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Mesure de la quantité de chaleur dégagée par les sels de radium

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HAL Id: jpa-00242124

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00242124

Submitted on 1 Jan 1905

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radium

A. Laborde

To cite this version:

A. Laborde. Mesure de la quantité de chaleur dégagée par les sels de radium. Radium (Paris), 1905,

2 (3), pp.94-98. �10.1051/radium:019050020309401�. �jpa-00242124�

(2)

Dans le voisinage de Joachimsthal, situé dans la

partie la plus élevée du versant sud, les filons les plus

riches en pechblende sont exploités ; ils se trouvent

dans des schistes qui sont parfois imprégnés de ce minerai, comme l’a montré Sandberger qui a trouvé

de la pechblende dans un ,chiste à scapolite. Les

minerais d’argent se sont surtout formés en dernier

lieu.

Les filons de Johanngeorgenstadt, d’Annaberg, etc.,

situés sur le versant de l’Elbe, sont moins riches que

ceux de Joachimsthal. Un vient de découvrir l’urane

en petite quantité dans de nouveaux gisements de Schlaggen wald 1 .

Des gisements identiques ont été observés à NVitti- chen, à Resl)an-và en Hongrie, à Andrinople en Tur- quie, mais ils sont très peu minéralisés. Ceux de Redruth, en Cornouailles, situés dans une région stan- iiifère, sont assez riches.

Dans les pegmatites, les minéraux d*urane de for- malion secondaire sont surtout l’autunite et la gunl-

nlite; ceux des filons métallifères sont beaucoup plus

nombreux. Les éléments provenant de la décomposi-

tion des minerais (arsenic, soufre, bismuth, cuivre,

baryum) entrent dans la composition de ces minerais

d’urane et il se produit des arséniates, des sulfates d’uranium, etc., caractéristiques des filons de l’Erzge- birge, et qu’on peut aussi rencontrer dans d’autres

régions filonniennes. La mine de Weisser Hirsch

près de Schnccbcrg (Saxe) est remarquable par les

espèces minéralogiques qui y ont été rencontrées.

Les quelques nombres suivants donnent une

idée de l’importance de l’exploitation des minerais

d’urane :

Autriche : 46 tonnes en 1902, valant en moyenne 4528 francs la tonne.

Angleterre : 55 tonnes en 1902, valant 965fr, 02 la

tonne.

États-Unis : 735 tonnes en 1901.

Norvège : 40 tonnes en 1902 valant 834 francs la tonne.

Allel1lagne : 56 tonnes d’urane et de wolfram.

Il résulte de ce qui précède que si l’uranium est par- fois localisé dans quelques régions du globe, où il existe _

en quantité relativement considérable, il est cepen- dant répandu, en petite quantité il est virai, sur toute

la surface de l’écorce terrestre. Par la décomposition

et la désagrégation de la pegmatite sous l’influence séculaire des agents atmosphériques, une certaine quantité de grains d’uraninite a dù être mise en

liberté et ceux-ci à cause de leur densité, de beaucoup plus élevée que celle des autres minéraux, même mé-

talliques, ont du s’accumuler dans certaines poches, n’ayant pu utre entrainées par les eaux. Malheureu- sement, l’uraninite n’est pas très dure, et en outre, elle est assez facilement décomposable. Malgré cela

des recherches faites dans les régions détritiques peu

éloignées des pegmatites donneront peut-être des résul-

tats. C’est ainsi que la thorianite a été trouvée à Ceylan.

Il faut cependant faire remarquer que l’autunite est très friable, assez légère et par conséquent peut être transportée très loin de son gisement, et si l’urani- nite se transforme entièrement dans certaines régions

en autunite, il est évident qu’il ne reste rien dans le voisinage du gisement originel. P. Gaubert,

Docteur ès-sciences, Assistant de minéralogie au Muséum.

Mesure de la quantité de chaleur

dégagée par les sels de radium

UNE des formes les plus importantes sous la-

L quelle se manif’cste l’énergie continuellement

disponible dans les sels de radinm, consiste

en un dégagement constant de chaleur.

Dès que cette propriété eût été mise en évidence,

les diverses hypothèscs déjà énoncées pour rechercher

les causes et l’origine du l’énergie fournie par les corps radioactifs, furent éniises de nouveau et 1. J. HOFFMANN. Uranvorkommen von Schlaggenwald, Zeitqch.

f. praht. Geol., Vol. XII, p. 123) et 172, 1904. L’auteur a étu- die lu radioqactivité des minéraux qu’il a rencontrés l’t a con- -Lth- que

son

intensité n était pas proportionnelle a la (juantite

d’ uranium contenu dans 11’ mineral. L’ordre t’st le suivant en

partant de celui dont la radioactivité est la plus élevée : chal-

colite 303 ’1 B1 d’urane, autunite (52.2). peelmranc (91 81.

KH’- p.’tdit être en rapport avec l’état cristallin.

d’autres théories aussi furent présentées, qui s’efl’or-

cèrent d’expliquer comment un corps pouvait pro-

duire de la chaleur sans aucune déperdition appa-

rente d’énergie soit de la part du corps lui-même, soit

de la part d’une source extérieure. Avant d’aborder

l’analyse de ces hypothèses, il est indispensable de jeter un coup d’0153il d’ensemble sur les différentes recherches expérimentales qui devront plus tard

éclairer la discussion : tel sera l’objet de cette étude.

Obervations et déterminations quantita-

tives du dégagement de chaleur.

-

Devant la production d’énergie continuelle dont les sels de radium sont le siège, il avait été possible d’imaginer a priori

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:019050020309401

(3)

que cette énergie se manifestait aussi sous forme de chaleur. Aucune expérience directe n avait jamais été

tentée dans ce sens, car il était a craindre de se trou-

ver en présence d’un phénomène trop faible et trop difficilement mesurable: mais, au cour’" d’un tram ail conduit Ners un but très différent, un effet inattendu

ne put être attribué par )1. Curie qu’a l’action de la chaleur: M. Curie me lit alors abandonner l’expérience entreprise et nous mîmes le radium a l’étude1.

Ayant placé du chlorure de barium radifère (conte-

nant environ 1/6 de chlorure de radium) dans une petite ampoule de verre -1 (fig. 1) et dans une ampoule identique A’ du chlorure de harium pur, il

Fig’, 1.

-

Premier dispositif employé pour déceler la chaleur

dégag-éc par le radium.

s’agissait dc déceler une différence de température

entre les deux corps comparés. Dans ce lmt, les deux petites ampoules AA’ étaient placées chacune dans

une autre enceinte de verrue BB’, l’ensemble du sys- tème étant enferlné dans une hoite de plomb CCCC enveloppée de coton dans une boite de bois DDDD.

En prévision d’une diffërence du température assez faihle, nous avions installé dans les ampoules A et A’

les soudures d’un couple thermo-électrique (fer, cons- tantan) relié a un galvanomètre sensible (galvano-

mètre à carcasse métallique Dubois-Rubens). Les

connexions entre le couple thermo-électrique et le galvanomètre étaient établies par l’intermédiaire d’un

1. P. CURIF l’t A. LABORDE. C. H. Pari·. 16 mars 1903.

commutateur à inversion enveloppé d’ouate dans une

boîte (FFFF) et man0153uvré de l’extérieur par une

tige T.

Avant pris ces précautions et étalonné le gai B ano-

mètre afin de pouvoir lire aisément une différence de

température de 1/100 de degré entre les soudures du

couple thermo-électrique, nous constatâmes rapide-

ment dans une première expérience que la différence de température était d’un tout autre ordre de gran- deur : 11 fallut diminuer la sensibilité du galy anomètre

et nous observâmes alors que dans les conditions de

l’expérience, la différence der température entre les

deux ampoules A est A’ était de 1°,5 centigrade, l’ampoule contenant le chlorure de barium radifére accusant la température la plus élevée.

Il était dès lors démontré que les sels de radium

dégagent de la chaleur.

Plus tard, M. Ciirie a cu l’idée de mettre plus sim- plement cette différence de température eu évidence à

l’aide de deux thermomètres ii mercure ordinaires qui plongent chacun dans un vase isolateur thermique à

vide de Dewar; dans l’un des vases de Dewar l’on

peut nlettre une ampoule contenant par exemple

7 décigrammes de bromure de radium pur et dans l’autre une substance quelconque : du chlorure de harium.

Le col des isolateurs étant fermé par du coton, le thermomètre qui se troue dans le même vase que le

radium, indique constamment une température stipé-

rieure de 5 degrés à celle Indiquée par l’autre thermomètre 1.

**

*

Des déterminations quantitatives de la chaleur dégagée par les sels de radium furent faites par diffé-

rents auteurs et par drivers procédés.

1 la suite de l’expérience qualitative précédem-

ment décrite, nous avons fait une expérience quanti-

tative semblable dans laquelle l’isolement calorifique

de l’appareil était plus parfait, comme le montre la figure 2, et dans laquelle la chaleur dégagée par le radium était mesurée par comparaison wu’ la chaleur dégagée dans les mêmes conditions lui fil de pla-

tine iridié de résistance connue, parcouru par un courant électrique d’intensité connue.

La quantité de chaleur ainsi trouvée était assez

grande pour être mesurée directement à l’aide d’où calorimètre de Bunsen à fusion de la galce (fig. 3).

Ce procédé de mesure présente une grande précision

si l’on prend certaines précautions : en effet te déga-

gement de chaleur est mesuré par ta vitesse de fusion,

sous l’action du radium, du manchon de glan’ formé

autour du tube intérieur du calorimètre : il importe

donc que ce manchon de glace soit exactement en équi-

1. P. CERIE. Société de Physique, l’ans, 3 juillet 1903.

(4)

libre avant, pendant et après l’experience. Onarrive à

ce résultat PU plongeant le calorimètre dans de la

glace fondante ; niais il est indispensable que l’eau du

Fig. 2. 2013Nouveau dispositif avec emploi des vases isolants Dewar.

A. A’. Ampoules de

verre

contenant le bromure de radium et le chlo-

rure de barium : B. B’. blocs de laiton; C, C’. cavités creusées dans les blocs de laiton et ou sent fivées soudures du couple thermo-

electrique; D, D’.

vases

isolateurs thermiques à vide de Dewar, argentes interieurement ; D. D. E. E,

vase

cylindrique

en

laiton

rem-

plus d’eau et formant ceran : F, F. F. F. calorimètre rempli d’eau.

calorimètre et que la glace fondanto do l’enceinte for- mant thermostat soient très pures, car la moindre

impureté dans l’une d’elles fait varier sa température

Fig. 3. 2013 Emploi du calorimètre Bunsen.

AAA, isolateur the mique : BB, tige capilaire;

M. mercure; LF,

eau

du caloumètre ; GG, manchon de glace : r. ampoule de radium; a,

niveau

du mercure,

dl’ fusion et il en résulte une fusion ou une formation constante de la glace du calorimètre. Comme une expé- rience pouvait durer assez longtemps (2 h. environ)

nous aBiuus renfermé tout le système dans un vase

isolateur thermique à vide de Dewar ilflil que la glace

fondante formant thermostat put rester un temps très

long sans être renouvelée.

L’expérience consistait â mesurer pendant trois quarts d’heure environ la vitesse de déplacement du

mercure dans la tige capillaire oit il se met en mou-

vement sous l’action de la diminution de volume de la

glace fondue par l’effet du radium.

Deux observations de contrùle étaient faites avant et après l’expérience, afin de s’assurer que le mercure restait stationnaire pendant au moins une demi-heure quand la glace n’était pas soumise â la chaleur du radium.

Plus tard, MM. Curie et Dewar 1 ont mesuré le

dégagement de chaleur du radium en l’utilisant pour faire bouillir un gaz liquéfié et en mesurant le

volume du gaz qui se dégage en un temps donné.

Par ce procédé, différents gaz ont été étudiés ; par

exemple : le chlorure de méthyle (2013 21°), l’oxygène liquide (- 180°), l’hydrogène liquide (-- 252°).

Fig. 4.2013Calorimètre différentiel à air, de 3DI. Rutherford et Barnes.

AA , tuhes

en

verre oit l’on plong-eait le corps étudié ; BB, ballons (1

1 litre remplis d’air. dont la dilatation se mesurait

a

l’aide d’titi

ma-

nomètre a xylène; C. manomètre à 53 voies

EEEE, eau à temperature constante.

llsl. C. Runge et J. Precht2 ont fait également des

mesures du dégagement de chaleur du radium en

observant simplement la différence de température de

deux thermomètres à mercure placés dans des vases

de I)cwar, comme il a été dit précédemment, et

MM. Rutherford et Barnes3 ont fait des mesures ana-

logues soit à l’aide d’un calorimètre différentiel à air

(lig. 4), soit par l’observation de la variation de résis- tance d une bobine de fil de platine échauffée par un sel de radium placé à l’intérieur. La quantité de cha-

leur dégagée par lc radium était comparée à la quan-

tité de chaleur dégagée par une bobine de lils de man-

ganine d’une résistance de 50 ohms parcourue par un

courant électrique.

Enfin 1I. Knut Angström4 a effectué sur un même

échantillon de bromure de radium des mesurcs du

dégagement de chaleur espacées sur un intervalle de 7 mois, en utilisant soit la méthode du couple thermo- électrique, soit un calorimètre genre Bunsen u dilata-

1. British Association. 1003.

2. Sitr. Akad. 11-iss. Berliu, 23 juillet 1903.

3. l’hil. 31ag. Février 1904.

4. KNUT ANGSTRÖM: Meddelande fran Upsala Universitets

l’ysiska Institution, 11 mai 1904.

(5)

tion de ra1coo]: il n’a pas observe que le phénomène

s’afftaiblit avec le temps.

***

Pour ces expériences, les différents observateurs

disposaient de quantités de radium différentes : Dans la première expérience nous disposions de 7 déci- grammes de bromure de radium pur ; la même quan- tité a servi plus tard aux expériences de MM. Curie et

DeBvar. M. Angström a travaillé avec 1 décigrammc de

bromure de radium pur; MM. Runge et Precht pos- sédaient seulement de cc sel 57 milligrammes, et

MM. Rutherford et Rames ;)0 milligrammes.

Des dernières expériences effectuées par Curie et Dewar, il résulte que la quantité de chaleur déga- gée en une hcure par 1 gramme du corps simple

radium est de 100 petites calories.

Ce nombre est obtenu en supposant clue, dans le sel

de radium étudié, l’énergic fournie provient du corps

simplc radium, considéré comme ayant le poids ato- Inique 225 déterminé par Mme Curic.

Les résultats ainsi calculés d’après les travaux des

différcnts auteurs cités divergent d’ailleurs sensible- mcnt depuis 100 jusqu’à 110 petites calories.

Relations entre le dégagement de chaleur du radium et ses propriétés radioactives.

-

Abstraction faite du dégagement de chalcur, on sait

que dans un tube scellé contenant un sel de radium celui-ci dégage continuellement une émanation capable

de produire le phénomène de la radioactivité induite sur

les corps solides contenus à l’intérieur du tube, tandis

que d’ailleurs cette émanation et sa radioactivité induite se détruisent spontanément à chaque instant

en passant par des transfornlations successives.

En même temps le tube scellé se comporte comme

une source d’émission de rayonnements divers (rayons x, B,y) dont les propriétés distinctive3 sont aujourd’hui

bien connues.

Des expériences ont été faites qui démontrent qu*il

existe une relation entre ces manifestations d’énergie

et le dégagement de chaleur.

M. P. Curie avait observé que si l’on mesure la chaleur dégagée par un sel de radium récemment pré- paré on par une solution de radium enfermée en tube scellé, la quantité de chaleur fournie dans les deux cas est d’abord relativement faible, puis, qu’elle augmente

ensuite continuellement et tend vers une valeur déter- minée qui n’est pas encore tout à fait atteinte au bout d’un mois : cette valeur étant d’ailleurs la même dans le cas du sel dissous et dans le cas du sel solide.

Ce phénomène pouvait alors s’expliquer t’ll consi-

dérant que l’accroissement du dégagement de chaleur correspondait à l’accumulation de 1 émanation dan le sel et à la formation de la radioactivité induite.

C’est ce que ’DL Rutherford et Rarnes ont pu vé- rifler directement par la suite en mesurant simultané- ment les quantités de chaleur dégagées individuellement par un sel de radium d où l’émanation avait été chas- sée et par cette émanation elle-même.

Connaissant la valeur de la chaleur dégagée par le sel de radium, a l’origine (c*est-à-dire avant qu’on lait privé de son émanation et quand il a atteint sa limite d’activité), MM Rutherford et Barnes ont chaull’é for- telnent ce sel de radium et ont recueilli l’émanation

qui s’en dégageait en la condensant à la température

de l’air liquide.

Puis ils ont suivi, à partir de cet instant, les lois de variations de la production de chaleur avec le temps pour le radium et pour son émanation.

Ils ont trouvé qu’a chaque instant la somme des

quantités de chaleur fournies par chacune des parties

était constante et égale à la quantité de chaleur pro-

duite ) l’origine.

Mais, tandis que le dégagement de chaleur produit

par le sel de radium décroit d’abord pendant quelques heures, jusqu’à représenter seulement 23 pour J 00 du dégagement initial, le dégagement de chaleur dû à l’émanation, croit au contraire pendant le

meme temlls ; l’émanation produit alors llrl maxi-

mum de chaleur à partir duquel cette production dinii-

nue suivant une loi exponentielle justju’à s’annuler ;

et en mèiiie temps le sel de radium produit un infini-

mum de chaleur pour ensuite fournir un dégagement

de plus en plus grand jusqu’à ce qu’une limite soit

atteinte qui est précisément la valseur primitive du dé- gagement de chaleur.

MM. Rutherford et Rames représentent ce résultat

par des courbes (fig. 5) et ils ohservent que des

Fig. 5.2013 Variation -le la quantité de chaleur degage par un sel de radium chauffe A, et de celle de la manation recueil- lie pendant la chauffe B.

courbes identiques représentent la variation de la ra-

dioactivité dll sel de raâium et clt’ son émanation à

partir de lïnstant oii on les a séparés, cette radioacti-

vité étant 111esurél’ par l’énergie des rayons J..

Si nous envisageons alors que dans lc cas de l’éma- nation par exemple lu première partie de la courbe jusqu’au maximum correspond à la formation de la radioactivité induite sur les parois du tube contenant

l’émanation et que dans le cas dn sel de radium le

(6)

minimum observa correspond au contraire a la dispa-

rition de la radioactivité induite laissée derrière elle par 1 émanation, on pourra, des résultats indiqués, dé-

duire que l’ensemble de l’émanation et de la radioac- tivité induite fournit environ 75 pour 100 de la cha- leur totale dégagée par le sel de radium.

Dans le but de séparer les rôles de l’émanation et de l’activité induite dans la production du dégagée-

ment de chaleur MM. Rutherford et Barnes firent des

expériences rapides dans le début de la courbe jusqu’au maximum, mais la transformation de l’émanation en

radioactivité induite s’enectue au début avec une

grande rapidité et les conditions d’expérience ne leur

ont pas permis d’obtenir un résultat définitif.

Toutefois, considérant que les courbes qui mesurent

la radioactivité par l’énergie des rayonnements 8 et y

ne sont pas identiques à celles que fournissent l’étude du dégagement de chaleur (car en effet lorsque l’acti-

vité induite du sel de radium privé de son émanation

a disparu les rayonnements 3 et y sont sensiblement

nuls), MM. liutherford et Barnes déduisent de leurs

expériences que les variations des dégagements de cha-

leur du radium et de son émanation sont sensiblement

proportionnelles aux variations de leurs activités me-

surées par les rayons x.

Ces résultats se trouvent confirmés par un ensemble de plusieurs travaux qui ont démontré que les rayons

B ut y intervenaient d’une façon négligeable dans la production de chaleur des sels de radium : MM. Runge

et Precht ont mesuré la chaleur dégagée par un sel de radium’ 1 enfermé dans une mince enveloppe de verre puis ils ont fait à nouveau la mesure en enveloppant l’ampoule dans une feuille de plomb de 3 millimètres

d’épaisseur : dans les deux cas les résultats furent identiques dans la linlite des crrcnrs d’expérience :

ceci montre que l’absorption des rayons a et y par le

plomb ne produit pas sensiblement de chaleur.

Ce fait avait déjà été observé dans les mémes condi- tions par MM. Curie et moi lors de nos prcmi¡’res expériences. Plus tard M. Angström puis successive- ment MM. Shuster2, Paschen, Rutherford et Barnes

ont observ que l’absorption des rayons B et y augmen-

1. Les auteurs employaient 57 milligrammes de bromure de radium appartenant a M. Giesel.

2. Nature. 23 novembre 1903.

tait seulement de 2 à 3 pour 100 la valseur du dégage-

ment de chaleur.

Il semble alors que l’on peut considérer à l’heure actuelle la presque totalité de la production de chaleur

les sels de radium comme directement liée à l’énergie

des rayons x bien que l’on n’ait pu réaliser aucune

expérience directe de contrôle dans laquelle les rayons

x n’auraient pas d’action. En tout cas, avancer MM. Rutherford et Barnes, le dégagement de chaleur

accompagne les transformations successives du ra-

dium .

Il reste a séparer, disent-ils, les effets dus respecti-

vement à l’énergie cinétique des particules cc et à la réorganisation des atomes désagrégés d’où ces parti-

cules sont chassées.

Et tandis que ces auteurs restent partisans de l’hy- pothèse d’après laquelle une transformation atomique

du radium serait la source de toute cette énergie,

d’autres auteurs comme M. Alckroyd 1 défendent l’hy- pothèse d’après laquelle le radium serait le véhicule d’une énergie étrangère captée, tranformée et res-

tituée.

Je dois d’ailleurs dire qll’ll reste à l’heure actuelle peu de partisans de cette seconde hypothèse, car les

derniers travaux effectuées au sujet de la production

d’hélium par les sels de radium et au sujet de la

transformation possible de l’uranium en radium in-

diquent que les corps radioactifs doivent être en voie d’évolution et doivent tendre vers un état d’équilibre

final. Quoi qu’il en soit, nous sommes en présence

d’une source d’énergie considérable dont on aperçoit

difficilement le terme si l’on se rapporte au calcul présenté par ’BIM. Runge et Precht et d’après lequel

un gramme de radium perdrait en mille années moins de un demi-milligramme de son poids si l’on admet-

tait que les particules projetées avaient seulement une

vitesse égale a I/10 de la vitesse de la lumière.

A. Laborde,

Préparateur de M. Curie.

’1. Nature, 28 janv. 1904.

2. Diverses images ont été données de l’ordre de grandeur

de ce dégagement de chaleur :

-

1 gramme de radium or- gage en une heure suffisamment de chaleur pour fondre sois

poids de glace;

-

1 centimètre cube d’émanation émettrait une

quantité de chaleur suffisante pour fondre mn tube mince qui

la contiendrait; à la température et n la pression normales.

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