Ionisation produite par une particule α$$1

Ionisation produite par ^une particule 03B1 ¹

Par H. GEIGER

[Université de Manchester.

Laboratoire de M. RUTHERFORD]

En utilisant une méthode électrique, ^le professeur

Rutherford et moi2 avons pu déterminer récem- ment avec exactitude le nombre N de particules « expulsées, par seconde, par ^un gramme de radium.

La valeur finale de N obtenue en prenant la moyenne d’un grand ^{nombre de} déterminations est 5,4 X1 ⁰¹⁰

particules ^{t1. émises, par seconde, par un gramme de}

radium seul, ^ou quatre ^{fois ce} nombre si le radium

est associé à ses trois produits ^{à rayons a. Dans un}

autre travail 5. nous avions mesuré la charge port ée ^par

une particule t1.; ^cette charge ^a pour valeur 9,5 X ^{10 - 10}

U. E. S. D’autres expériences ^ont montré que la

particule ce ^est identique ^{à un atome d’hélium} por- tant une charge élémentaire double, ^ce qui ^conduit

à prendre pour valeur de la charge ionique ^{le nombre}

4,H5 X 10-10 U. E. S.

Les valeurs de N et de e qui résultent des expé-

riences rappelées ci-dessus, ^nous permettent ^{de déter-}

miner avec une précision qu’on n’avait pas ^eue jus- qu’ici, le nombre d’ions produits par ^une particule « pendant ^son parcours. Rutheriord" ^a déterminé en

1905 le nombre d’ions produits par ^une particule ^t1.

émise _par le radium seul, par la méthode suivante :

on mesurait le courant d’ionisation dû à une pelli-

cule mince de radium à son minimum d’activité et l’on calculait le nombre de particules ^{et émises} par ^la

pellicule, par la charge totale due aux particules ^a.

En prenant ^la charge ^{de la} particule ^a égale ^{à deux}

fuis la charge ionique ^{e, le nombre Z d’ions} produits

par ^une particule ^a par le radium seul ^était égal ^à 1,72 X 105. Ce nombre devient 1,18 X 105 ^{si l’on}

prend pour N ^{et e} les valeurs nouvelles indiquées plus

haut.

Dans les expériences présentes, ^{il a} paru préférable d’employer ^{le RaC} comme source de rayons ^{a. Les} avantages ^de l’emploi ^{du RaC} comme source de rayons ce ^ont été discutés dans une note antérieure. Un quart ^d’heure après ^sa séparation ^de l’émanation, ^le dépôt actif donne des rayons ^a homogènes ^{dus au}

Ra C présent ^et le nombre de particules ^a expulsées

par seconde peut être calculé avec précision, ^à chique- instant, par la ^mesure de l’activité y ^{de ce} dépôt.

La manière la plus simple de déterminer le nombre Z

1. )Iémoire lu à la Société royale de Londres. Communiqué par lI. Rutherford.

2. Le Radiurn, 5 (1908) ^257-264.

5. Le Radium, 5 (1908) ^265-27!.

4. Phil. Mag..10 ^{1903 193.}

d’ions produits par ^une particule ^{a consiste à mesu-}

rer la quantité ^{de RaC} déposée ^{sur une laiiie et au}

même instant à mesurer le coiirant de saturation dû à l’absorption complète ^{de toutes les} particules ^a expul-

sées par la lame active. Le nombres Z peut alors être déduit de ces mesures.

Des expériences préliminaires ^ont montré que de

cette façon ^{il n’était} guère possib!e de déterminer Z

avec la précision suffisante. Bragg ^{et Kleeman 1 ont}

attiré l’attention sur les difucultés qui ^{existent lors-} qu’on ^veut atteindre le courant de saturation dans un

gaz ionisé par les rayons ^a à la pression atmosphérique.

Dans ces conditions, quand pratiquement ^{on a la sa-}

turation complète pour ^une ionisation due aux ravons

B ^ou y, ^{un courant} de même intensité, ^{mais dû à}

l’ionisation par les rayons ^{a est encore de} 10 ;1 20 pour 100 au-dessous du courant de saturation. Pour

expliquer ^ce fait, Bragg ^{et Kleeman} supposent que les ions nouvellement formés par ^une particule ^{a sont} particulièrement aptes ^{à se} recombiner. Un champ beaucoup plus ^fort devient alors nécessaire pour ^les séparer. L’effet de la recombinaison initiale est plus

fort dans un gaz complexe que dans l’air, ^{il dé-}

croît rapidement quand ^la pression ^{diminue. De} plus,

il dépend de la vitesse des particules ^a qui produisent

les ions. Plus la vitesse des particules ^{a est faible,} plus grande ^est la tendance à la recombinaison des ions nouvellement formés’.

En présence des difficultés qu’on ^rencontre pour ob- tenir la saturation compléte ^du courant, ^{il a} paru nécessaire d’adopter ^une méthode indirecte pour ^la détermination de Z. Cette méthode est décrite som-

mairement ci-dessous.

On mesure a pression réduite l’ionisation duc a toutes les pa1-ticules a produites ^{par une} quantité ^con-

nue de KaC; ^en admettant seulement qu’une portion

bien définie du parcours ^des rayons ^{« soit etfective.}

Le rapport de l’ionisation produite par ^cette petite portion ^de parcours à l’ionisation produite ^le long

du parcours total ^est déterminé par d’autres expé-

riences.

Pour ce qui ^{concerne la} première partie ^des expé- riences, ^{les mesures ont été conduites de la} façon

suivante : la quantité ^{de BaC} déposée ^{sur une} petite

lame de métal (environ 5 mm2) ^{a été mesurée avec}

i. Phil. Ilaq., ^fi (1906) ^{466 .}

2. KLEEMAN ^Phil: Mag.. ¹² (1906) ^273.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:0190900607019600

soin par l’activité _y. La lame était alors suspendue par

un fil fin exactement au centre d’un ballon en verre, comme l’indique ^la figure 1. Le diamètre intérieur de ce ballon était de 15,9 centimètres, ^et la face inté- rieure était argentée. ^{Gràce à un fil de} platine ^fin

F ig. ^1.

soudé au trave rs du _verre, la pa- roi intérieure

pou vait ^{être por-}

tée à un potentiel quelconque. ^Le

fil et la lame étaient reliés à

un électromètre

du type 1)oleza-

lek. Un conden- sateur de 0, ¹ microfarad était

placé ^en paral-

lèle avec l’élec- tromètre. Aussi- tôt après ^avoir

fixé la lame ^ac- tive dans sa po- sition d’expé- rience, ^{on rédui-}

sait la pression à l’intérieur du ballon à quelques ^cen-

timètres. Cette pression ^était d’ailteurs mesurée avec

soin. Dans la plupart ^des expériences, ^la pression ^était

maintenue à 5,75 centimètres de mercure. Puisque ^le

parcours des particules a ^est inversement proportion-

nel à la pression, ^et que ehaque particule ^x, expulsée

de la lame active, ^{doit traverser} 7,95 centimètres d’air,

a la pression ^{de 5,75} centimètres, le parcours effectif de chaque particule ^{x est}

On mesurait le courant pour différentes valeurs du

champ électrique dans le but de chercher le degré ^de

saturation. A une telle pression ^{et en utilisant une} petite quantité ^de dépôt ^{actif, on} obtenait facilement le courant de saturation. C’est ce que ^montre le tableau suivant :

Après la détermination du courant de saturation

on mesurait de nouveau l’activité de la lame, ^comme il a été dit plus haut. Une série d’observations a été faite par ^cette méthode. Avant de donner les résultats

numériques, ^{il est} préférable ^{de décrire la méthode} qui ^{a servi à} déterminer le rapport ^de l’ionisation

produite par ^une portion ^{connue du} parcours de la

particule ^{x à} l’ionisation produite ^{tout le} long ^{de ce}

parcours.

La forme particulière de la courbe qui représente

l’ionisation d’une particule ^{« aux} différents points ^de

son parcours ^{est bien connue,} grâce ^aux expériences

de Bragg ^{et Kleemanl et de} Bragg’. ^En utilisant les rayons ^a produits par ^une pellicule ^de radium, ^les

auteurs ont montré que l’ionisation produite par ^une

particule ^x par centimètre de _parcours augmente ^d’a-

bord avec la distance traversée, c’est-à-dire qu’elle augmente quand la vitesse de la particule ^{x décroît.}

Après ^avoir passé par ^un maximum, l’ionisation diminue rapidement. ^{Le même résultat a été obtenu}

par ^Me Clung3, qui ^a utilisé le dépôt ^{actif de l’éma-}

nation du radium donnant des rayons ^a homogènes.

Des courbes analogues ^{ont été obtenues} par Hahn’

pour les produits du thnrium et de l’actinium.

Pour les présentes recherches, ^{il était} nécessaire de déterminer quantitativement ^{la variation du} pouvoir

ionisant le long du parcours de la particule ^{a. En étu-}

diant les conditions expérirnentales, ^{il a} paru ^nécessaire de réaliser les points ^{suivants :}

.10 Employer ^un faisceau de rayons ^a homogènes, pra-

tiquement parallèles ;

2° Employer ^{une chambre} d’ionisation de très

petite profondeur;

5° Obtenir le courant de saturation en mesurant

l’ionisation produite ^à pression ^réduite.

Le détail de l’appareil ^est représenté ^{sur la} ligure’-),.

Fig.2.

Une quantité ^{de RaC,} correspondant ^{en activité} y à 2 milligrammes ^{de bromure de radium, était} déposée

sur une coupelle ^{en verre} poli ^{de 0,6} centimètre de diamètre. Cette coupelle ^{R était} placée ^{au centre du}

tube de verre M à une distance de 10 à 20 centi- mètres de la lame de plomb ^K, qui fermait l’extré-

1. Phil. Mog.. ⁸ 1904) ^726.

2. Phil. Uay.. 10 1903 318.

5. Plail. llag.. ¹¹ (1906’ ¹⁵¹

4. Pitti. Jlag.. 11 1906 795 et t2 1906 83 et 244

mité du tube. Une fraction des particules ^a lancées par le RaC, passait ^{au travers} de l’ouyerture K de 1,5 ^mil- limètre de diamètre percée ^{au centre de la} plaque ^de plomb. L’ouverture elle-même était rendue étanche par ^{une niince} feuille de mica, ^d’une épaisseur équi-

valente à 0,92 centimètre d’air. Après avoir traversé la fenêtre de mica, ^les particules ^a pénétraient ^dans

la chambre d’ionisation N. Celle-ci était constituée par deux plateaux ^{isolés A et B, tous deux} parallèles

au plateau ^{C et} distants de 1 centimètre de celui-ci. Le

plateau ^{C et la lame de} plomb ^{K étaient} chargés ^au

même potentiel ^au moyen d’une batterie, ^le plateau ^B

étant relié à l’électromètre alors que le plateau ^A

servait de plateau ^de garde, pour qu’on puisse ^être

certain _que le courant atteignant ^{B soit} uniquement ^dù

à l’ionisation entre B et C. Dans quelques expériences ^on

avait rempli la chambre d’ionisation d’air à pression ^ré-

duite, mais dans la plupart ^des expériences ^{on a uti-}

lisé de l’hydrogène ^{à une} pression ^{variant de 10 à}

20 centimètres, ^car la saturation est obtenue plus

facilement dans ce gaz. Dans ces conditions, ^{une dif-}

férence de potentiel de 25 volts suffisait à saturer le courant. La profondeur ^{de la} chambre d’ionisation

correspondait à ^{0,07 et 0,14 centimè-}

tre d’air à la pression atmosphérique.

Les mesures ont été faites de deux

façons différentes :

Dans quelques expériences la pres- sion dans le tube 1B1 était amenée à une

certaine valeur connue. Connaissant cette pression ^et la distance de la cou-

pelle ^{R à l’orifice L, la} portion ^exacte

du parcours des rayons ^a qui produi-

sait des ions entre B et C, pouvait ^être

facilement calculée. Après qu’on ^avait

mesuré le courant, ^la pression ^{en M}

était changée ^{et le courant mesuré à}

nouveau. En faisant varier la pression

de cette façon ^{entre certaines} limites, l’ionisation produite par ^une particule a pouvait être mesurée à différents points

de son parcours, dans le ^cas présent depuis 0,92 centimètre, qui ^{était l’é-} paisseur équivalente ^de la feuille de mica, ^{à la fin} du parcours.

La seconde méthode de ^mesure était

plus simple. ^On employait ^{une résis-}

tance à substance radioactive de Bron-

son, qu’on ^{reliait à} l’électromètre dans le but d’ob- tenir des déviations constantes. Le tube M était com-

plètement ^{vidé au début d’une} expérience. ^{L’air était}

alors admis lentement au travers d’un tube capillaire.

La pression du gaz ^à chaque ^{instant était} proportion-

nelle au temps Alors le gaz, ^entre les plateaux ^{B et C}

était ionisé par des portions successives du parcours des

particules ^{a et la déviation de} l’aiguille de l’électro-

mètre variait comme le pouvoir ^{ionisant des} parti-

cules. En fait, ^le spot ^de l’électromètre aurait tracé la courbe d ionisation sur une plaque photographique qui ^{se serait} déplacée ^{avec une vitesse constante à} angle

droit du mouvement du spot.

Plusieurs courbes ont été obtenues _{par les} deux méthodes, ^la pression ^du gaz dans la chambre d’ioni- sation étant également changée ^{dans les} différentes

expériences. ^{On constate} que’ les courbes diffèrent lé-

gèrement au-dessus de 6,5 ^cm de parcours. ^{Le cou-}

rant maximum correspondant ^{à 6,5 cm de} parcours varie quelque peu; dans quelques expériences, ^{il est}

de 10 à 15 _{pour 100} au-dessus des autres. D’ailleurs

ces différences n’affectent le résultat final _que de

0,5 pour 100 ^environ.

Avec le dispositif précédent, il n’est pas possible

d’obtenir les courbes d’ionisation au commencement

du parcours, puisque ^la paroi ^{de mica} correspond ^à

0,92 ^{cm. La} partie ^{initiale de la courbe} peut cepen- dant être obtenue en utilisant l’appareil ^{de la} pre- mière partie des déterminations et représenté ^{sur la} figure 1. ^Une petite quantité ^de dépôt ^{actif était} placé

au centre du hallon et l’on mesurait le courant à dif-

Fig. 3.

férentes pressions. Jusqu’à ^une pression ^{due 15 cm. en-}

viron on obtenait facilement le courant de saturation.

Pour de basses pressions, ^{le courant} d’ionisation était sensiblement proportionnel ^{à la} pression, ^tandis que pour des pressions plus grandes l’ionisation augmentait plus rapidement que la pression. ^Cette augmenta-

tion était en accord avec les résultats obtenus ^avec le

dispositif ^{de la} fiâure ^{2. Mais à une} pression ^{de 20 cm}

(qui équivaut ^{à un} parcours due 2 cm) l’ionisation

n’augmente pas ^avec la pression, ^aussi rapidement que les courbes d’ionisation connues le laisseraient suppo-

ser. Ceci peut ^{être dû au} manque de saturation, ^même

quand ^on emploie ^des potentiels ^élevés

Les courbes de la figure 5 représentent ^la moyenne de toutes les mesures effectuées. On peut ^{voir facile-}

ment que les corrections qui proviennent ^de l’sangle

des rayons ^et de la profondeur de la chambre d’ioni- sation sont excessivement petites ^et n’altèrent pas d’une façon appréciable ^{la forme} de la courbe. Il est évident que l’ionisation produite par ^un faisceau parallèle ^de particules ^{ce, se} déplaçant ^{avec une vitesse} identique,

doit décroître dans les derniers 5 mm. du parcours.

Plusieurs explications possibles peuvent être émises pour rendre compte ^{de cette} diminution, ^{mais cette}

discussion est réservée jusqu’à ^ce que des recherches

en cours soient complétées. ^{En somme, il} semble pro- bable que l’effet ^est réellement dû au choc des parti-

cules 7 passant ^{au travers du} gaz.

De la courbe d’ionisation précédente ^{on trouve} pour le rapport de l’ionisation totale produite par une par- ticule « le long ^{de son} parcours ^à l’ionisation pro- duite dans les 0,590 premiers ^{cm. du} parcours la valeur 27,1. ^{Cette valeur s’obtient en} prenant le rap-

port ^{de la} surface totale de la courbe à la surface

comprise ^entre les ordonnées 0 et 0,590. ^{Comme on}

connaît l’ionisation produite par 0,590 ^{cm. à} partir

de l’origine du parcours, ^on peut calculer le nombre total d’ions produit par ^une particule ^oc émise par le RaC. Toutes les mesures ont été faites à la même

température; ^il n’y ^a donc pas lieu de faire de correc-

tions. La correction due à la présence ^de rayons B ^est

inférieure â 0,5 pour ^cent.

On a pris ^{un soin} particulier ^à la détermination des constantes employées par le calcul ^des nombres donnés dans la colonne 4 du tableau 1. Le condensa- teur employé ^{a été} comparé ^{à un} condensateur étalon,

la jauge ^{a été contrôlée et} la sensibilité de l’électro- mètre fréquemment mesurée pour diflérents potentiels.

Tableau 1

Le nombre moyen d’ions produit ^{dans l’air,} par ^une

particule x émise par le Ra C le long ^{de son} parcours,

peut ^être pris ^comme s’approchant ^le plus ^de

2,37 ^{X 105.}

Le pouvoir ^{ionisant en} différents points ^du parcours est résumé dans le tableau suivant, qui ^{donne le}

nombre d’ions produits par millimètre à chaque point

du parcours. Tous ^ces nombres se rapportent ^{à l’air à}

la pression al,mosphérique ^{et à la} température ^{de 12°C.}

Tableau II

L’échelle de la figure 5 ^est telle que chaque ^centi-

mètre carré représente 104 ions. Un peut ^{donc en} déduire le nombre d’ions produits ^{en un} point quel-

conque du parcours.

Il semble qu’il n’y ^{ait aucune relation} simple ^entre

l’ionisation et la vitesse de la particule ^{x. Il ne} paraît

pas nécessaire de rechercher une relation théorique

avant que de nouvelles expériences ^{aient donné des} renseignements ^{sur ce} qui ^se passe ^{dans la} dernière

partie ^{de la courbe.}

Toutes les expériences ^{semblent montrer} que les

particules ^{x des} différentes substances radioactives

sont identiques ^{en masse et en} charge, mais cüffèrent seulement _par leur vitesse initiale’. Toutes cessent d’ioniser quand ^leur vitesse s’est abaissée à une valeur

donnée, c’est-à-dire ^à 1,5X109 cm/sec.2. ^{Il semble}

alors admissible que ^toutes les particules cc produisent

la même ionisation à la même vitesse. En consé- quence les ^courbes d’ionisation pour différentes parti-

cules 0:. sont identiques pour le même parcours de la vitesse. Donc si le parcours entier d’une particule ^a

dans l’air est _connu, le nombre total des ions produits

par ^elle peut ^{être calculé au} moyen de la courbe donnée pour le Ra C.

L’exactitude de cette supposition ^{a été contrôlée pour}

les particules ^{0.. du} polonium par les expériences ^sui-

vantes. Le courant d’ionisation d’un petit disque

recouvert de polonium ^a été mesuré à basse pression (5,75 cm.) ^dans le ballon argenté, par la même méthode que pour le Ra C. Le nombre de particules ^x

1 RCTHERFORD, Phil. Mag., ¹² )906) 348, RUTIIERFORI) et HAHN. Phil. Mag., ¹² (1906) ^371.

2. RUTHERFORD, Phil. Mag., ¹⁰ 1905) ^163.

émises par seconde _{par la} plaque ^a été déterminé par la méthode des scintillations 1.

La lame était fixée dans un tube de verre vidé, ^à

10 centimètres environ d’un écran au sulfure de zinc et le nombre de scintillations produites par ^un millimètre carré de la substance active était compté

au moyen d’un microscope. ^{La valeur de l’écran a été}

contrôlée en comptant ^{le nombre de} particules ^{a émi-}

ses par ^une quantité ^connue de RaC. On ^a trouvé que 92 pour 100 des particules ^a qui frappent ^l’é-

cran, produisent de la scintillation. En utilisant cette

correction, ^{on a trouvé} pour ^le nombre de particules ^a expulsées par la lame de polonium ^et par seconde la valeur 4,6 X 104.

Le courant d’ionisation dû aux premiers ^{0,590 cen-}

timètres du parcours ^{de toutes} les particules ^de polonium ^{était de} 0,120 ^{U. E. S. Le courant du}

à une particule ^de polvniuiii ^{seule est alors de} 0,12°/2,5 X 10-4= 5,2 X 10-6 U. ^{H;. S. Le courant} produit par ^une particule ^{x du Ra C mesuré dans les}

mèmes conditions est 4,07 X l0-6 U E. S et le _rap-

port ^{des deux courants devient 1,28. En} considérant la courbe d’ionisation (fig. 5) ^ce rapport ^est 1,18, si l’on

prend pour parcours d’une particule ^{a du} polonium ^la

valeur 5,86 centimètres. La différence entre ces deux valeurs est de l’ordre des erreurs expérimentales, puisque la détermination du nombre de particules ^a

de la lame de polonium par la méthode des scintilla- tions comporte ^une incertitude de plusieurs pour 100.

Le tableau qui suit contient le nombre d’ions cal- culé produit par les différentes particules ^{a de la}

famille du radium. Le calcul est basé sur la courbe d’ionisation de la ligure 5 ^{et de} la valeur connue du parcours de la particule.

Tableau III.

’1. REGENER, Verh. d. D. Phys. Gesells., 10 (1908) ^{78 et}

RUTHERFoRD et GEIGER, Roy. ^6oc. Proc., ⁸¹ (1908) ¹⁴¹

Rappelons que dans ce calcul ^{on a} pris pour valeur de la charge ^{d’un ion le nombre} 4,65X10-JO ^C.F.S.

Si les recherches futures donnent une valeur plus précise, ^{les nombres} précédents devront subir une

correction

Le numbre calculé _pour le radium seul (1,55 Xi 05)

est en bon accord avec la valeur obtenue _par Ruther-

ford, ^si l’on tient compte qu’il ^faut augmenter ^celle-

ci (1,18 X105) d’environ 10 _pour 100 pour tenir

compte ^du manque de saturation de l’ionisation in- tense à pression atmosphérique.

Note sur la détermination des petites quantités ^{de radium.}

Le courant d’ionisation dû à 1 gramme de radium à son minimum d’activité et répandu ^{en une} pellicule

infiniment mince sur une lame, ^{de telle} façon qu’une

moitié des particules ^a. soient absorbées en ionisant,

est : :1,21 ^{x 106 U.E.S.}

Ce résultat peut ^être utilisé pour déterminer de

petites quantités ^{de radium, à} condition, toutefois, qu’on puisse ^{obtenir la} saturation complète ^{du cou-}

rant.

De petites quantités de radium ou d’autres sub-

stances radioactives peuvent ^{aussi ètre} déterminées

avec une grande exactitude en mesurant le courant

d’ionisation à faible pression ^{dans un} ballon conduc- teur, qui peut ^être de dimensions plus petites que celui employé ^{dans les} expériences. ^{Le nombre d’ions} produits par ^une seule particule ^u dans les conditions

spéciales ^de l’expérience peut ^{se déduire aisément de} la courbe de la figure ^{5. La} détermination du courant

d’ionisation dans le ballon donne alors le nombre total de particules ^oc. On doit veiller à ce qu’on ^ait toujours ^{le courant de} saturation et éviter l’ionisa- tion par collision, qui ^se produit lorsqu’on emploie

des voltages trop ^élevés.

Je suis reconnaissant de l’assistance _que m’a donné M. E. Marsden dans quelques-unes ^{de ces observa-}

tions.

En terminant, je ^{tiens à} exprimer ma gratitude ^au professeur Rutherford pour ^ses conseils précieux ^et

pour le bienveillant intérêt qu’il ^a porté ^{à ces} expé-

riences.

[Reçu ^le 18 Juillet 1909.]