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Etude expérimentale des directions d’émission des photoélectrons
Pierre Auger
To cite this version:
Pierre Auger. Etude expérimentale des directions d’émission des photoélectrons. J. Phys. Radium, 1927, 8 (2), pp.85-92. �10.1051/jphysrad:019270080208500�. �jpa-00205283�
ETUDE EXPERIMENTALE DES DIRECTIONS D’ÉMISSION DES PHOTOÉLECTRONS
par M. PIERRE AUGER.
Sommaire 2014 Les photoélectrons arrachés à la matière par un faisceau de rayons X
ne sont pas projetés uniformément dans tout l’espace. Pour un rayonnement non pola- risé, la densité de l’émission dans une certaine direction ne dépend que de l’angle qu’elle fait avec l’axe de propagation des rayons X. La répartition spatiale qui résulte de celte relation a été étudiée ici par la méthode de condensation, grâce à la photographie simul-
tanée dans deux directions rectangulaires. Les mesures, représentables par des courbes,
ont été faites dans six cas différents; elles ont permis d’obtenir les caractères principaux de la répartition: 1° Sa forme générale est bien définie et résulte d’une large distribution de part et d’autre d’une direction privilégiée d’émission voisine de 90°; elle n’est que peu altérée par les variations des conditions expérimentales. 2° Elle peut être caracté- risée, dans chaque cas, par la valeur de l’angle moyen, c’est-à-dire du demi-angle au
sommet du cône qui la partage en deux moitiés d’égale importance ; cet angle dépend de la fréquence des rayons X incidents et du numéro atomique de l’élément sur lequel
se produit l’effet photoélectrique.
1. Introduction. --- On a remarqué depuis longtemps que l’émission d’électrons par la matière sous l’influence d’un rayonnement électromagnétique de courte longueur d’onde (rayons X, par exemple) n’était pas isotrope, et qu’en particulier le nombre de photoélec- ,
trons possédant une composante de vitesse dans le sens de la propagation du rayonnement
était plus grand que celui des électrons revenant en arrière. Ce seul fait indique que la
quantité de mouvement transportée par les ondes joue un rôle dans l’effet photoélectri-
que, et montre qu’une étude précise de la répartition dans l’espace des directions d’émis- sion des rayons secondaires doit donner des renseignements importants sur le mécanisme de cet effet.
La détermination de la répartition se fait naturellement par rapport à l’axe de pro-
pagation des rayons X : il est commode de caractériser chaque direction par l’angle w qu’elle
fait avec cet axe, et par son azimut ?, autour de lui (compté à partir d’un méridien zéro
arbitraire). Nous ne nous occuperons ici que de la distribution suivant (~ la seule que l’on
puisse étudier lorsqu’on opère avec des rayons X non polarisés, le phénomène étant alors ,de révolution autour du faisceau excitateur.
Plusieurs auteurs ont entrepris cette étude par diverses méthodes que nous passerons
rapidement en revue ; les résultats personnels, purements expérimentaux, exposés ensuite,
ont été obtenus au cours de recherches commencées en i922, et qui ont déjà fait l’objet
de plusieures notes (1). Un travail théorique sur ce sujet, effectué en collaboration avec
F. Perrin, est publié plus loin.
2. Méthodes employées. - La question a été attaquée par trois méthodes princi- pales, que nous allons passer rapidement en revue. L’une d’entre elles consiste en une
évaluation globale du nombre d’électrons émis en avant et en arrière, les deux autres comportent l’étude des photoélectrons un à un : ce sont des méthodes microscopiques.
A) Méthode des lames. - Le rayonnement est reçu normalement sur une lame solide assez mince pour l’absorber peu ; les photoélectrons projetés par la matière irradiée sont divisés par la lame elle-même en deux catégories : ceux qui se meuvent dans la
(i) Pierre AUGER, C. R., t. i77 (1923), p. 169; t. t78 (i924), p. 929; t. i78 (1924), p. 1535; t. 180(1925),
p. 1939. - Pierre ALGER et Francis PERRIN, C. R., t. 180 (1925), p. l~42; t. i83 (1926), p. 277.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019270080208500
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direction du rayonnement, et ceux qui possèdent une composante de vitesse en sens con-
traire. Il est aisé, par une mesure d’ionisation convenable, d’évaluer le rapport de ces
deux catégories au point de vue du nombre global d’électrons présents dans chacune d’elles : ce rapport est souvent appelé « asymétrie » de l’effet photoélectrique (1). On voit
de suite que la méthode, simple comme mise en 0153uvre, ne donne qu’un nombre pour caractériser la répartition des photoélectrons, ce qui ne permet d’en suivre qu’un des aspects: on trouve que l’asymétrie croît avec la fréquence du rayonnement. D’autre part,
_
cette méthode n’est pas a l’abri d’une critique que nous ferons à celle de Bothe, c’est-à-
dire qu’elle ne distingue pas entre les différentes espèces d’électrons émis par la matière consécutivement à l’absorption des quanta incidents.
B) .ltféthode du compteur à pointe. - Bothe (2) a mis en aeuvre un procédé d’étude
basé sur l’emploi du compteur à pointe de Geiger : on sait que cet appareil permet de
déceler l’entrée d’un seul rayon électronique dans une petite chambre d’ionisation com-
portant une électrode pointue; l’excitation par choc est déclenchée par les quelques ions
créés par cet électron, et un courant observable passe. On excitera par un rayonnement approprié, une petite portion de matière (gazeuse) qui devient alors source de rayons
secondaires ; un compteur à pointe, qui peut tourner autour de cette source, permet de
recueillir les électrons envoyés par elle dans un petit angle solide, et de les compter un à
un. On possède ainsi un procédé de mesure de l’abondance des rayons secondaires émis dans les diverses directions de l’espace.
Les expériences de Bothe ont porté sur plusieurs corps tels que des composés organi-
ques halogénés, et sur des rayons X de diverses pénétrations ; il a représenté ses résultats
par des courbes très analogues à celles que j’ai obtenues par la méthode de condensation
. montrant une émission favorisée aux environs de 90°, avec une large distribution de part
et d’autre. Cependant les points mesurés, correspondant à l’abondance de l’effet pho- toélectrique dans des directions plus ou moins inclinées sur l’axe de propagation du rayonnement, sont assez peu nombreux dans chaque cas, les positions successives du
compteur s’échelonnant de en 15°, ce qui amène à des courbes anguleuses et peu définies dans le détail. D’autre part, le compteur à pointe ne distingue pas entre les diverses catégories d’électrons qui l’atteignent, par exemple entre les rayons secondaires et les tertiaires, qui, dans le cas des éléments lourds, possèdent déjà de grandes vitesses.
Nous avons montré ( i) que la distribution dans l’espace de ces derniers rayons est iso-
trope et, par suite, nettement différente de celle des rayons secondaires.
C) ele condensation. --- La troisième méthode, qui est celle utilisée dans le
présent travail, fait appel à l’appareil de C.-T.-R. Wilson, qui permet d’obtenir des clichés des trajectoires des photoélectrons et, en opérant de manière convenable, de mesurer
l’angle qu’elles font avec Ie faisceau excitateur. Elle a été appliquée à ce problème par C.-T.-R. Wilson lui-même (~), qui s’est contenté d’évaluer au stéréoscope les groupes de
rayons dirigés en avant, en arrière, et à angle droit du faisceau. Ses mesures montrent,
comme les précédentes, 1 importance de l’émission au voisinage de 90@, et l’accroissement de l’asymétrie avec la fréquence des rayons incidents (j). -
On peut cependant effectuer, avec un appareil à condensation, de véritables mesures
de Tangle w, en opérant avec deux appareils photographiques à angle droit l’un de l’autre, de manière à obtenir sur les clichés l’épure des trajectoires que révèle le brouil- lard. Les difficultés résident dans l’établissement d’un matériel précis et surtout régulier, qui permette de réaliser des séries abondantes de bons clichés, pris dans les mêmes conditions. La mesure des angles et les calculs sont ensuite assez ennuyeux, ce qui a (1) C -D. CooKsEy, R.-T. BEATTY, BRAGG et PORTER, PHILPOT et d’autres. Plus récemment, W. SFITZ, A nn. der Physik., t. 73 p. 182 ; Physik. Zts., t. 26 (t9~~~, p. 610. - ff7ien Ber., t. i30 (i92i), p. 279.
(’~1) Zls. /. t. 26 (i924), p. ~9.
(~~) ~ 1~., t. ’180 (i92:)), p. 1939. - Annales de PhYSlquP, t 6 (1926), p. 183.
1’) Proc. Roy. ~~oc., t. 104 (49?3), p. L
(5’) F.-’Y. Bum t. 23 (f924), p. 13jJ a fait, par la même méthode, une intéressante étude de la répartilioa des rayons secondaires en azimut autour du faisceau, quand celui-ci est polarisé.
amené Bothe, qui a fait une tentative par cette méthode, à l’abandonner pour celle des
compteurs à pointe, plus expéditive mais moins sùre. J’ai pu constituer six séries de
mesures de 200 rayons clacune, qui ont permis la construction des courbes de répartition
dans des conditions assez variées: potentiels de production des rayons X allant de 15
à 80 kv, matières étudiées se répartissant de l’azote au xénon (if.
3. Dispositif expérimentas L’appareil à détente qui m’a servi est celui déjà décrit
à propos de l’effet photoélectrique composé (2 j ; nous reviendrons seulement ici surla dispo-
sition géométrique des diverses parties pour faciliter la compréhension des mesures.
La chambre de détente cylindrique est traversée horizontalement par le faisceau de rayons X, les deux appareils photographiques sont braqués à 45° de part et d’autre de la
verticale, de manière que les plaques sensibles soient parallèles au faisceau : elles forment
un dièdre droit, dont l’arête horizontale est située dans le même plan vertical que le faisceau. De cette façon, on obtient sur les clichés deux projections des phénomènes étudiés, comparables à celles d’une épure de géométrie descriptive, ce qui permet de reconstituer
en vraie grandeur les angles présentés par les figures d’ionisation. En toute rigueur, il ne s’agit pas là de projections orthogonales, mais de projections coniques, dont les pôles sont
les centres optiques des objectifs photographiques ; cependant, quand on ne s’occupe que de ce qui se passe dans un domaine voisin de l’axe principal de ces objectifs, on peut
confondre sans grande erreur les deux modes de projection.
Le réglage de la position et de la mise au point des appareils photographiques est
rendu assez facile par l’emploi de repères placés dans la chambre de détente, qui serviront également à distinguer le sens de propagation du faisceau sur les clichés.
En ce qui concerne la composition des atmosphères dans lesquelles on produit l’effet photoélectrique, j’ai employé les mêmes mélanges de gaz rares et d’hydrogène que pour le travail déjà cité : ils ont l’avantage, étant peu denses puisqu’ils contiennent toujours une
grosse proportion d’hydrogène, de laisser parcourir aux rayons secondaires des trajec-
toires assez rectilignes, permettant des mesures d’angles. Les gaz rares, en plus des avan- tages qui proviennent de leur inactivité chimique, se répartissent assez bien dans le tableau périodique, et permettent l’étude d’atomes relativement légers et lourds.
Les rayons X ont toujours été produits par une ampoule Coolidge alimentée sous
tension constante et sont filtrés afin de ne laisser passer qu’une bande spectrale assez étroite; nous les caractériserons ici par la valeur moyenne du potentiel d’émission de cette bande. Ils sont diaphragmes à travers un bloc de plomb percé d’un canal de 0,5 mm de diamètre : la définition des origines des rayons ~ est plus facile avec un pinceau excitateur étroit, car elles sont alors très exactement en ligne droite sur les clichés.
4. Lecture des plaques. - Les deux clichés développés et posés, gélatine dessus,
sur un verre dépoli éclairé par transparence, doivent être orientés convenablement : on
place les deux projections en face l’une de l’autre comme dans une épure, en ayant soin de
faire en sorte que la direction de propagation du faisceau soit bien la même pour les deux.
Si le cliché a été pris dans de bonnes conditions, on ne doit avoir sur les plaques qu’un petit nombre de trajectoires bien distinctes. On pourra, dans la plupart des cas, recon-
> naître facilement les trois espèces principales de rayons électroniques : i° les trajectoires
de recul, dues à l’effet Gompton (diffusion des rayons X par les électrons peu liés), courtes, dirigées en avant; 2° les rayons secondaires proprement dits, qui ont une longueur dépen-
dant de la fréquence incidente, dont l’origine est marquée d’un amas fl’lolls plus ou moins abondant; au les rayons tertiaires ou quaternaires, accompagnant ces rayons secondaires,
et dont la trajectoire a une longueur caractéristique de l’élément irradié.
Dans chaque cas étudié, ces trois espèces de rayons se distinguent aisément par
l’aspect et la dimension; par exemple, un corps léger comme l’azote ne donnera pas de (1) Récemment, LouGnmD&E [Phys. Reu., t. 26 (195), p. 697] a repris la méthode de Wilsompour l’étude de w, mais l’emploi du stéréoscope ne lui a permis d’obtenir que l’aspect général des phéDomenes,
(2) Annale! de t. 6 (l~~26), p. 183.
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rayons tertiaires et comportera, pour une excitation sous 50 kv, des rayons de recul de
quelques millimètres; au contraire, les rayons secondaires sont alors très longs et très
droits. Un corps plus lourd comme le krypton, dilué dans l’hydrogène et excité peu au- dessus de son niveau K, fournira des rayons secondaires très courts et des tertiaires longs (12 mm environ) ; les trajectoires de recul sont, dans ce cas, très rares. (Pour la discussion des divers cas possibles et les clichés les représentant, voir le mémoire des Annales de
Physiqiie cité plus haut).
5. Mesures. - La discrimination ainsi faite, on ne s’occupera que des rayons secon-
daires, et l’on cherchera à associer entre elles les projections d’une même trajectoire sur
les deux clichés; ceci est facilité par le fait que les deux appareils photographiques ont le
même grandissement, et que, par conséquent, les distances le long du faisceau sont les mêmes sur les deux plaques. On ne tiendra compte que des rayons dont t l’origine ne s’éloigne pas trop du point central du cliché, pour que l’assimilation de la projection conique à une projection orthogonale soit légitime : en fait, les mesures ont été limitées à t5 mm de part et d’autre du milieu de la plaque, distant lui-même de ~?? cm de l’objectif pendant l’opération. Pour effectuer les mesures d’angles qui dcivent mener au calcul des M, il faut marquer le trajet invisible du faisceau de rayons X excitateurs : pour cela, on fera
passer un trait de crayon fin par les origines des différents rayons secondaires présents, qui sont très sensiblement en ligne droite, à l’épaisseur du faisceau près ; ce sont les angles a et 5 que font les deux projections de la trajectoire étudiée avec cette droite qu’il s’agit de mesurer. Je me suis servi, pour cela, d’un cercle en verre, dont la circonférence est divisée en degrés, et dont le centre est nettement marqué, ainsi que le rayon qui passe par la division 0. Il fallait placer le centre du rapporteur sur l’origine de la trace, et rendre
le rayon marqué tangent t à la trajectoire en cet endroit : il est facile alors de lire l’angle
cherché sur les divisions du cercle. La précision d’une pareille mesure est naturellement très variable suivant la forme et l’orientation de la trace du photoélectron étudié : dans les
cas les plus favorables, pour les rayons rapides et bien rectilignes, on peut obtenir le degré sans hésitation; pour les trajectoires tortueuses ou floues, on ne peut fréquemment
faire l’évaluation de (o qu’à trois ou quatre degrés près. Il est important de mesurer tout
de même ces rayons moins favorables, de manière à éviter les exceptions systématiques
qui sont un grave écueil en statistique. >
D’un autre côté, un grand nombre de rayons secondaires sont situés, au moins dans
leur portion initiale, dans le voisinage du plan de mise au point d’un des appareils photo- graphiques : le cliché qui correspond à cet appareil est alors très net et l’autre flou, la profondeur du champ ne dépassant guère 8 mm. Heureusement, la mesure à laquelle ce
dernier cliché donne lieu n’intervient que comme correction, la valeur mesurée sur la trace nette donnant directement une valeur très approchée de l’angle ~. Les angles x et fi
ainsi mesurés permettent enfin de calculer l’angle vrai w par la formule
dont l’application est très rapide, grâce à une table des tangentes carrées.
6. Représentation des résultats. - Chaque série de mesures se présente sous la
forme d’une simple liste d’angles, tableau des diverses valeurs trouvées pour w. Pour
se rendre compte de la répartition à laquelle correspond cette liste, il faut en faire une représentation graphique. Deux sortes de courbes, peuvent être tirées des statistiques d’angles, les courbes de densité ou de probabilité, et les courbes de nombres totaux ou
courbes intégrales.
1° Divisant le domaine de 0° à 18U° en sections de 5° ou de 10°, on peut compter com-
bien de rayons mesurés rentrent dans chacune d’elles : les nombres p obtenus représen-
tent la fréquence des départs d’électrons sous les angles w moyens des sections. La
probabilité de l’émission d’un photoélectron sous un angle w quelconque est représentée (d’autant plus exactement que les sections sont plus petites et le nombre de rayons étudiés
plus grand) par le nombre de rayons mesurés dans la section à laquelle appartient cet angle. Une courbe, qui portera en abscisses les (,) et en ordonnées les nombres 1), montrera
la variation des probabilités de départ en fonction de l’angle w d’émission.
Le principal défaut de cette méthode est de n’être pas très directe : les points de
la courbe ne représentent pas des mesures réellement effectuées pour les valeurs corres-
pondantes de w, mais des moyennes, dont l’établissement présente forcément un certain
arbitraire. On serait tenté de réduire les sections pour avoir des points plus nombreux et plus exacts, mais alors les nombres p diminuent, et les fluctuations de hasard se mani- festent par une irrégularité croissante de la courbe.
2° La représentation la plus directe des résultats consiste à faire correspondre à cha-
que abscisse w le nombre lotal n de rayons observés sous des angles compris entre 0° et (D. ,
La courbe des n est alors la courbe intégrale de la courbe des p précédents. Elle a sur
celle-ci l’avantage que chacun de ses points représente une réalité, un nombre de rayons effectivement mesurés, et toutes les mesures entrent en ligne de compte de la même manière. On pourrait tracer cette courbe, sous forme d’une sorte d’escalier portant une
marche à chaque valeur observée pour w ; on peut plus simplement placer un point tous
lis ~° : les fluctuations sont beaucoup moins gênantes que dans le premier procédé. C’est ,
à cette courbe qu’il faudra comparer les relations trouvées théoriquement pour les sonmettre au contrôle expérimental, car si l’on essaie de tracer la courbe dérivée, les
incertitudes des moyenncs prises sur trop peu d’éléments diminuent considérablement la
précision (ij.
7. Résultats (2~. a) des courbes de répartitioit. - La courbe 1 représente la
Fig. 1. - Courbe des probabilités de départ p (moyennes prises sur des sections de 20a) ea
fonction de l’angle M.
variation de la probabilité de départ avec l’angle IJ) pour une des séries de mesures effectuées
(série 1). On voit que cette probabilité, nulle pour 0° et 180°, atteint un maximum accusé aux
(~~ C’est ce qu’a fait Bubb dans le travail cité plus haut. Il donne les deux courbes, mais raisonne sur
la dérivée.
(2) Une partie de ces résultats a déjà été publiée dans les diverses notes citées plus haut. La forme
de la répartition et le déplacement du point milieu avec la fréquence des rayons excitateurs ont été donnés dans les deux notes de 19?’E; la prépondérance de rémission au voisinage de 90° était signalée dans celle
de 1923.
90
environs de ~0°, l’aspect esL celui d’une courbe e~l cloche. Cette forme reste la même si l’on veut représenter la probabilité de départ dans un petit angle solide autour d’une direction particulière: il faudra alors tenir compte de l’inégale surface des zones sphériques sous-
tendant le même angle au centre en divisant toutes les Or(1o11IlCes de la courbe précédente
par les sinus w correspondants ; ceci diminue l’importance du maximum, mais respecte l’aspect général.
Le maximum correspond sur les courbes intégrales à un point d’inflexion, comme on peut le voir sur la courbe 2. qui représente la même série de mesures : partant de l’origine
~
Fig. 2. - Courbe des nombres de rayons (intégrale de la courbe i).
tangentiellement à l’axe des w, elle s’élève de plus en plus vite, s’infléchit vers son milieu,
et se raccorde de nouveau parallèlement aux abscisses pour w ~ 180; la valeur de la dernière ordonnée est N, nombre total de rayons observés dans la série. La position du point d’inflexion est assez difficile à fixer avec précision ; au contraire, le point « milieu »
de la courbe, c’est-à-dire le point d’ordonnée A~/2, qui en est en général très voisin, est
TABLEAU 1.
’
bien défini : l’abscisse pour laquelle on a ainsi
7?==2013,
soit w,, peut être estimée à un ou2 deux degrés près.
TABLEAU II.
- - ---
b) Variation avec v. - Nous avons tracé les courbes 1 et 2 pour une série où la
fréquence des rayons X incidents était basse. Si l’on augmente la tension excitatrice de
l’ampoule Coolidge, en filtrant convenablement, on observe un déplacement du point milieu, la forme de la répartition restant cependant sensiblement la même, comme si la
courbe s’était déplacée d’une seule pièce vers les petits angles. En opérant avec une cen-
taine de mille volts, le point milieu se déplace d’environ 15, (série III), Au contraire, avec des rayons peu pénétrants, produits par exemple sous 15 kv, le milieu de la courbe se
rapproche de ~0, (série 1).
92
c) Yariation avec le radiateur. - Une autre variation, plus faible, mais encore nette se
manifeste lorsque, laissant la fréquence incidente fixe, on change la substance irradiée.
Passant d’un corps léger à un corps plus lourd, pourvu qu’il continue à être excité dans
son niveau Ii par le rayonnement utilisé, on voit le point milieu revenir vers l’abscisse 908
(séries II et V, par exemple). Ces phénomènes sont susceptibles d’interprétation théorique,
ainsi que la forme générale de la répartition.
8. Séries effectuées. - Je donne, en plus des deux courbes ci-dessus, les tableaux des valeurs obtenues pour n en fonction de lt) dans les cas étudiés effectivement (tableau II)
la valeur de Wm, abscisse du point milieu, est donnée aussi dans chaque série. Les condi- tions dans lesquelles chacune d’elles a été faite sont indiquées dans le tableau 1.
9. Orientation des travaux. - Je me propose d’une part de faire une série de
mesures, dans un cas choisi, comportant un nombre beaucoup plus grand de rayons ; il
est, en effet, important d’obtenir la forme de la courbe de répartition avec plus de préci-
sion. D’autre part, il est désirable de réaliser unc série de mesures avec des rayons très
pénétrants, pour observer le plus grand déplacement possible du point milieu; ceci va être essayé grâce à l’emploi de rayons et d’une atmosphère très absorbante, riche en xénon, par exemple.
Ce travail a été fait au laboratoire de Chimie-Physique de la Sorbonne sous la direction ,
de M. Jean Perrin.
Manuscrit reçu le 30 octobre f9~6,
