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α
William Duane, Otto Scheuer
To cite this version:
William Duane, Otto Scheuer. Recherches sur la décomposition de l’eau par les rayons α. Radium (Paris), 1913, 10 (2), pp.33-46. �10.1051/radium:0191300100203300�. �jpa-00242588�
MÉMOIRES ORIGINAUX
Recherches sur la décomposition de l’eau par les rayons 03B1
Par William DUANE et Otto SCHEUER [Faculté des Sciences de Paris. 2014 Laboratoire de Mme CURIE.]
La décomposition de l’eau par les sels du radium fut observée pour la première fois par M. Giesel1 qui
trouvait que les solutions de ces sels donnaient lieu
au dégagement d’un mélange d’hydrogène et d’oxy- gène.
MM. Iluiige et Bodlander trouvaient qu’un gramme d’une préparation à 5 pour 100 de radium que leur avait transmis M. Giesel donnait en 16 jours 5,5 Cm3
de gaz contenant 12 pour 100 d’oxygène.
Dans des expériences faites avec 50 mgr de bro-
mure de radium, MM. Ramsay et Soddy 2 observaient
un dégagement de 0,5 cm3 de gaz par jour, contenant 28,9 pour 100 d’oxygène et le reste d’hydrogène. La quantité d’énergie nécessaire à cette décomposition
d’eau et rapportée à 1 gr de bromure de radium cor-
respondrait à 10 cm3 de gaz par jour et à 50 gr. ca- lories ou à 2 pour ’l00 de l’énergie totale émise.
M. Ramsay 5, enfermant 4 millicuries d’émanation de radium avec de l’eau dans un ballon scellé, cons-
tatait que le mélange de gaz formé par l’action de l’émanation sur l’eau avait un volume variant de 1,8 à 4 cm3 et contenait un excès d’hydrogène de 5 à 14
pour 100 par rapport à sa proportion dans le gaz ton- nant. Il ne trouvait pas de l’eau oxygénée dans l’eau
soumise à l’action de l’émanation.
MM. Ramsay et Cameron 4, étudiant l’action de l’éma-
nation sur l’eau en maintenant a volume constant les
phases gazeuse et liquide et en observant l’auglnenta-
tion de la pression exercée par le gaz produit, trou-
vent, dans ces expériences qu’ils considèrent comme
préliminaires, que la courbe de vi tesse de décompo-
sition de l’eau en fonction du temps est une exponen- tielle. La période représentant l’action totale s’ap- proclre d’autant plus de celle de l’émanation
[5,86 jours] que les mesures deviennent plus exactes.
Ils obtenaient des résultats pareils en étudiant la rc-
combinaison de l’hydrogène et de l’oxjgène sous l’in-
illlence de l’émanation. La décomposition de la vapeur d’eau n’a pu être observée par eux.
M. Debierne 5 a effectué la décomposition de l’eau,
sans la mettre en contact direct avec la substance ra- i. Berliner BeJ’.. 35 1902), 3t30J.
2. Proc. Roy. Soc.. 72 HJ03 204.
5. JOlll’ll. chem. Soc.. 100ï.
4. Journ citent. Soc.. 93 (1908) 966-992.
5. C. P.. 148 (1909) 703: Itodium. 6 1909) 65.
dioactive, en la laissant simplement sous l’action des
rayons pénétrants 8 et y. L’eau exposée a l’influence des rayons du chlorure de radium se trouvait dans
une ampoule scellée, reliée à un manométre. L’aug-
mentation de la pression du gaz dégagé était parfai-
tement régulière et presque exactement proportion-
nelle au temps. Le débit du gaz était en moyenne 0,115 cme par jour et par gramme de radium. L’éner-
gie du rayonnement absorbé par l’eau était seulement de l’ordre de 1 pour 100 de l’énergie totale.
Kernbaum 1, en reprenant les expériences de M. De-
hierne et en analysant le gaz dégagé et l’eau, consta-
tait que le gaz dégagé était de l’hydrogène presque pur et que l’oxygène se trouvait combiné à l’eau sous forme d’eau oxygénée. Pour expliquer ce résultat
inattendu, il suppose que les rayons 8 provoquent un mode anormal de décomposition de l’eau suivant la formule :
2H2O=H2O2+H2.
M. Debierne 2 a montré que les solutions d’acti- nium donnent lieu à une production très régulière
d’un mélange d’oxygène et d’hydrogène, qu’il évalue
à 0,007 cme par heure de la solution utilisée, solu-
tion dont l’activité correspondrait u environ 0,02 gr de radium.
Mme Curie et M. Debierne constataient la décom-
position de l’eau sous l’action du polonium et l’attri-
buaient uniquement aux rayons a.
M. Usher4, continuant les expériences de MM. Ram- say et Cameron sur la décomposition de l’eau par l’émanation, trouve clue les rayons B de l’émanation
en équilibre avec 1 gr de radium produisent 6,486 cm3
de gaz tonnant et les rayons x 130, 17 cme, c’est-à- dire environ 20 fois plus. La fraction d’énergie de
l’émanation qui se retrouve sous forme chimique dans
les produit; de décomposition de l’eau est 5,7 pour 100 environ. Un atome d’élnanation décompose 154,000 molécules d’eau et 151,000 molécules de gaz ammo-
niac. Il lui semble que l’ean cn se décomposant exige
’trois fois plus d’énergie que le gaz ammoniac et que néanmoins une quantité donnée d émanation [un
1. C. li.. 148 (1909) 703: Radium. fi ’909 223.
2. CURIE. Traité de Radioactivité. 1910. p. 248.
3. CURII, Traité de Radioactivité. 1910. p. ’152.
4. Jahr b. der Radioactivität ll. Elel,tloJuk, 8 1911 323.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:0191300100203300
atome détruisit le même nombre de molécules dans les deux cas.
On voit donc que les résultats des recherches pré-
citées varient et selon l’emploi de sels de radium ou
d’émanation comme source radioactive et selon la méthode expérimentale mise en oeuvre.
Sur le désir de Mme Curie qui, très obligearnment,
a mis à notre disposition une solution de 0,5 gr de chlorure de radium, nous avions entrepris une rc-
cherche étendue sur l’action des rayons x sur l’eau, pour laquelle nous nous sommcs imposé les condi-
tions suivantes :
1° Étendre nos recherches sur les trois formes de l’eau, liquide, glace et vapeur.
2° Utiliser une source concentrée des rayons a réa-
gissant sur la quantité d’eau strictement nécessaire pour les arrêter et réduire au minimum l’influence des rayons plus pénétrants B et r/. Cette eau était à
répartir aussi uniforrnément que possible autour de
la source rayonnante.
5" Soustraire au rayonnement dans la mesure du possible tout le gaz produit au fur et à mesure de sa
formation sans avoir à le sortir de l’appareil.
4° Poursuivre la marche du phénomène pendant
un temps assez long en mesurant à des intervalles voulus de temps la quantité de gaz dégagé et faire l’analyse de ce gaz afin de connaître sa composition.
5° Déterminer au besoin la très faible quantité
d’eau oxygénée formée par voie physico-chimique à la
fin de l’expérience en évitant de la doser à l’air libre,
hors de l’appareil.
6° Comparcr la quantité totale de gaz produit, non
pas avec la quantité de substance active présente,
mais avec l’intensité du rayonnement.
Décomposition de t eau à l’état liquide.
Pour ces recherches nous a vous choisi, comme
source concentrée des rayons a, l’émanation’, qui se
laisse facilement comprimer dans un petit volume et
dont la vie est assez longue pour permettre d’entre-
prendre des expériences précises.
L’émanation extraite de notre solution de 0,5 gr de chlorure de radium a été purifiée par la méthode
employée ordinairement dans le laboratoire [purifica-
tion par KOH, Cu, CuO, P2O3, condensation dans l’air
liquide, etc.] et comprimée à l’extrémité d’un petit
tube li paroi mince [l’épaisseur de la paroi de nos
tubes variait entre 0,004 et 0,06 mm] pareil à ceux qu’ont fabriqué MM. Rutherford et RoSds 2.
La figure 1 montre le dispositif employé. A est
le tube à paroi mince soudé à l’intérieur du tube
capillaire B [de 0,9 à 1 mm de diamètre intérieur
1. Nous comprenons sous le mot « émanation s l’émanation elle-même avec ses descendants immédiats, radium A, 13, C.
qui disparaissent en même temps qu’elle et suivant sa loi de
décroissance.
. 2. Phil. Mag., 17 (1909 281.
portant la boule C. C’est dans l’espace cylindrique compris entre A et B qu’on introduira plus tard l’eau
à décomposer. L’émanation est enfermée par du
mercure à l’extrémité de A sur une longueur de 10
à 50 mm. In fil de platine mince 1, plongeant dans le
mercure et fixé au moyen de golaz au bout inférieur du tubc A qui est ainsi bouché, facilite la dissipa-
tion vers l’extérieur des
charges électriques qui s’.ac-
cumulent en A.
Quelque temps après
l’introduction de l’émanation
en A fau moins 5 heures] et
avant de souder sur l’appa-
reil (fig. 2) le dispositif qui
la contient, on fait une me-
sure de la quantité d’éma-
nation présente par la mé- thode courante de dosage au
moyen des rayons y.
La boule C est soudée d’un côté par le tube D sur le
dispositif d’introduction de l’eau et de l’autre sur le
long tube capillaire E du
corps de la jauge F. Celle-ci
porte le tube capillaire G
dans lequel le gaz produit
par la décomposition de l’eau
sera comprirné par le mer-
cure provenant du réservoir
H, après avoir traversé le Fig. 1.
caoutchouc 1 et le purgeur K.
Ayant observé que le platine en contact à la tempé-
rature ambiante avec le gaz à mesurer donne lieu à la recombinaison de l’hydrogène avec l’oxygène, nous
avons a,jouté le tube recourbé L rempli de mercure pen-
dant la marche de l’expérience. Il sépare alors le gaz
en G du tube M muni de deux électrodes P de fil de
platine dans lequel on fait l’analyse du gaz mesuré en G.
Afin de maintenir la jauge et l’eau à décomposer à
une température constante, la partie principale de l’appareil est placée dans le gros tube en verre N dans
lequel on fait circuler un fort courant d’eau pendant
la durée de l’expérience.
Avant le montage de l’appareil on avait soigneuse-
ment calibré, à l’aide de mercure, le volume de la boule C, ainsi que celui de la jauge F et des tubes E, G, L et M, portant des divisions millimétriques.
L’appareil étant muni du robinet 1 et soudé aux
appareils de vidange par l’intermédiaire de l’ampoule
R et du tube S contenant de l’acide phosphorique an- hydre, on remplit N d’eau à 501 et, en tenant fermés
les robinets 2, 5 et 5, on fait le vide d’abord à la trompe à eau, puis à la pompe à mercure jusqu’à quelques dix-millièmes de mm de pression. Après
avoir maintenu ce vide pendant quelques heures et
chauflé de temps en temps avec un bec Bunsen le dis-
positif d’introduction d’eau pendant que le tube N reste rempli d’cau à 50°, on place du mercurc purifié
par distillation dans la boule T. De la, on le laisse
rig. 2.
tomber goutte à goutte par le robinet 5 dans le tube f jusqu’à ce qu’il remplisse les deux tiers du volume de la boule Z. Puis on ferme le robinet 1.
On remplit alors le purgeur K de mercure qu’on
laisse monter jusqu’à g; après quoi on remplit T
d’eau purifiée par distillations fractionnées. Au moyen d’une petite flamme, cette eau est portée à
l’ébullition en T où on fait le vide pour la débarrasser de toute trace d’air dissous. En ouvrant le robinet 5
on introduit l’eau dans le tube jl Puis on baisse le
niveau de l’eau chaude dans le gros tube N et, en refroidissant la boule C au Inoyen d’eau froide, on
distille l’eau du tube f dans l’espace cylindrique entre
A et B, après quoi, par une maiioeuvre très simple des
robinets 5 et i, on fait monter le mercure de la boule Z dans les deux branches du tube f .
Quani la jauge de la pompe il mercure indique une pression de l’ordre du millième de mm dans l’appa-
reil, on le sépare de la pompe en fermant le robinet 1. L*eau chaude en N étant remplacée par de l’eau froide dont la température pendant l’expérience est
lue sur les deux thermomètres t1 et t2, on fait mon-
ter le mercure du réservoir H en remplissant F et les
tuljes G, L et M. De cette façon, on mesure dans le tube M le volume du gaz qui se trouvc dans l’appareil
à l’instant de la fermeture du robinet 1, en notant la
différence des ménisques du mercure dans les tubes
E et lI. Ces lectures faites, on vide la jauge F en
laissant rempli de mercure le tube recourbé L. L’eau
et le gaz sont alors uniquement en contact avec le
vcrre et le mercure, et l’appareil est prêt pour l’expé-
rience qui commence à partir du moment de la fer-
meture du robinet 1.
Quelques minutes après l’introduction de l’eau dans l’espace entre les tubes A et B, surtout quand
on travaille avec des fortes quantités d’émanation,
l’on observe le dégagement de petites bulles gazeuses.
Celles-ci montent à travers la colonne d’eau qui
entoure l’émanation. Quoiqu’elles laissent sur les
tubes A et B une couche d’eau assez épaisse pour arrêter les rayons a, elles entraînent dans la boule C
un peu d’eau qui est amenéc dans le long tube E et
par la suite dans la jauge F.
Bien que la température dans le bas du tube N soit
un peu plus élevée [0,2 à 0,5"] qu’en haut où l’eau
entre, il arrive de l’eau du tube B dans les parties
inférieures de l’appareil. De temps en temps on redis-
tille cette eau dans le tube B en refroidissant avec de la ouate imbibée d’éther la boule C et en chauffant
au besoin le tube E et la jauge F avec de 1 eau tiède.
Vu la grande quantité de vapeur d eau contenue
dans le grand volume de la jauge, il s’en condense
toujours assez au moment de la lecture pour assurer le
même degré de saturation en vapeur d’eau dans les
phases gazeuses.
Pour mesurer la quantité de gaz dégagé, on fait
monter le mercure de la jauge de façon à emprisonner
dans le haut des tubes G et L le gaz qui se trouvait primitivement en F. La position des ménisques donne
son volume et sa pression.
Pour connaître la quantité totale du gaz forrné il suffit de multiplier la quantité mesurée dans la jauge par le nombre, obtenu par le calibrage de l’appareil, nom-
bre qui inesure Je rapport du volume total au volume de
la jauge. La pression du gaz enfermé dans les tubes G
ou NI au moment de la lecture de son volume est données respectivement par la dilférence des hauteurs des ménisques en E et G, et en E et M. Cette pression
est a corriger de la faible pression exercée par le gaz resté en C et E.
Pour analyser le gaz produit et après ravoir me-
suré en G, on l’introduit dans le tube M, on l’on
effectue une nouvelle lecture contrôlant ainsi la quan- tité de gaz à analyser. Après avoir fait jaillir l’étin-
celle entre les électrodes P jusrlu’à volume constant,
une nouvelle lecture renseigne sur le volume de gaz tonnant disparu et celui d’hydrogène formé en excès.
l La quantité d’hélium est négligeable. Cet hydrogène
reste enfermé en M, quand on abaisse le mercure pour vider la jauge F, si l’on a soin de laisser une colonne de mercure assez longue dans le tube L.
Dans des expériences préliminaires de durée variant
entre 3 et 9 jours, nous avons reconnu que le gaz dé-
gagé est un mélange de gaz tonnant et d’hydrogène.
Dans ce but, après avoir enlevé le gaz tonnant par l’élincelle électrique, on introduisait par le robinet t tir peu d’oxygène pur [obtenu par chauffage de permen-
ganate de potasse et lavé dans des barhoteurs à potasse
caustique] dans le tube M, oil on le mesurait. La di- minution du volume de gaz après une nouvelle étin- celle prouve la l’ormation d’hydrogène en excès.
Résultats des expériences.
Dans les trois tableaux suivants relatant les me- sures sur l’eau liquide à la température ordinaire
nous indiquons à la tète de chaque tableau la date et l’heure du commencement de l’expérience [moment
de la fermeture du robinet 1], la quantité d’émana-
tion en curie présente dans le tube A à ce moment,
lc rapport du volume total de l’appareil [espaces G+E+F+G au volume de la jauge [F+G], lc
volume du gaz contenu à ce mOnlent dans l’appareil
et la constante K donnant la quantité de gaz en cme
dégage par curie-heure et dont le calcul sera donné p. 59.
Les tableaux eux-mêmes contiennent : la date et l’heure des leclurcs, la durée totale de l’expérience depuis la fermeture du robinet 1, la température mojenne t de l’eau en N au moment de chaque lec-
ture, la pression p en mm et le volume v en cm3 cor-
respondant àcctte pression, et 1hüo le volume rapporté
à la pression de 760 mm. v total est le volume total de
gaz dégagé depuis le commencement de l’expérience,
vH est la quantité d’hydrogène en excès qu’il contient
et vH pour 100 est le pourcentage de cet hydrogène
en excès contenu dans le volume total [v toial].
L’inspection de ces tableaux montre que la quan- tité totale de gaz dégagé augmente rapidement au
commencement de l’expérience et tend vers une
limite qui est presque atteinte au bout d’un mois. La
quantité d’hydrogène formé en excès augmente au
commencement pour diminuer après quelques jours.
Ce fait possède son importance puisqu’il prouve qu’au
début il se forme un excès d’hydrogène, tandis que dès le moment où la quantité d’hydrogène restant
dans le tube M [après l’étincelle enlevant le gaz ton- nant contenu dans le gaz dégagé] comnlence à dimi-
1" EXPÉRIENCE
Commencée le 5 janvier 1912, à 11 h. 45 m , avec 0 01468 Curie d’émanation.
173 86 Rapport des volumes
159.58 = 1.0895 ; gaz résiduel en M = 0.2 mm5: K = 0,1314.
II EXPÉRIENCE
Commencée le 19 mars 1912, à 11 heures, avec 0.0383 Curie d’émanation.
Rapport des volumes 148.0 1.1258 : gaz résiduel =0 0 42 mm - K = 0 825.
Rapport des volumes
131. li6 == 1.1258 : gaz résiduel = 0 42 lnm’): K = 0 825.
IIIe EXPÉRIENCE
Commencée le 2 mai 1912, à 18 h. 15 m., avec 0 01915 Curie d’émanation.
Rapport des 148.49 = 1.130 ; gaz résiduel 1 = 0.41 mm3 ; K = 0.685.
Rapport des volumes 131. 40
-- 1.130; gaz résiduel = 0.41 mm3 ; K = 0. 685.
