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Submitted on 1 Jan 1907
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fonction de la densité du courant et de la pression dans différents gaz
Francis William Aston
To cite this version:
Francis William Aston. Expériences sur la longueur de l’espace obscur - en fonction de la densité du courant et de la pression dans différents gaz. Radium (Paris), 1907, 4 (7), pp.275-279. �10.1051/ra- dium:0190700407027501�. �jpa-00242253�
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Les nombres représentant l’énergie dépensée par ion
sont seulement relatifs, et, dans le cas de la parti-
cule oc, les valeurs absolues diminucnt quand la par- ticule approche du bout de sa course. Ceci résulte du fait que la particule a. crée plus d’ions vers la fin de sa
course, tandis qu’elle perd son énergie uniformément le long de son parcours. Il ressort des courbes D et E
et aussi, dans le cas des particules «, du fait précé- dent, que l’énergie dépensée par ion n’est pas reliée
simplement au poids atomique ni par suite à l’absorp-
tion d’énergie. Les anomalies de H2 en ce qui concerne l’énergie dépensée par ion et l’ionisation spécifique par centimètre cube sont intéressantes à rapprocher des
anomalies présentées par la diffusion des rayons catho-
diques dans H;2 (J. J. Thomson).
Nous ne savons rien expérimentalement sur le rap-
port du poids atomique ou moléculaire d’un gaz avec la distance parcourue par le rayon B pendant que leur
énergie passe de et, à e2. Nous ne pouvons donc, dans
ce cas, déterminer les énergies relatives dépensées par ion et par atome, ni si cette dépense d’énergie est indépendante des liaisons chimiques.
Strutt a fait voir dans son mémoire que les ionisa- tions dues aux rayons x, B et y sont à pen près pro-
portionnelles aux densités des gaz. C’est là un résultat accidentel. D’ailleurs, l’accord qu’il trouve est grossier
et ne se maintient pas avec d’autres gaz. On le voit clairement en comparant les ionisations et les densités des gaz données dans la dernière colonne de chaque
tableau. Mars 1907. traduit par L. BLOCH.
Expériences sur la longueur de l’espace obscur
en fonction de la densité du courant et de la pression dans différents gaz1
Par Francis William ASTON,
[Université de Birmingham]. Traduit et Analysé par M. MOULIN.
AUTEUR a remarquée au cours d’expériences sur les
L tement tubes à vide, le volume que, lorsque du tube, la l’espace cathode obscur catho-occupe exac-
dique peut se mesurer avec précision; l’extrémité de la
gaine est alors un plan et peut se voir sans qu’il soit besoin de regarder à travers une portion de cette gaine.
La première série d’expériences a été faite avec le tube
représenté figure ’1, relié à une pompe de Topler de faible
Fig. 1.
capacité et à un manomètre de Rayleigh 2. La figure 2
donne la longueur de l’espace obscur en fonction de l’in-
verse de la pression P, le courant restant constant. Dans tous les gaz étudiés, pour des valeurs de D, comprises entre 0,2
et 2 centimètres, les courbes montrent que la relation est
approximativement linéaire et satisfait à la relation
où A = 1 millimètre, environ, pour tous les gaz. B est
une constante qui dépend de la nature du gaz et n’est pas
proportionnelle au chemin moyen de libre parcours des mo- 1. Proc. Roy. Soc., avril 1907. Communigué par le profes-
seur Poyntiug, décembre 1906.
2. RAYLEIGE, Pjail. Trans., A, vol. 106, page 205, 1901.
lécules mais du gaz, est, en gros, proportionnelle à la mo-
bilité de ses ions et à leur coefficient de diffusion.
La bobine qui servait à obtenir le courant a été rem-
placée ensuite par une batterie d’accumulateurs qui, en
série avec le secteur de la ville, donnait environ 000 volts.
Fig. 2.
Ce courant était mesuré à l’aide d’un galvanomètre d’Arson-
val étalonné, relié aux bornes d’une résistance étalon ser-
vant de shunt et était réglé au moyen de résistances liqui-
des. La différence de potentiel aux bornes était mesurée à l’aide d’un voltmètre électrostatique de Kelvin. Le vide
était fait par le procédé Dewar au charbon et à l’air liquide.
Le dispositif de lecture du manomètre de Rayleigh a été
modifié pour rendre cette lecture plus exacte.
La longueur de l’espace obscur était mesurée au moyen d’un viseur formé d’un tube muni d’un petit trou où l’on plaçait l’oeil et d’une pointe en forme de V, se déplaçant
sur une échelle parallèlement à son axe . Dans l’hjdro-
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:0190700407027501
gène, l’azote et l’air, la limite de la gaine pouvait se pointer à 0,1 millimètre près avec les densités de
courant indiquées plus loin. Dans l’oxygène, ce pointage pouvait se faire à 0,01 millimètre près, mais les irrégula-
rités du verre empèdlalent d’atteindre cette précision sur
les mesures de D. Ces résultats ne sont exacts que lorsque
la densité de courant est assez grande pour qu’aucune
colonne positive ne soit visible sur l’anode, c’est-à-dire aussi grande que celle qui est nécessaire pour que la gaine
recouvre entièrement la cathode.
Dans ces conditions, les expériences faites avec un
tube à électrodes mobiles ont montré que tant que la distance des électrodes est beaucoup plus grande
que l’espace obscur, cette distance n’a aucun effet
mesurable sur l’espace obscur, le voltage ou le cou-
rant. Si le disque qui forme l’anode est amené lente- ment vers la catlode, au moment où la distance des électrodes est exactement égale à la longueur inva-
riable de l’espace obscur, la décharge change brusque-
ment de caractère, devient instable et s’arrête ; ceci
montre que la gaine cathodique est non seulement un
effet d’optique, mais encore un facteur essentiel du mécanisme de la conduction et que la longueur de l’espace obscur peut être mesurée, si cela est néces- saire, par des procédés purement électriques.
Le premier tube à décharge employé avait 6,5 cen-
timètres de diamètre, ses électrodes étant distantes de 12 centimètres. La longueur de l’espace obscur
diminuait quand la densité de courant augmentait
et, tant que sa longueur était petite par rapport au
diamètre du tube, les équations suivantes étaient sensiblement satisfaites :
A et F sont des constantes à peu près proportionnelles
à la mobilité des ions dans le gaz, B et E des constantes et B E est à peu près constant pour différents gaz.
Théorie de l’espace obsczer. - Ces deux équations empiriques et la manière dont se comporte le courant
avec des électrodes mobiles, ont conduit l’auteur à cette conclusion que, au moins approximativement, l’espace obscur peut êtr’e regardé comme une région
que traversent des charges positives allant vers la
cathode et dans laquelle la charge positive totale
contrebalance exactement la charge négative de la
cathode.
Supposons que la densité de l’électricité négative
dans l’espace obscur soit négligeable Soit p la den- sité de l’électricité positive à la distance x de la gaine,
-- 6 la charge par centimètre carré sur la cathode,
X le champ électrique a la distance x. Si nous consi-
dérons la cathode et la gaîne comme des plans inde-
finis placés à la distance D,
D’après l’hypothèse ci-dessus,
Soit v la vitesse de l’ion positif et supposons que v = X,X,X étant la mobilité. Puisque la densité
de courant c est transportée en tout point par des ions positifs, on a ainsi :
Par conséquent,
Comme le champ électrique dans la gaine est négligeable, nous avons finalement
Si V est la chute de potentiel le long de l’espace
obscur, on a alors
Si nous supposons que ce courant transporté par les ions positifs est la totalité ou une fraction con-
stante du courant total passant entre la cathode et la
gaine, a est proportionnel à c D5 V-2.
Townsend a montré que les coefficients de diffusion sont inversement proportionnels aux pressions. En supposant que ceci reste encore vrai pour les mobi- lités des ions positifs dans les limites des pressions employés dans ces recherches, nous pouvons nous attendre, d’après cette théorie, à ce que c D3 PV-2 soit
égal à une constante absolue pour un gaz donné. On
peut voir que si c est assez grand pour que le troi- sième terme des équations empiriques 1 et 2 soit négligeable, ces équations satisfont à ce résultat.
Lorsque D est grand, la décharge prend l’aspect indiqué figure 5, les parois étant probablement chargées positive-
ment et seule la partie centrale de la cathode prend part au passage du courant. Pour vérifier la théorie d’une inaniére
plus complète, l’auteur emploie un tuhe représenté figure 4
dont la cathode présente un dispositif à anneau de garde.
Le tube a 10,15 centimètres de diamètre et le disque central
à 4,18 centimètres de diamètre Le disque et l’anneau
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ont été pris dans la même plaque, leur intervalle est d’environ 0,2 millimètre. La forme de l’anode ne sem-
Fig. 3. Fig.4.
Me pas avoir d’influence sur la décharge, mais pour plus
de symétrie, elle consiste en un disque d’aluminium paral-
lèle à la cathode et de même diamètre que le tube.
Fig. 5.
Le montage est représenté figure 5. Seul le courant pas-
sant par le disque central traverse le shunt.
Les résultats, dont nous donnons ci-contre, comme exemple, ceux relatifs à l’air, montrent que c P D3V-2 est sensiblement constant pour chacun des gaz étudiés
(H, N, Air, 0) .
Si nous admettons qnc À x X pression absolue = vo,
mobilité d’un ion positif dans un champ de J 1 unité électrostatique par centimètre, à la pression de 1 dyne
par centimètre carré, on a alors, d’après la théorie :
où tout est mesuré en unités électrostatiques. En
réduisant cette valeur à celle que l’on aurait pour un
champ de 1 volt par centimètre à la pression de
1 atmosphère, on peut comparer les mobilités ainsi trouvées à celles qu’a déterminées Zeleny. On obtient
les valeurs suivantes en centimètres par seconde :
Ces résultats concordent aussi bien qu’on pouvait s’y
attendre étant donné que dans les deux cas, le gaz était respectivement à des pressions de 760 milli- mètres et plus petites que 0,5 millimètre, et ils semblent suggérer que dans ces très grandes limites
de pression, il n’y a qu’une faible variation du rapport e m pour les ions positifs. Comme ils ont été obtenus
en prenant pour c la densité de courant totale donnée par le galvanomètre, ils représentent un maximum.
On ne peut encore avoir de certitude sur la valeur rela- tive des courants transportés respectivement par les ions
positifs et négatifs dans l’espace obscur. L’auteur met en
évidence la différence entre leurs énergies rnécaniques en disposant dans un tube vertical deux petits moulinets à
ailettes inclinées à £5° et situés, l’un dans la gaine, l’au-
tre dans l’espace obscur. Le premier prend un mouvement
à peine perceptible dans le sens qui correspond à l’action
de rayons cathodiques, le second prend un mouvement
violent en sens opposé. ha quantité de mouvement trans-
portée vers la cathode est donc beaucoup plus grande que
celle qui est transportée en sens inverse.
En supposant toujours, pour plus de simplicité, que tout le courant est transporté par des ions positifs,
nous pouvons calculer, à l’aide de la théorie ci-dessus, les valeurs absolues de v et de p en chaque point de l’espace obscur. Ainsi, dans l’hydrogène, avec un
espace obscur de 1 centimètre et un courant donnant
une déviation de 70 divisions (environ 0,2 milliam- père par centimètre carré) à la surface de la cathode,
v=8,5x10cm.: sec.
Dans l’oxygène, avec le même espace obscur et un courant donnant 40 divisions de déviation, à la sur-
face de la cathode,
v=4,0x106 cm. : sec.
Ces vitesses sont environ le dixième des vitesses mesurées directement par Wien à une pression beau-
coup plus basse et avec un potentiel plus élevé, pour les rayons canaux.
Comme les vitesses citées ci-dessus sont les vitesses maxima des ions positifs et ’environ un millier de fois plus petites que la plus petite vitesse mesurée pour les rayons cathodiques, l’hypothèse fondamentale faite dans cette théorie qu’en un point quelconque de l’espace obscur la densité des ions négatifs est négli- geable par rapport à celle des ions positifs, semble
être soutenue par ces nombres, comme elle l’est aussi par les résultats de quelques déterminations du nombre d’ions négatifs présents en différents points
le long de la décharge, faites par le professeur
J. -J. Thomson.
Dans l’oxygène, pour D = 1 centimètre et c = 40 divisions de déviation, en un point distant de 1 milli- mètre de la gaine négative, p = 0,3 ou, en adoptant
les valeurs acceptées pour e et N, on a un ion positif
pour environ 500000 molécules.
Les lirnites de la longueur de l’espace obscur
semblent ne dépendre uniquement que des dimen- sions du tube à décharge et de la pression du gaz.
Ainsi, dans le tube de la figure 4, on pouvait observer
un espace obscur de l’ordre de 10 centimètres, alors
que dans un très petit tube dans lequel la cathode était
une plaque d’aluminium de 0,5 millimètre de large,
un espace obscur d’environ 0,005 centimètre fut mesuré (dans l’air à environ 20 millimètres de pres-
sion) ; un espace obscur de semblable dimension put
1. iVIEN, nT iccl1n. Ann., vol. 65, page 440, 1898.
ètre nettement observé quand un courant passait entre
des fils de platine dans la flamme d’un petit jet de
gaz.
Les relations entre le courunt et le voltage pour la
décharge avec la cathode « à anneau de garde » sont
Fig. 6.
données dans les courbes suivantes (fig. 6). On peut
voir qu’aux basses pressions, l’équation
V=FP-1Vc+E
est d’une grande approximation, en particulier pour
l’hydrogène.
Les valeurs moyennes de F en unités électrosta-
tiques et de E en volts, sont les suivantes :
E semble avoir sensiblement la même valeur que la chute cathodique pour des cathodes d’aluminium dans
ces gaz. Puisque, d’après la théorie, V est propor- tionnel il
X, en supposant que A est proportionnel au
chemin moyen de libre parcours dans le même gaz, le produit de la vitesse des ions positifs par le nombre de collisions d’un corpuscule dans l’espace obscur est égal à une constante plus une variable, ce qui semble suggérer que les ions secondaires formés dans l’espace
obscur sont ceux par lesquels l’ionisation dans la
gaine se maintient.
L’auteur offre les hypothèses suivantes, de nature purement spéculative pour rendre compte de l’exis-
tence de l’espace ohscur et de la manière dont il se comporte.
Sous l’influence du choc des ions positifs, la cathode
serait capable d’émettre des corpuscules avec une vitesse
suffisante pour ioniser le gaz, corpuscules dont le nombre
et le pouvoir ionisant seraient fonction de la vitesse et de la
masse des ions positifs et de la longueur de l’espace obscur.
Au-dessus d’un certain minimum de densité de courant,
qui dépend de la pression 1, le gaz devient dans un état 1. Il. A. WILSON, Phil. Mag., Ser. VI, vol. 4, page 608,1902.
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instable sous l’influence du bombardement corpusculaire
et les ions deviennent si nombreux que le champ devient
très faible et que la gaine se comporte comme un véritable électrolyte. Diaprés l’auteur, les ions ainsi formés ne se
recombineraient pas immédiatelnent mais formeraient des
systèmes cinétiques peu stables qui seraient détruits par le champ dès que ce champ atteint une intensité bien dé- terminée, dès qu’ils arrivent par diffusion dans la gaine ;
ceci pour expliquer la netteté de la limite de la gaine.
L’équilibre sera atteint quand le nombre d’ions positifs qui sortent de la gaine sera juste suffisant pour maintenir
le courant. Il doit être fonction de la densité d’ionisation dans la gaine, densité qui dépend de l’énergie du bom-
bardement corpusculaire. La longueur de l’espace obscur
se réglera d’elle-mème pour que les conditions du choc des ions positifs soient telles que les corpuscules fournissent cette énergie Une fois la décharge aEnorcée, cette énergie peut être très faible et le courant transporté par les corpus- cules est petit devant celui qui est transporté par les ions
positifs.
(Traduit de l’anglais et analysé par M. MOULIN.)
REVUE DES TRAVAUX
Radioactivité
Sur la radioactivité des sources boracifères de la Toscane et sur la quantité d’émanation qui y est contenue. - R. Nazini, F. Anderlini, M. G. Lévi (Gazz. Chim. italienne, 37, p. 218,1907).
Radioactivité de quelques produits volcaniques
de l’éruption du Vésuve de 1906. - R. Nazini, M. G. Lévi (Gazz. G’him. ital., 37, p. 226, 1907).
La déperdition électrique sur l’Etna. - M. C.
Bellia (Bullet. Accad. Scienze Naturali in Catania,
mars 1907). - Des mesures électroscopiques faites au
somme t de l’Etna (2940 mètres) le 10 et le 12 août 1906
ont montré que :
1° La déperdition électrique est à peu près deux fois plus grande au sommet de l’Etna qu’à Catane.
2° Le rapport de la déperdition positive à la déperdi-
tion négative reste en généial voisin de l’unité, contrai-
rement à ce qui a été observé sur les hauts sommets.
3° Ce rapport atteint son maximum dans l’après-midi,
comme l’ont déjà constaté Le Cadet au Mont-Blanc et Gockel au Rohthorn.
4° La déperdition est maximum le matin et le soir,
minimum vers midi, comme l’a observé Gockel au Roht-
horn.
5° La déperdition varie en sens inverse de l’état hygro- métrique.
6° La déperdition électrique est sensiblement la même pour les deux signes, contrairement à ce qui a été observé
en général.
Cette anomalie semble liée à la présence d’émanations
volcaniques radioactives, qui ont pour effet de diminuer le
champ électrostatique terrestre, et par suite le mouve- ment des ions vers la surface du sol. Léon BLOCU.
État des recherches sur les rayons positifs (rayons canaux et rayons a). - P. Ewers (Jahr. d. Radio.
4, nOS 12 et 15, avril et mai 1907).
Rapport sur les premiers termes de la série
des produits de transformation du radium. - H.-W. Schmidt (Jahr. d. Radio, 4, 14, p. 195, juin 1907).
Recherches récentes sur la transformation des corps radioactifs. - C. Raveau (Société Française de Fhysicjue, 1er mars 1907).
Sur le produit de transformation gazeux du polonium, par H. Greinacher et M. Kernbaum (Phys.
Zeitsch., 15 mai 1907). - La théorie des transformations radioactives conduit à penser que la particule a est iden- tique a l’atome d’hélium. Si l’on admet pour l’hélium le
poids atomique 4, chaque particule a doit porter deux fois
la charge électrique élémentaire (5, 4, 10-10), comme il
résulte des mesures de e m faites récemment par Rutherford et llahn. Le fait que l’hélium est constamment associé
aux minéraux radioactifs, le fait qu’il apparaît dans un tube
scellé où l’on a mis de l’émanation du radium ou de l’acti- nium, sont autant de raisons de croire que les particules a
sont véritablement des atomes d’hélium. S’il en est ainsi,
on doit pouvoir extraire de l’hélium de toute substance radioactive possédant un rayonnement x. La quantité d’hé-
lium qui se forme en un temps donné ne dépendrait que de l’activité et de la constante du temps de la substance.
MM. Greinacher et Kernbaum ont pensé que le polonium, qu’on peut avoir maintenant sous forme de préparation très active, doit, lui aussi, donner de l’hélium. Un calcul très
simple leur a fait voir que de milligramme de polo- nium, abandonné à lui-même pendant 140 jours, doit, si l’hypothèse énoncée plus haut est vraie, produire une quan- tité d’hélium perceptible à l’analyse spectrale. Dans un
tube de 2 centimètres de volume, la teneur relative de l’hélium sous une pression de 1 millimètre de mercure, devrait atteindre 2 pour 100.
Les auteurs ont construit différents tubes de Plücker de volume aussi réduit que possible, et ils y ont introduit des lames métalliques recouvertes de polonium. En faisant dans
ces tubes un vide aussi complet que possible, ils ont espéré
voir apparaître avec le temps les raies de l’hélium. Toutes les expériences unt donné un résultat négatif. Tandis que
les raies du mercure, de l’air, de l’hydrogène étaient nette-
ment visibles, et que ces dernières augmentaient même
d’intensité avec le temps, aucune raie de l’hélium n’a pu être aperçue, méme après chauffage du tube pour chasser les gaz occlus. Dans la mesure où ces expériences permet-
tent de décider la question, il semble donc que le polonium
ne dégage pas d’hélium, et par suite que les particules a
de toutes les substances radioactives ne sont pas identiques
à l’atome d’hélium. Peut-ètre se rattachent-elles plutôt à l’hydrogène ou aux gaz de la famille de l’azote. Léon BLOCH.
I,e radium et les propriétés de ses combinai-
sons. - H. Wilde (Manchester Phil. Soc., di, p. 1,1907).
