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Étude de l’énergie dégagée par l’ionium

L. Winand

To cite this version:

(2)

ÉTUDE

DE

L’ÉNERGIE DÉGAGÉE

PAR L’IONIUM Par L. WINAND.

Institut du Radium. Paris.

Sommaire - Au moyen d’un calorimètre adiabatique nous avons étudié le dégagement de chaleur d’un mélange d’oxyde de thorium et d’ionium (Th O2 + Io O2) de poids atomique connu. Adoptant le parcours de 3,194 cm mesuré par Geiger pour les rayons alpha de l’ionium, nous avons trouvé la valeur

18,94 104 pour le nombre de rayons alpha émis par mg de mélange par seconde. Nous en déduisons la

valeur 116 000 ans pour la vie moyenne de l’ionium, en bon accord avec les déterminations de Soddy et Mme M, Curie et Mme Cotelle. Admettant, au contraire, le nombre de rayons alpha trouvé par ces derniers auteurs travaillant avec le même mélange, nous calculons l’énergie et le parcours des rayons alpha de

l’ionium, qui sont respectivement 4,751.106 eV et 3,28 cm.

Si on

dispose,

à l’intérieur d’un

corps C,

une source

radioactive S,

tout ou

partie

de

l’énergie

que cette

source émet sous forme de

rayonnement

est absorbé par le corps C dont la

température

s’accroît

progressi-vement. Si l’on

peut

réaliser des conditions

d’expéri-mentation telles que cet échauffement se fasse sans

échange

de chaleur avec le milieu ambiant on pourra

calculer la

quantité d’énergie

émise sous forme de

rayonnement

si on connaît la

capacité calorifique

de C.

De nombreux

dispositifs

ont été

proposés

dans ce

but. Un de ceux-ci est le calorimètre

adiabatique.

Le

principe

de cet

appareil

consiste à enfermer le corps C dont on veut mesurer les variations de

tempé-rature dans une enceinte E de

grande capacité

calori-fique

dont on

peut

faire varier la

température

au moyen d’une source extérieure de chaleur. On maintient

cons-tamment

égales

les

températures

de l’enceinte E et du corps C. De cette

façon

le corps C

n’échange

aucune

quantité

de chaleur avec l’extérieur. On

substitue,

à la

mesure de l’élévation de

température

de

C,

celle de E

qui

lui est

rigoureusement égale,

du moins dans des .conditions

expérimentales

idéales.

Le calorimètre que nous avons

employé

est du

mo-dèle

proposé par

Swietoslavski

qui

a

inspiré

directe-.

ment la

réalisation

faite à l’Institut du Radium par M. Sanielevici

(1).

Nous avons

repris

cette installation

en lui

apportant

des modifications de détail destinées

à améliorer son

fonctionnement,

notamment en ce

qui

concerne l’échauffement de l’enceinte et le circuit

gal-vanométrique.

Nous allons donner ci-dessous une

description

de ce

calorimètre,

en insistant surtout sur les détails

qui

dif-fèrent de l’installation de M. Sanielevici.

Calorimètre

proprement

dit. -

C’est ainsi que

nous

appellerons

le corps C dont on mesure l’élévation de

température.

Sa nature et ses dimensions

dépendent

de

l’expérience‘

à réaliser. D’une manière

générale

cependant,

il est nécessaire d’utiliser un corps dont la

capacité calorifique

soit la

plus petite possible

-

pour

augmenter

l’élévation de

température correspondant

à

un même débit de chaleur - et de lui donner une

forme

qui

réduise au minimum les

échanges

de chaleur (1) SANIELEVICI. Thèse, Paris, 1936.

avec l’enceinte. Pour la

suspension

de C dans l’enceinte nous utilisons des fils de soie très fins - réduction des

échanges

par conduction.

Enceinte et cuve

calorimétrique. -

Ce sont celles

employées

par M.

Sanielevici,

une

description

détaillée en est donnée dans sa thèse

(loc. ciL.).

L’en-ceinte est un

cylindre

en cuivre rouge

épais

fermant

hermétiquement.

Elle est

plongée

dans une cuve,

éga-lement en cuivre rouge,

remplie

d’eau,

qui

constitue le

bain dont on fera varier la

température.

Deux tubes

courts,

placés,

l’un sur

l’enceinte,

l’autre sur la

paroi

de la cuve, sont coiffés d’un tube de caoutchouc

qui

sert au passage des connexions des

couples

thermoélec-triques.

Le tout est

placé

dans une cuve en bois

soigneuse-ment

calorifugée,

à l’avant de

laquelle

est réservé un

compartiment

où sont installés le

galvanomètre

et le

coupleur

dont il sera

question plus

loin.

Fig.i.

Le bain est muni d’un

trop-plein

à

siphon qui

main-tient constant le niveau de l’eau

malgré

l’apport

conti-nuel d’eau chaude

(fig. 1).

Le

dispositif qui

permet

d’envoyer

à volonté de l’eau chaude dans la cuve a été réalisé de la

façon

sui-vante :

Une bouilloire

électrique

de 350

ivatts,

d’une

conte-nance de ‘~ 1 est

placée

à

2,50

m du sol

environ,

sur une

étagère

qui surplombe

la table de mesures. Elle est munie d’un

dispositif

à niveau constant

analogue

à ceux

des bains-marie

employés

couramment par les chi-mistes. Cet

appareil

est

constitué,

comme le montre la

(3)

430

figure 2,

par un

petit

réservoir,

à la

partie supérieure

duquel

débouche la

tuyauterie

d’alimentation d’eau froide

(distribution

sous

pression).

Ce réservoir est en

communication avec la bouilloire par une tubulure soudée au niveau désiré. Un tube de

trop-plein

permet

l’évacuation de l’eau en excès. Un

siphon

est amorcé au

fond de la bouilloire. Il

amène,

au moyen d’un tube

épais

en caoutchouc l’eau chaude à un robinet

Fig. 2.

placé

sur la table. Un autre tube conduit ensuite l’eau

du robinet au fond de la cuve où il débouche par un tube en verre

percé

de trous fins

qui

entourent

l’en-ceinte,

afin

d’assurer

une distribution

rapide

de l’eau

dans tout le

volume

du bain. Le robinet que nous avons

adopté

finalement est un robinet en

laiton,

graissé

au

graphite-lubrifiant

spécial pour les

canalisations d’eau chaude. Nous avons

p.réfèré

le métal au verre pour la

construction du

robinet,

parce que celui-ci doit

per-mettre une manoeuvre

rapide

- ouverture et fermeture

se succédant très

rapidement

- difficile à réaliser avec

un robinet en verre,

beaucoup plus fragile.

Un

réglage

supplémentaire

est fourni par une résistance

placée

en

série avec la bouilloire

qui permet

de réduire l’inten-sité du courant de

chauffage.

Ce

dispositif présente

une

inertie très

faible,

c’est-à-dire que

quelques

seconde seulement suffisent pour

augmenter

de

façon

uniforme la

température

du bain. Il ne demande aucun entretien ni aucune surveillance

puisque,

à cause du niveau

constant,

la bouilloire ne chauffe

jamais

« à sec o . Un tube

métallique percé

de trous est

placé

au fond de la cuve. On y fait passer de l’air

comprimé

dont le

barbotage

dans l’eau du bain

augmente

encore la

vi-tesse d’uniformisation de la

température.

Les mesures des différences de

température

sont faites à l’aide d’un ultra-thermo-mètre de Beckmann dont la

graduation

entière

corres-pond

à un

degré

centigrade

et

qui

peut

être

réglé

pour fonctionner -entre x

-~-

1

degrés.

La

plus petite

divi-sion est de 9 0-3

degré

centigrade

et une

loupe permet

de

lire

approximativement

1/4

due division. La notice fonrnie par le constructeur

(Siebert

et

Kuhn,

Kassel)

indique

que le thermomètre doit être

plongé dans

le bain sur toute la

longueur

du réservoir de mercure

jusqu’au

bas de l’échelle.

L’étalonnage

est effectué par la P. T.

8,.,

de Berlin.

Galvanomètre. - C’est un

appareil

à cadre

mo-bile de

Kipp

et Zonen

(Delft).

Il est

réglé

de

façon

que les oscillations soient

apériodiques.

Sa sensibilité est de 1 mm de

déplacement

du

spot

sur l’échelle

placée

à 1 m pour

3,6. ~.0-~ V

aux bornes.

Couples thermoélectriques. -

Les

couples

qui

indiquent

la différence de

température

entre C et E’ sont des

couples

Cuivre-Constantan

(0,2

mm de

dia-mètre,

isolement

soie).

Les fils sont d’abord

torsadés,

puis

soudés à l’étain pour éviter

l’oxydation

du métal.

Coupleur. -

La méthode de mesure est une mé-thode de zéro. En

effet,

la différence de

température

entre C et .~ doit constamment rester

nulle,

autrement

dit,

il faut maintenir le

spot

du

galvanomètre

au zéro

en échauffant

graduellement

le bain. Il est donc néces-saire de déterminer avec

précision

ce zéro. De

plus,

de

petites

variations de cette

position

pouvant

se

produire

pendant

une mesure, il est

indispensable

de

pouvoir

le vérifier Mssi souvent que

possible.

Cela ne

pouvait

être réalisé avec un inverseur

bipolaire

ordinaire. Nous

avons constaté en effet au cours de nombreux essais

préliminaires

que de grosses

pertubations pouvaient

être

apportées

par la

présence,

dans le circuit

galvano-métrique,

de cet

appateil, qui comporte

de nombreux

Fig. 3.

)

contacts entre des métaux différente. C’est

pourquoi

nous avons fait construire un

coupleur

dont tous les

éléments sont en cuivre rouge pur. Il est du modèle

reproduit

sur la

figure

3 et

permet

les trois

combinai-sons suivantes :

couples

branchés sur le

galvanomètre

dans l’un ou l’autre sens,

galvanomètre

en court-cir-cuit. Les contacts sont semblables à ceux utilisés

par-tout sur les boîtes de résistances de

précision.

Les

diverses combinaisons sont obtenues par le

déplace-ment de cônes en cuivre rouge rodés. Pendant une mesure trois fiches sont

placées

en permanence

bran-chant les

couples

dans le sens choisi.

(Voir

f ig.

3

bis.)

(4)

avons pu nous rendre

compte qu’une

mesure était nota-blâment faussée si on

maintenait,

pendant

quelques

ninutes

seulement,

le

spot

dans une

position

différant

du zéro vrai de 1 ou 2

divisions,

ce

qui

est évident

puisque

dans oc cas on maintient

pendant

un

temps

non

négligeable,

entre le corps C et l’enceinte

J5,

une

petite

différence de

température.

La mesure d’un débit de chaleur

comprend

donc les

opérations

suiventes :

1.

Repérage

de la

position

zéro du

spot

sur

l’échelle;

2.

Egalisation

de la

température

de C et

E;

3. Lecture de la

température

de

11{;

4. Maintien du

spot

du

galvanomètre

au zéro

pendant

toute la durée de la mesure. Comme de

petites

dévia-tions sont

inévitables,

on

s’arrange

pour que les durées

des déviations de

part

et d’autre du zéro soient sensi-blement

égales;

5. Lecture de la

température

finale

Y 2.

On a déterminé par ailleurs très

soigneusement

la

ma’sse du

calorimètre,

celle du tube de verre contenant la substance

(éventuellement)

celle de la substance

elle-même,

ainsi que leurs chaleurs

spécifiques.

Le débit de chaleur

Q

sera donné par la relation :

dans

laquelle :

r2

et

1~1

sont les

températures

finale et initiale

du

bain;

M et C la masse et

la

chaleur

spécifique

du

calo-rimètre ;

ln et c la masse et la chaleur

spécifique

de la

subs-tance ;

V et v la masse et la chaleur

spécifique

dû verre

(ampoule).

Avant

d’entreprendre

les mesures

qui

font

l’objet

due cette

publication

nous avons

procédé

à une vérification du fonctionnement du calorimètre en mesurant

l’éner-gie dégagée

par une

ampoule

de radium

de 2, t 7

mg.

Nous avions tenu

compte

de l’accumulation de

polonium

depuis

la dernière

purification

de cette

ampoule.

Les résultats ont confirmé les mesures faites par M.

Zlo-tovski et

publiées

au Journal de

Physique.

Nous avons commencé alors des mesures avec un

mélange d’oxyde

de thorium et d’ionium.

Une certaine

quantité

de ce

mélange

de

poids

ato-mique

connu

(méthode

de

Honigschmid

et

Horowitz)

a été mise à la

disposition

de Mme M. Curie par yI. le

Pr S.

Meyer.

Le

poids atomique

de cette

préparation,

provenant

de

Jachymov,

permet

de calculer la

quantité

d’ionium contenue dans une

quantité

donnée de sel. On

sait que

100,1 mg de

sel contiennent d’ionium. La mesure du

dégagement

d’énergie

par le

mélange

peut

être utilisée de deux manières différentes : 1. Connaissant

l’énergie

d’un rayon oc due Io et la

(*) Un traitement théorique complet est donné par M. Sanie-levici (loc. cil.).

quantité

de ce corps

présente,

on

peut

déterminer le

nombre de rayons a émis dans un

temps

donné et en

déduire la valeur de la constante radioactive des

l’ionium ;

2. Admettant pour le nombre de rayons cc émis par

mg de sel et par seconde la valeur trouvée par Nlarie. Curie et Cotelle par la mesnre de l’accumulation du radium dans le

mélange,

on

peut,

au

contraire,

calculer

l’énergie

d’un rayon a. Cette détermination

est

indépendanle

du

rapport

thorium-ionium dans le°

mélange, puisque

la

préparation qui

a servi à cette

étude est la même que celle utilisée par ces auteur pour la détermination du nombre de rayons émis.

Dispositif expérimental. -

Nous avons

employé

une

ampoule

de 234 mg de sel. Il a été

purifié,

par Mme

Cotelle,

du radium accumulé

depuis

10 ans. Le

verre de

l’ampoule

avait une masse de f92 mg.

Le calorimètre

proprement

dit était un

cylindre

en

plomb

pesant 9,908

g.

La

capacité calorifique

de l’ensemble était

0,~~7~

cal/deg.

Elle était

répartie

de la

façon

suivante :

L’élévation horaire de

température

mesurée était

77,1

10-3oC. Elle

correspond

à un

dégagement

d’éner-gie

de :

Cette

quantité

de

mélange

contient :

25 1

X 234

_ ,..

100,1

-

58,67

mg d’ionium.

10011

Le nombre d’atomes d’ionium

présents

est ainsi :

6,064

1023

i ‘ w

1 1’46 i020

230 - ,

J .

L’énergie

mesurée est la somme de

l’énergie

des. rayons x de l’ionium et des rayons de recul dont

l’énergie

est

4/230

de celle des rayons i. Il

faut y

ajouter

celle des

rayons j3

et y mous del’ionium dont nous ne

possédons

pas d’évaluation. Comme l’ionium est émet-teur de

particules

« nous supposons que cette

énergie

est très faible

comparée

à celle

qui

est émise lors des

désintégrations

x.

L’énergie

due au thorium et à ses dérivés

présents

peut

être

négligée

car elle ne serait pas mesurable avec

ce

dispositif

et les

quantités

de substance

employées.

Calcul de la vie moyenne de l’ionium. - La constante radioactive de l’ionium sera donnée par le

(5)

432

Pour obtenir le nombre d’atomes

désintégrés

par unité de

temps

nous diviserons

l’énergie

totale par

l’énergie

d’un rayon a à

laquelle

nous aurons

ajouté

l’énergie

de l’atome de recul.

L’énergie

d’un rayon a est donnée dans la table annexée au Traité de Radioactivité de M’°e Curie

(1).

Elle est calculée à

partir

de la valeur

expérimentale

du parcours mesuré par

Geiger

en 1921

(2)

et

égale

à :

L’énergie

du rayon de recul est : .

L’énergie

totale émise dans une

désintégration

est ainsi :

(0,742

+

0,031)

10-5 erg -

1,~ I ~.lo-i3 cal,

et le nombre de

désintégrations

par seconde est :

pour 234 mg de

sel,

soit :

42310

2 34

®

18,04.104

par seconde et par mg de sel.

234 - ’

La constante radioactive de l’ionium est alors :

,,et la vie moyenne

(ho

-- ~, 73 . 1 ~.0-_ _13

= ~. I. 6 000 an s

la

période

ayant

la valeur

7’io

= 80 000 ans.

Mme Curie et Mue Cotelle

(3),

travaillant avec la

même

préparation

de Th ± Io ont mesuré l’accumula-tion de radium et en ont déduit les valeurs

suivantes :

Nombre de rayons a par mg sel par sec :

17,70.10~’.

Constante radioactive de

Io :

(8,43.10-6 a-1)

2,67.10-13

sec Vie moyenne de

Io :

1~9 600 ans.

Période : 82 000 ans.

D’autre

part

Soddy

(4-),

en mesurant l’accroissement de radium dans l’uranium

purifié,

a

indiqué

comme

valeur de la vie moyenne de l’ionium la valeur de i 10 000 ans. Mais il a utilisé dans ses calculs la valeur 2 375 ans pour la vie moyenne du radium alors que la

valeur admise maintenant est de 2 280 ans. Il en résulte

,une correction

qui porte

la valeur de la vie moyenne

(’)

Mme M. CURIE. Radioactivité, Hermann, 1935.

(2) GEIGER. Zeit. f. Phys., 1921, 8, 45.

(3) Mme P. CURIE et Mme S. COTELLE. C. R., 9930, 190,1289.

«4)

SoDDY. Phil. Mag., 1921, 47, 1148.

-déduite des

expériences

de

Soddy

à 114 000 ans.

Il faut

ajouter

encore que la

précision

de nos mesures est de 1 pour 100 sur la valeur du

dégagement

d’énergie.

La valeur que nous

indiquons

pour

),Io

est une

valeur intermédiaire entre celles données par Mme Curie

et

Soddy àt

en accord très satisfaisant avec celles-ci. Calcul de

l’énergie

d’un rayon

alpha. -

Si on

admet la valeur donnée par M’ne Curie et Mme Cotelle pour le nombre de rayons a émis par un mg de

subs-tance on

peut

calculer ainsi

l’énergie

d’un rayon a.

Le nombre de rayons émis par 234 mg de sel est :

L’énergie

totale émise par heure est

27,55.10-3

cal. Elle

comprend

l’énergie

des

particules

a, des noyaux de recul

(environ 2

pour 100 de

celle-ci)

ainsi que

l’énergie

des

rayons ~

et des rayons y mous que nous

ne pouvons évaluer mais

qui

est faible vis-à-vis de

l’énergie

de

désintégration

a.

L’énergie

émise dans une

désintégration

est donc :

et

l’énergie

d’une

particule a

si on

néglige l’énergie ~

et y

mous sera donnée par :

dans

laquelle

W «

est

l’énergie

de la

particule

a et

W,

celle

dégagée

par la

désintégration,

on trouve ainsi : -.

i 847 102013

_

=

1,847.10-13

815.I0-13

cal

0,756.1.0-5

erg

== 4,751.1 06

eV. La valeur de

W,

calculée à

partir

du parcours de

Geiger (loc. cit.)

3,194

cm, est

~,6n0.106

eV. La

diffé-rence

(+

O,U91

X 10~

eV)

entre ces deux

énergies

con-duirait à un parcours de

3,28

cm pour les rayons

alpha

de l’ionium.

Ce travail a été

entrepris

à l’Institut du Radium. Nous

exprimons

ici toute notre reconnaissance à M. Debierne

qui

a bien voulu nous

permettre

d’y

séjourner

pendant

l’année 1937. Nous remercions vive-ment M. et MI- Joliot-Curie pour leur constante solli-citude ainsi que M.

Zlotowski,

pour les discussions où il nous a

apporté

l’aide de son

expérience.

Nous tenons aussi à

témoigner

notre

profonde gratitude

envers le

Patrimoine de l’Université de

Liége

qui

nous a assuré le bénéfice d’une subvention

permettant

notre

séjour

à Paris

pendant

cette année

académique.

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