB i res- semble au RaB et par suite au plomb en ce qu’il se précipite avec le sulfate de baryte. On peut même le sépar er ainsi du RaC,.
Si maintenant on écrit, conformément à ce qui précède, la succession des groupes du RaA jusqn’au plomb, on obtient la suite
64564564
1. F. v. LERCH, Ann. d. Phys., 20 (1906) 545.
2. G. N. ANIONOFF, Phil. J.11ag., 19 (1910) 825.
groupement 6 4 5 repro
fois. Or, il est très remarquable qu’une analogie
semblable au début de la série de l’uranium donne
donc encore 64 (5) 64, si l’on regarde l’UrX comme complexe, comportant deux produits successifs à rayons B. Cette hypothèse est justifiée, car l’Ur X pos- sède deux groupes de rayons B, l’un très dur, comme
on n’en trouve que chez les éléments à très courte durée de vie, l’autre qui correspond très bien à un produit de longue durée comne l’Ur X (2 4, 6 jours).
Aussi Soddy avait-il déjà admis autrefois l’existence de ce produit. Cet élément hypothétique à courte du-
rée devrait appartenir au 5e groupe et se placer entre
l’Ur X et l’Ur II. Remarquons encore que le schéma ci-dessus est seul d’accord avec nos règles sur les
transformations u et B; il n’en serait pas ainsi par exemple, du schéma Ur I x Ur II x Ur X B Io. Tout ce
exemple du schéma 6
6 4 4 Tout cequi précède montre que dans une série radioactive les transformations se reproduisent périodiquement.
Il ne reste plus qu’à assigner leur place dans le système périodique aux éléments correspondants RaC,
ThD et ActD. Ils proviennent du RaCI, du ThC, et l’ActC, qui, d’après ce qui précède, appartiennent
au 5e groupe, par transformation or.; donc, d’après la règle de Soddy généralisée, ils devraient appartenir
au 5e groupe. Ceci s’accorde bien avec le caractère nettement électropositif du ThD. On ne peut rien dire de l’Ur II qui nous est trop mal connu tant au point
de vue chimique qu’au point de vue de la filiation radioactive.
Après avoir déterminé pour tous les éléments ra-
dioactil’s le groupe chimique auquel ils appartiennent,
nous allons essayer de les ranger dans ces groupes.
Le tableau suivant contient tous les éléments radio- actifs, rangés par poids atomique décroissant dans les groupes correspondants. Le c-llcul des poids atomiques
a été fondé sur les valeurs 258,5 pour l’uranium et 252,4 pour le thorium, en admettant que la perte d’une particule (x diminue le poids atomique de
4 unités, tandis que l’émission d’un électron le laisse invariable. Nous laissons de côté provisoirement la
série de Factinium, le poids atomique de l’actinium
étant encore inconnu.
Le fait le plus frappant qui ressort de ce Tableau
est qu’ici des places qui d’ordinaire ne sont occupées
que par un seul élément sont occupées par plusieurs, parfois jusqu’à 6. Or, tous ces éléments d’un même
groupe (la différence des poids atomiques est de deux unités) sont si voisins qu’il est impossible de les sé-
parer par cristallisation ou par voie chimique (Ur 1
et Ur II, Io et Th, Ra et Mes I) . Un mélange de sem-
blables éléments, qui se séparent toujours ensemble
des minerais d’uranium par exemple, se comporte chimiquement comme un élément unique. II y a deux
moyens de ranger ce complexe dans le système pério- dique. On peut lui assigner un poids atomique moyen
entre les poids atomiques de ses constituants. Mais il est plus naturel d’isolerexpérimentalement un tel com- plexe et de déterminer son poids atomique, qui se rapprochera le plus de celui de l’élément le plus
abondant dans le mélange. Cet élément sera celui dont la durée de vie est la plus longue. Dans le cas où les
durées de vie sont connues, on peut donc prendre
comme poids atomique celui du corps de plus longue
durée. Ces deux procédés conduisent aux classifica- tions suivantes.
qu’il en est encore ainsi pour les groupes 5 et 5. Ces
1’ésultats pr’o1nlent définitivement que les trans for-
mations des éléments sont, à la base du système pé- riodique.
Coniparoiis donc le deuxième arrangement avec les
deux rangées inférieures du Tahleau périodique tel qu’on le dressait jusqu’ici. Dans la ligne inférieure
du deuxième arrangement on trouve dans les groupes 6,
4 et 2 les éléments connus Ur, Th et Ra, pour lesquels
on a fait des déterminations directes de poids ato- mique. Les autres éléments de ces groupes ont une durée de Nie beaucoup moindre, Ls poids atomique
déterminés expérimentalement doivent donc être con-
sidérés comme appartenant aux éléments simples. Les
On remarque tout de suite que ces deux arrange- ments ont en commun avec la loi périodique du sys- tème des éléments un accroissement régulier du poids atomique quand on passe des premiers groupes aux derniers. C’est une différence avec les séries radioac- tives où, comme nous l’avons vu, il y a oscillation entre les groupes quand le poids atomique diminue.
Il y a encore un autre accord avec le Tableau de Men-
deléjeff et Meyer, c’est la nécessité d’admettre dans
chaque groupe deux sous-groupes. Le polonium de la rangée supérieure correspond au thallium du second sous-groupe et non au tungstène, de même le RaD correspond au plomb et non au cérium. On admettra
1. Corps hypothétique.
lacunes dans les groupes 5, 5 et 1 du Tableau ordi- naire (Cf. Nern;t, Theoret. Chern. 7e Ed., 1915,
p. 181) se trouvent remplies par des éléments de
courte durée, en partie encore hypothétiques. Il n’y a
rien de surprenant a ce qu’ils n’aient pas encore été décelés par les moyens chimiques ordinaires. La même chose est vraie du polonium, qui v ient remplir la la
cune qui existait dans le 6e groupe de la rangée supé-
rieure. On arrive à des conséquences remarquables
en ce qui concerne les éléments des groupes 5, 4 et 5 de la rangée supérieure. Ces places sont occupées par le thallium, le plomb et le bismuth. Mais il y a de plus différents corps radioactifs occupant la même place. Or, le plomb appartient à la série du radium.
poids atomique groupe,
vons non la valeur moyenne calculée 210,5 mais la valeur correspondante au plomb, cela tient à ce que tous les autres produits du groupe ont une durée de vie extrêmement courte par rapport à celle du plomb (le ThE mis à part, constante de temps inconnue) et
par suite leur quantité est trop faible pour influencer le poids atomique. La question se pose de savoir si la même chose n’a pas lieu pour le bismuth et le thal- lium, c’est-à-dire s’ils ne sont pas eux aussi des pro- duits à durée de vie très longue des séries radioactives.
Il est fa, ile de montrer que cela est très vraisem- blable. Or, si l’on poursuit la série du thorium vers la droite comme on a fait pour celle du radium, on peut
écrire :
Le ThE inconnu correspondrait au RaD, il appar- tieudrait donc au quatrième groupe. Si l’on admet que,
malgré sa grande stabilité (on ne peut le déceler par
ses propriétés radioactives) il émet des rayons B tout
comme le RaD, il doit produire d’après notre règle un
élément du 5e groupe, analogue chimiquement au
RaE. Le poids atomique de cet élément serait très voisin de celui du bismuth (208,0) 1. Or, il est à remarquer que le poids atomique du thallium (204,0)
dit’ère du précédent de 4 unités. Ceci correspondrait
à une transformation a, du bismuth 2. Et ceci s’ac- corde très bien avec le fait que dans cette transfor- mation hypothétique il y aurait passage du groupe 5
au groupe 5 (le groupe 4 étant sauté).
L’hypothèse précédente s’accorde aussi très bien
avec la présence du bismuth et du thallium dans les minéraux radioactifs comme aussi avec la présence
du thallium dans le bismuth5. Mais il faudrait des
analyses précises pour le confirmer. Il reste toujours
un désaccord à expliquer. Le poids atomique du
1. En se fondant exclusivement sur des considérations de
poids atomique, 1IARSDEN et DARWIN ont aussi conclu que le Bi est le produit final de la série du thorium [Proc. Roy. Soc., 87 (1912) 17].
2. Dans cette conception le Bi (qui correspond au Ra E) serait le siège d’une transformation a, tandis que le Ra E donnerait une transformation B. Mais si l’on admet que le Ha D donne naissance à une bifurcation suivant le schéma
l’analogie est rétablie. De plus cette hypothèse éclaircit le fait jusqu’ici inexpliqué que le Ra F émet environ 2 fois plus de particules a que le Ra E n’émet de particules B Il suffit
d’admettre que la durée de vie du Ra E2 est voisine de celle du Ra F et que le rappurt de bifurcation est voisin de l’unité.
Cette hypothèse expliquerait aussi pourquoi le polonium res-
semble à la fois au bismuth et au tellure, car il serait en
général un mélange de Ra E9 (groupe 5) et de RaF (groupe 6).
3. Cf. APEGG, Handb. d. anorg Cheinie 111, 1, p. 409
plomb 207,1) plus qu’on
trouve (206,5) en le regardant comme le terme final
de la désintégration du radium. La même chose est vraie des poids atomiques du bismuth et du thallium,
seulement ici les valeurs expérimentales du poids ato- mique (208,0 et 204,0) sont plus faibles q’ue les va-
leurs calculées (208,5 et 204,5). On pourrait incri-
miner ici l’inexactitude des déterminations de poids atomique. Mais l’hBpothése suivante parait également acceptable : le plomb ordinaire n’est peut-être pas du
« p!omb pur )) comme en donnerait de l’émanatiorl pure, mais il contient des impuretés, comme leThE,
dont il est difficile de le séparer. Dans le cas de Bi et
Tl il faudrait admettre des impuretés de poids ato- mique plus élevé, peut-être des produits de transfor- mation ultérieure du plomb.
Une question qui se pose encore ici est celle de la filiation des séries de l’aciinium et de l’uranium. Il
est en effet extrêmement vraisemblable que la série de l’actinium est une bifurcation de la série Uranium- Badiu m. Mais on ignore encore à quel point de la
série la bifurcation a lieu. Or, ainsi qu’on l’a déjà dit,
l’actinium appartient à un des groupes 2 ou 5 du Ta- bleau périodique. S’il appartient au 5e groupe, il
pourrait provenir d’un élément du groupe 5 par trans- formation 4 ou d’un élément du groupe 2 par trans- formation B. Pans le premier cas, on ne peut songer qu’à l’Ur X2 hypothétique. Mais alors on devrait obtenir
rapidement l’actinium à partir de l’Ur ou de l’UrX.
Mais ceci n’a pas lieu, comme l’ont montré les expé-
riences de Soddy. Comme élément bivalent, on ne peut envisager que le radium, et les rayons B qu’il
émet pourraient enectivcment caractériser une trans- formation de ce genre. On aurait alors les tranfor- mations :
qui correspondent tout à f’ait aux transformations ;
.Mais si l’acrinimn est un élément du second groupe, il faut admettre l’existence d’un produit entre lui et
le Radioactinium du groupe 4 pour être en accord
avec notre règle.
Mais un élément du second groupe pi,ut provenir
soit d’un élément du groupe 4 par transformation oc, soit d’un élément du groupe 1 par transformation B.
Dans le premier cas, il s’agirait de l’ionium et les
transformations
correspondraient de nouveau tout à fait à la série du
thorium. Dans 1"hypothèse que le métal alcalin hypo- thétique RaX serait la substance mère de l’actinium,
l’analogie avec la famille du thorium serait moindre.
Cette seconde alternative est donc moins probable. Si
donc on ne découvre aucun phénomène nouveau dans
la production de l’actinium, il faut accepter l’un ou l’autre des deux schémas ci-dessus. La question ne
serait pas difficile à résoudre par l’expérience. Dans
les deux cas, le poids atomique de l’actinium serait le même que celui du radium, et c’est dans cette hy- pothèse qu’on a calculé les foids atomiques de la
famille de l’actinium contenus dans le Tableau ci- dessus.
L’idée que le système périodique des éléments est
l’expression de l’évolution de la matière est déjà an-
cienne. On a aussi essayé déjà d’utiliser les phéno-
mènes radioactifs pour interpréter le système pério- dique. Le progrès réalisé par le présent travail est simplement d’avoir montré pour la première fois
comment, en fait, la considération des propriétés chi- miques et de la filiation des éléments radioactifs fournit un schéma qui correspond de tous points aux
deux dernières rangées du système périodique. Ce
schéma n’est que l’expression des transformations radioactives elles-mémes. Il est clair qu’un semblable
résultat jette quelque lumière sur les problèmes fon-
damentaux du système périodique.
De fait, on pourrait en tirer encore diflérentes con-
clusions nouvelles touchant maintes difficultés du
système périodique (rapports du tellure et de l’iode, place des terres rares, etc.). Ces conclusions seront discutées ailleurs.
Sommaire.
1. Grâce à une loi établie dans un travail précé- dent, on montre que lors d’une transformation il y
a passage de droite à gauche dans une ligne horizon-
tale du système périodique. On admet, en générali-
sant une observation de Soddy, qu’a chaque passage
on saute un groupe.
2. On déduit de la même manière pour une trans-
formation B qu’il y a passage au groupe immédiate-
ment supérieur, donc mouvement de gauche à droite
dans une rangée horizontale.
5. A l’aide de ces deux propositions on a pu indi- quer la place qu’occupent dans le système périodique
tous les éléments radioactifs.
4. L’arrangement obtenu s’accorde parfaitement
avec ce qu’on peut prévoir d’après les deux-dernièrcs
rangées du système périodique. On a donc montré
avec certitude que le système périodique a pour base les transformations des éléments.
[Manuscrit n’ru le 15 janvier 1913.]
(Traduit par L. Blucli.)
Séries des tensions
électrochimiques
des éléments radioactifsPar G. V. HEVESY
[Université de Manchester. 2014 Laboratoire de M. RUTHERFORD.]
Toutes les données actuelles de la chimie des subs- tances radioactives semblent montrer d’une manière
certaine, que les éléments radioactifs se comportent
comme des éléments chimiques ordinaires, pendant
l’intervalle de temps qui sépare leur formation de leur destruction ; d’autre part, il semble certain que les transformations de ces éléments, qu’il s’agisse
d’une transformation à rayons 7, ou d’une transfor- mation à rayons B, entrainent des modifications im-
portantes des atomes dans leurs propriétés extérieures, c’est-a-dir0 chimiques. L*exactitude de ces deux pro-
positions apparait lorsqu’on considère la série de
Yolta des 3 métaux radioactifs.
Pour obtenir cette série, le moyen le plus simple
serait de déterminer la tension de décomposition de composés chimiques des éléments radioactifs, ou bien de
mesurer la di1Iérence de potentiel qui existe entre un
métal radioactif et la solution d’un sel de ce métal.
par exemple RaC¡ (RaC) CI2 1 norm. Toutefois cette
méthode n’est pas réalisable, à cause dé la l’aible concentration des éléments radioactil’s. De mcme on ne pourrait pas songer à utiliser, dans cc but, l’étude
de l’équilibre chimique.
car on ne peut avoir du RaC en quantité suffisant
pour recouvrir complétement l’argent, même sur une
surface très petite. Nous nous voyons donc forcés d’em-
ployer d’autres méthodes. moins satisfaisantes au
point de vue théorique. Nous nous sommes servis, dans ce travail, d’une méthode électrochimique que
nous avons pu contrôler, dans plusieurs cas, par
d’autres méthodes et qui consiste a comparer les
quantités de deux substances radioactives déposées
