La spectrographie des phénomènes d'absorption des rayons X

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Submitted on 1 Jan 1916

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La spectrographie des phénomènes d’absorption des rayons X

M. de Broglie

To cite this version:

M. de Broglie. La spectrographie des phénomènes d’absorption des rayons X. J. Phys. Theor. Appl.,

1916, 6 (1), pp.161-168. �10.1051/jphystap:019160060016100�. �jpa-00241960�

11 LA SPECTROGRAPHIE DES PHÉNOMÈNES D’ABSORPTION DES RAYONS X 1;

Par M. DE BROGLIE.

1. A partir ^{du moment où l’étude des} rayons secondaires des rayons X ^a permis ^aux physiciens anglais, ^Barkla, Kaye, ^Sadler, Collier, Whiddington ^et d’autres, d’étudier par des ^mesures d’ioni-

sation, l’absorption de rayons de qualité définie, ^{il a été} possible ^de parvenir ^aux résultats d’ensemble suivants :

.

v ^,

FIG. 1.

D’une manière générale, c’est-à-dire en dehors des bandes d’ab-

sorption, ^on peut parler de rayons pénétrants ^ou absorbables ; par

exemple, ^{si l’on} prend les rayons secondaires émis par des corps de

poids atomiques croissants (sen langage actuel, des rayons de lo n- gueurs d’ondes décroissantes) ^leur pénétration ^{à travers} les divers écrans croît régulièrement ^{avec le} poids atomique du radiateur secondaire.

ïly ^{a donc nne} absorption ^normale, qui ^{se retrouve chez tous les}

(1) Depuis ^{la rédaction de ce} travail, j’ai ^eu connaissance de recherches de :B1. WAGNER (Annalen ^de1’ Plzysik., 1915;, ^{sur le même} sujet.

J. de Phys., ^{56 série, t. V.} (Alai-,luin 1916.)

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019160060016100

162

corps ; les raj,ons X ^sont d’autant plus pénétrants que ^leur longueur

d’onde est plus ^courte.

Mais pour la plupart ^{des écrans} (’ ) ^{on trouve} que la courbe d’ab-

sorption éprouve ^une perturbation plus ^{ou moins} brusque quand ^les

rayons incidents ^sont voisins de ceux que pourrait ^{émettre la subs-}

tance de l’écran lui-même.

Comme on distinguait ^deux groupes de rayons secondaires émis par ^tous les éléments, les rayons K ^et les rayons L, ^on put ^retrou-

ver, dans la courbe d’absorption ^deux régions singulières, ^corres- pondant ^{à une} absorption sélective; par exemple (2) ^la variation du coefficient d’absorption ^{avec la} longueur ^{d’onde a,} pour ^tous les éléments, ^{la même} allure, traduite par la courbe de la fig. 1 .

2. La spectrographie des rayons X permet facilement l’étude des

phénomènes d’absorption ; ^{il se trouve même} qu’une ^des premières

constatations que ^la méthode du cristal tournant permit d’effectuer est due précisément ^{à un} phénomène d’absorption (3).

Quelle que soitl’anticathode : platine,tungstène, argent, cuivre, ^etc.,

on retrouve dans les photographies ^du spectre deux bandes intenses,

continues et pénétrantes ^{dont la} position ^{est bien} déterminée, ^{et ne} dépend pas de l’anticathode; par exemple, ^{sur les faces} cubiques ^du

sel gemme, ^{la tête} de la première bande, ^nette du côté des grandes longueurs d’onde, ^est réfléchie sélectivement sous l’angle ce ^~ 4~153,

celle de la deuxième bande sous l’angle ^«

^9°20’ (fig. ^1, pl. 1).

Ces bandes sont dues à l’argent ^{et au} brome de l’émulsion photo- graphique ; ^{ces éléments} possèdent, ^en effet, ^{dans la} région indiquée,

chacun une bande d’absorption qui ^se traduirait par ^une bande claire

(en raisonnant sur le négatif ^{où les} parties brillantes sont noires) ^si

le brome ou l’argent ^{étaient contenus dans un écran} interposé ^entre l’ampoule ^{et la} plaque. Mais, comme, ^en fait, l’absorption ^{a lieu au}

sein de l’émulsion (et qu’elle ^est accompagnée de l’émission de

~

rayons cathodiques) l’énergie absorbée effectue un travail chimique,

dont le résultat aboutit à une réduction de l’argent ^{et à la} présence

sur le cliché de deux bandes foncées.

Les rayons, dont l’absorption ^{est ainsi} décelée, correspondent ^au

(1) ^{Et le fait est} probablement tout à fait général.

(2) ^{BARKLA et} COLLIER, ^Phil. 1nag., 1912.

(3) DE BROGLIE, ^C. R., ^{17 novembre} 1913, - ¹⁹ janvier ^1914.

163 fond spectral ^{continu émis} par l’anticathode ^de l’ampoule ; ^{sans insis-}

ter actuellement sur l’origine ^{de ce fond continu,} qui pose ^une ques- tion délicate analogue ^à celle de la nature de la lumière blanche, ^on peut dire que l’existence de ^ce fond continu est ainsi mise en évi- dence.

3. L’expérience ^montre que ^{si l’on} interpose ^{entre la} plaque ^{et le}

tube un écran contenant un élément chimique, ^la présence ^{de cet}

élément (~) ^se traduit, ^{dans le} spectre enregistré ^{à travers son} épais-

seur, par la présence ^{d’une bande} d’absorption ^{à bord net du côté}

des grandes longueurs d’onde, ^{dont la} position peut ^{être facilement} repérée.

En réalité il y ^a plusieurs ^bandes d’absorption, ^une très intense

qui correspond ^aux rayons K; ^c’est celle dont nous avons parlé jusqu’ici, ^{et un} système ^{de bandes} plus ’faibles, correspondant ^aux

rayons L, ^{dont il sera} question plus ^loin.

Voici, par exemple, ^{une série de mesures, donnant les} positions

des têtes de bandes K d’un certain nombre d’éléments.

x 1= angte de réflexion sur le sel gemme (2 longueur ^{d’onde ==} 5,)3 X 10-8 sin a cm.

BROGLiE. C. IL. p. 1493; 1914; 2013 ^C. li., ^t. CLXXXIII, p. 8~: juil-

let 1916.

(2) Les chiures ci-dessous contiennent des fractions de minutes, je les ai main- tenues parce que j’estime que les valeurs relatives des angles ^sont correctes ; -.

mais cela ne signifie pas que j’affirme les valeurs absolues à moins de une

minute. Je pense que les valeurs absolues sont approchées ^{à deux} minutes, ^envi-

ron, et probablement par défaut.

164

Les écrans étaient , employés, ^{soit sous la forme de feuilles} métalliques très minces 1 (100 ^de millimètre ^{soit sous forme de}

feuilles de papier recouvertes d’une peinture ^{contenant un} composé

de l’élément à étudier. On arrive rapidement ^à trouver l’épaisseur

convenable _pour avoir le meilleur effet de contraste.

.

Les reproductions ^des planches ^{1 et Il montrent} quelques-uns ^des spectres d’absorption ^ainsi enregistrés.

4. On peut faire diverses remarques ^sur les résultats obtenus.

1° Les bandes d’absorption ^{du brome et de} l’argent ^coïncident

bien avec les bandes foncées communes à toutes les photographies

de spectres ^et justifient ^ainsi l’origine ^{attribuée à ces} bandes; ^avec l’argent, par exemple, ^{il se} produit deux actions inverses, ^{l’une due}

à l’argent de l’écran qui ^{tend à} produire ^{une bande blanche, l’autre}

due à l’argent due l’émulsion qui s’accuse par ^une bande foncée ; pour

une épaisseur convenable les deux actions se balancent et la bande de l’argent disparaît; suivant que l’action de l’écran prédomine ^ou

non, cette bande se détache en clair ou en noir sur les clichés;

~° Les recherches ici exposées ^{ne sont que} l’application ^{à un cer-}

tain nombre de corps, de la méthode que j’ai indiquée ^autrefois (’),

et qui, ^{à titre} d’exemple, m’avait alors fourni la valeur de la tête de bande du cuivre; ^{c’est ce chiffre 1 5° 15} qui figure ^{en tête de la liste,}

il peut ^{avoir une} précision ^un peu moindre que les suivants (il ^avait

été calculé en adoptant 13" 27’ pour la raie la plus intense du platine).

(1) C. R., ^1. CLBll1, p. 1.493 ; ^{25 mai I91~}

1

Les figures 2, 3, 4 ^{et 5} représentent ^des spectres enregistrés symétriquement ^de part

et d’autre de la ligne ^{axiale du} spectrographe.

3.

Les spectres ^{ont été} enregistrés symétriquement, par rapport

il la ligne ^{axiale du} spectrographie.

F16. 2.

Bandes d’absorption ^L.

Le spectre incident est celni ^dn tungstène : ^{dans la,} partie centrale il n’y ^a pas d’absorbant,

les bande, qui s’y ^{trouvent sont} celles dtie- au brome et à 1 argent de l’énmlsion photographique.

165 La bande du sélénium 10° 00’), ^{voisine du} second ordre de la bande foncée due à l’argent ^de l’émulsion, donne lieu à une apparence de raie blanche, par ^un phénomène inverse de celui qui ^est expliqué

plus loin pour le cadrriium ;

3° Considérons les spectres d’absorption d’éléments tels que le cadmium, l’antimoine 3 et 4, pl. I; qui ^sont voisins de l’ar.gent

comme poids atomiques ^mais plus ^lourds, leur bande d’absorption

commencera un peu ^en dedans de celle de l’argent, c’est-à-dire que,

sur les clichés, ^{on verra la bande} noire ^de l’argent ^de l’émulsion, interrompue ^à peu ^de distance de sa tête par ^la bande claire de

l’écran ; ^{on aura donc} découpé ^{une sorte de} région spectrale ^limitée

et peu étendue qui, pour le cadmium, par exemple, ^est approximati-

vement monochromatique; ^en longueur d’onde l’intervalle transmis va de :

4° Les bandes de l’iode et du tellure placent ^{ces éléments dans}

l’ordre inverse de leurs poids atomiques ^{et sont} par conséquent

d’accord avec les considérations d’ordre chimique qui ^{ont conduit à}

en inverser les rangs pour disposer les familles naturelles en rangées

verticales dans la table de àlendéleefl ( fig. ^1, pl. II).

Les spectres d’émission de l’iode et du tellure avaient déjà ^donné

lieu aux mêmes remarques (1);

~° Les éléments, tels que ^le tantale, ^le tungstène dont les bandes tomberaient au voisinage immédiat des raies K du tungstène ^sont

difficiles à mettre en évidence en employant ^{un tube à} anticathode de tungstène; ^{ils ne} figurent pas dans le tableau ;

6° Lorsque ^{l’on a} affaire à des corps ^de poids atomiques plus

élevés que le tungstène, leurs bandes d’absorption ^{tombent en}

dedans des raies Ii de l’anticathode.

"La _2, pl. ^{Il montre le} spectre ^{de la} région intérieure à ces

raies 11 (2) ; ^on y remarque ^un fond spectral ^continu qui parait pré-

senter comme une bande d’émission vers les courtes longueurs d’ondes, ^{en dedans du} second doublet K ; c’est-à-dire dans la région

où se trouverait la bande d’absorption ^du tungstène, s’il fonction- nait comme écran au lieu de servir d’anticathode; ^{c’est un fait} qui

peut ^être général ^et prêter ^à des considérations importantes.

(1) ^{M. DE} BnouLiE, C. P,., ^t. CLVIII, p. 1185.; ¹⁵ juin ^191L

(’) ^Sans interposition d’écran absorbant.

166

La 3, pl. ^{Il montre la bande} d’absorption ^{du mercure. On} peut suivre ainsi les bandes d’absorption jusqu’au ^bismuth; pour le tho-

rium, ^le phénomène ^{est encore} visible, mais devient moins net et, pour l’uranium, ^il n’y ^a plus qu’une indication assez floue ;

7° Revenons au fond continu de très courte longueur d’onde, ^{mi s}

en évidence par la 2, pl. ^{II, on} peut ^{se demander} qu’elle ^{est sa}

limite du côté des hautes fréquences.

Plusieurs physiciens ^ont pensé que l’émission d’une ampoule

devait être limitée de ce côté par la tension ^sous laquelle passe la

décharge; ^on peut, ^en effet, ^{chercher à} appliquer ^{ici la loi de}

Planck sous la forme suivante :

Quand, ^{dans les} phénomènes atomiques, ^il y ^a production ^{d’un e}

vibration de fréquence ^v par l’arrêt d’un électron dont l’énergie ^ciné- . tique ^{était w, ou} inversement, conversion de l’énergie vibratoire de

iréquence v ^en énergie cinétique ^w, il existe entre v et ~v la relation :

h étant la constante du rayonnement ^noir qui ^a pour valeur

Le potentiel ^{aux bornes du} tube étant V, l’énerg.ie des rayons ^ca-

thodiques ^{est eV, et la} fréquence correspondante serait donnée par : ^-.

Des recherches récentes de Sir Ernest Rutherford, Duane,

Hunt et Hull ont conduit, malgré quelques divergences ^{dans les}

résultats à faire considérer corrime très probable la validité de la

relation précédente.

Les résultats expérimentaux qui viennent d’être exposés ^montrent

d’une manière incontestable l’existence d’un fond continu, conte-

nant des radiations allant au moins jusqu’aux rayons K ^du thorium, c’est-à-dire, ^en longueur ^d’onde jusqu’à :

qui ^cadre encore avec la valeur de w déduite de la tension employée Cependant le fond continu se prolonge ^{encore au-delà et} apparaît

encore à :

167 Ce qui correspondrait à ^une pointe de tension de 350.030 volts,

peu vraisemblable dans les conditions de l’expérience.

7° Les bandes d’absorption ^{obéissent à} la loi que Moseley a ^décou-

verte pour les iaies d’émission ^et qui paraît ^{s’étendre à tous les} phénomènes spectraux ^des rayons ^X. Cette loi peut s’exprimer

ainsi :

La relation :

relie, ^{dans les} spectres des divers éléments, ^la fréquence ^{v d’un} repère spectral homologue ^au rang N de l’élément correspondant

dans la table de 1Blendéléeff. En d’autres termes, ^{si l’on} porte ^en ordonnée la racine carrée de la fréquence des têtes de bande des différents éléments et en abscisse, ^le rang de ^ces éléments dans la série périodique, ^les points ainsi obtenus seront en ligne ^droite (1).

NOUVELLES D’ABSORPTION CORUTESPOND,,NT AUX RAYONS X

DE LA sÉn.iE L

Les anciennes mesures d’absorption ^avaient indiqué l’existence

(fig. ~), ^d’une perturbation dans la courbe d’absorption ^des rayions X

au voisinage des rayons L.; mais l’inflexion de la courbe paraissait beaucoup ^{moins nette} que pour les rayons K.

L’analyse speclrographique (2) ^montre qu’il ^{existe en} .réalité dans la région ^{des raies} L, ^bandes d’absor’ption ^{à bord net du}

côté des .grandes longu:eurs ^{d’onde, on} peut ^en compter ^{an moins} trais, ^{dont voici les} positions pour quelques ^{éléments :}

(1) Toutefois, pour les poids atomiques ^{élevés, la} fréquence ^{est un} peu plus grande que ^ne le voudrait la loi.

(2) ^DE BROGLIE, ^C. R., p. 352 ; ^1916.

168

Les bandes 3 sont moins visibles et leur détermination plus d if ficile ; ^les lîg. 1 ^{et 2 de la} planche ^{III montrent} l’aspect ^{de ces} spectres d’absorption.

En comparant ^les positions ^{de ces bandes aux} lignes ^{d’émission}

de la série L, ^on voit que les bandes commencent vers la fin de la

région ^{L du côté} des hautes fréquences; par exemple pour l’ura- nium ^le spectre L s’étend de 9°25’ à 6104’, pour le thorium de 9°55’

à ô°28’, pour le plomb de 19C40’ à 8°0~’, ^{etc. Il est} probable que la série L comprend ^en réalité trois groupes de lignes, auxquels ^cor- respondent les trois bandes.

La position ^{des bandes de l’uranium et} du thorium correspond

aux rangs N ⁼ 92 et N

90, indiquant ^comme pour les spectres

d’émission qu’il ^{existe un} élément inconnü entre ces deux corps.

Enfin, ^en prenant ^{les têtes de bandes} homologues ^de chaque ^élé-

ment et en portant, ^en ordonnées, les racines carrées des fréquences

et, ^en abscisses le rang N, ^on obtient des droites conformément à la loi générale ^des spectres de rayons ^{X .}

L’exi stence de ces phénomènes d’absorption permet ^de préyoir

pour ^les plaques ^{au bromure} d’argent ^une région ^de sensibilité sélective correspondant ^à l’absorption de rayons L du brôme ^et de

ragent (rayons ^très absorbables). ^{Dans cette} région ^un spectre

continu se traduira sur une émulsion au bromure d’argent par trois

bandes foncées pour l’argent ^{et autant} pour le brôme.