Étude de l'énergie dégagée par l'ionium

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Étude de l’énergie dégagée par l’ionium

L. Winand

To cite this version:

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

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.)

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}

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.