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Submitted on 1 Jan 1912
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Sur l’origine des rayons β et γ des substances radioactives
E. Rutherford
To cite this version:
E. Rutherford. Sur l’origine des rayonsβ et γ des substances radioactives. Radium (Paris), 1912, 9 (10), pp.337-341. �10.1051/radium:01912009010033700�. �jpa-00242569�
MÉMOIRES ORIGINAUX
Sur l’origine des rayons 03B2 et 03B3 des substances radioactives
Par E. RUTHERFORD
[Université de Manchester. - Laboratoire de Physique.]
De l’étude des radiations x émises par une substance
radioactive, on a déduit que chaque atome d’une sub-
stance en se désintégrant émet une particule a, expulsée avec une vitesse déterminée et présentant un
parcours dans l’air caractéristique de cette substance.
La seule exception concerne le produit thorium C, qui émet deux groupes distincts-de rayons x, ayant
chacun un parcours dans l’air déterminé mais diffé- rent. Dans ce cas, l’atome semble se séparer suivant
deux processus distincts.
Dans beaucoup de transformations il y a émission de rayons B et y, et, par analogie avec les transfor-
mations accompagnés de rayonnement a, on pourrait
s’attendre à ce qu’une particule B de vitesse définie soit émise lors de la désintégration de chaque atome.
Les expériences, cependant, de v. Baeyer, Hahn et
Miss Jleilnert 1 et plus tard de Danysz 2, ont montré
que l’émission de rayons B par une substance radio- active est dans la plupart des cas un phénomène très compliqué. La complexité du rayonnement est montrée de la façon la plus simple en observant la déviation d’un étroit faisceau de rayons B par un champ magnétique dans le vide. Si les rayons tombent sur
une plaque photographique, on observe un certain
nombre de pinceaux finement marqués, indiquant que les rayons sont complexes et consistent cn un certain nombre de groupes de rayons homogènes, chacun
d’eux étant caractérisé par une vitesse déterminée.
Cette complexité du rayonnement est le mieux mis
en évidence par les produits rlui émettent des rayons
B pénétrants et des rayons intenses; par exemple,
chacun des produits thorium Il et mésotliorium !2 émet un certain nombre de groupes de rayons 3 ot
de rayons y pénétrants bien définis. La complexité des rayon; j5 est, cependant, représentée de la façon la plus marquée dans le cas des produits radium B et
radium C, quand on emploie une source de rayons
très intense. En utilisant comme source de rayons
B un tube de verre a mince paroi contenant une grande quantité d’émanation de radium, Danysz a
1. N. BABYER et Ihnx, Plrys. Zeitsche.. 11 1910 488
V. BAEYER. HAHV et MEITNER. Phys. Zeitschr . 12 1911 273 et 378 : 13 1912 264
2. DANYSZ. C. R. 153 1911 339 et 1066 le Radium 9
1191) 1.
trouvé que le radium B et le radium C émettaient ensemble environ 50 groupes de rayons homogènes.
Malgré cette grande complexité des rayons 8 de ces produits, l’expérience générale a montré que le nombre des particules B qu’ils émettent est à peu
près celui auquel on s’attendait en admettant que
chaque atome en se séparant émît seulement une
particule B. Ce point important a été soigneusement
étudié par Il. Moseley1, qui a montré qu’il n’y avait
pas plus de 2,15 particules B émises pendant la désin- tégration d’un atome de radium B et d’un atome de radium C. En séparant ces deux produits, Moseley a
troué que l’atome de chaque produit participe pour la moitié environ de ce nombre. Il semble clair ainsi
qu’en moyenne un atome en se désintégrant émet a
peu près une particule 03B2.
En dehors des produits bien connus qui émettent
un rayonnement Baeyer, Hahn et Meitner ont
montré par la méthode photographique que le radium lui-même et le radium D énlettent un faible rayonne-
ment ri qui se compose dans chaque cas de deux
groupes dénnis de rayons 03B2, Dans ces cas. on n’a pas
encore observé d’une façon évidente t’émission d’un
rayonnement y.
Il semble hors de doute que tes rayons y d’une substance radioactif’ sont étroitement liés aux
rayon 03B2. et que ce-, deux types de rayons naissent dans la transformation du même atome. La recherche
pourtant, a montré qu’il n’y a pas une relation qui-
conque évidente entre l’intensité relative des rayons 03B2
est Y qui soilt émis par un produit donné. Les produits
radium C, thorium D et mésothorium 2 émettent des rayons 03B2 et 03B3 ayant à peu près le même pouvoir pénétrant et en proportion relative a peu près la
même. D’antre part. l’uranium X. qui éinet des rayons 03B2 pénétrant donne relativement peu de rayons y. Un exemple encore plus frappant est
fourni par le produit à rayonnement B, radium E, qui, comme Gray 2 l’a montré, émet un rayonnement
; excessivement faible relativement. Ceci semble
1. Mon The, number ol js particles emitted in the transformation of radium . Prod. Roy Soc , 87 1912
130
2. GRAY. Proc. Roy. Soc.. 85 1911 131 : 86 1912 317
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:01912009010033700
338
rendre manifeste le fait qu’il n’y a que les produits qui émettent des groupes de rayons B bien définis qui
émettent aussi un rayonnement y intense; car, aussi loin qu’on a poussé l’observation, les rayons B de
l’uraniun1 X et du radium E donnent un spectre con-
tinu dans un champ magnétique.
Afin de rendre compte de rémission de groupes de rayons homogènes par un seul produit, il est néces-
saire de supposer, soit que l’atolne se sépare en un
certain nombre de processus différents, chacun d’eux
étant caractérisé, par 1"émission de particules a de
v itesse déterminée, soit que les rayons B ont leur
vitesse altérée d’une façon déterminée pendant leur oépart de l’atome qui se désintègre. D’après la pre-
lnière hypothèse, on pourrait présumer que les dif-
férents modes de transformation d’un produit à rayon-
nement B donneraient naissance à une série de nou- vaux produits, mais on n’observe seulement qu’un produit. De plus, l’énergie émise pendant la transfor- mation d’une espèce de matière en une autre varierait largement pour les différents atomes de la même sub- stance, et ceci semble improbable. Dans la seconde hypothèse, on suppose que la désintégration de chaque
atome a lieu suivant exactement le mème processus
avec l’émission de la même quantité d’énergie, mais
que l’énergie de la particule B peut être diminuée de
quantités déterminées mais différentes par des trans- formations de son énergie dans son passage à travers l’édifice atoinique d’où elle est née. Puisqu’on sait que les rayons B en s’échappant de l’atome donnent nais-
sance n des rayons y, il est naturel de supposer que la perte d’énergie de la particule B en quittant l’édi-
Cice atomique est liée de quelque manière à la pro- duction de rayons y.
Les travaux de Barkla et autres sur les rayons X ont
mis en lumière que dans des conditions convenables
d’excitation, chaque élément émet un ou plusieurs
types définis de rayonnement y, qui sont caractéris-
tiques de l’élément. Barkla1 a déterminé le coefficient
d’absorption u dans l’aluminium des rayons X carac- téristiques pour les éléments de poids atomiques
croissants jusqu’à 140. La valeur de u/D pour l’alu- minium, où D est la densité, décroit rapidement avec
le poids atomique et varie entre 455 pour le calcium de poids atomique 40,1 à 0,6 pour le cérium de poids atomique 140,25. En portant en coordonnées les
logarithmes des valeurs de u.ID et les logarithmes des poids atomiques correspondants, les points, pour les éléments plus lourds, se rangent u peu près sur une ligne droite. Si cette ligne droite est tracée, on peut
montrer par extrapolation qu’un élément de poids atomiquc 214 émettrait une radiation caractéristique
pour laquelle la valeur de u D = 0,04 environ relati- vement a l’aluminium. Ceci est en bon accord avec la valeur :1- D= 0,0406 relative à l’aluminium trouvée
I, BARRLA, Phil. Mag., 22 (1911; 396.
par Soddy et Russell pour les rayons y pénétrants du
radium C. Il pal°aitraït ainsi probable que le rayonne- ment y pénétrant du radium C dnt ètre regardé
comme un rayonnements caractéristique de cet élément
excité par le départ des particules 6 de l’édifice ato-
mique.
’Yhiddington 1 a montré que la particule B ou la particule cathodique tombant sur la matière doit avoir
une vitesse minimum déterminée pour chaque élément
avant que la radiation caractéristique de ce dernier
soit excitée. Sur le parcours examiné cette vitesse est tout de suite égale à A X I0g cm par seconde où A est le poids atomique de l’élément. Si on peut sup- poser que cette loi s’applique d’une façon générale pour
tous les éléments, la vitesse de la particule B exigée
pour exciter la radiation caractéristique du radium C
de poids atomique 214 doit être 0,71 de la vitesse de la lumière. Il n’est pas improbable, cependant, que
l’énergie 1 2
m u2 plutôt que la vilesse u est le facteurqui détermine les particules B de grande vitesse. Ceci
étant pris en considération, la vitesse nécessaire pour exciter la radiation caractéristique est donnée par
u = 1 OIA Vmo/m, où m. est la masse de la particule B
pour les faibles vitesses. Dans cette hypothèse u=0,63 de la vitesse de la lumière. La valeur moyenne pour les deux méthodes de calcul donne u=0,67. L’énergie correspondante de la particule
ponr la valeur moyenne de o est 1,5 X J 015 e ergs, où
e est la charge portée par la particule B. Si on sup- pose que l’énergie entière de la particule p est trans-
forméc en radiation y, l’énergie absorbée pour exci-
ter la radiation y caractéristique serait 1,5 X 10 13 e
ergs.
Si la complexité de la radiation B est liée à 1 émis-
sion de rayons y, on doit s’attendre à ce qu’une
relation déterminée existe entre les énergies des particules B dans chacun des groupes émis. A ce
point de vue, il est intéressant d’examiner s’il y a
quelque preuve d’une telle relation pour les rayons P
émis par les radiurn B et C. Les résultats de Danysz
sont mentionnés dans le tableau I.
Les divers groupes dilfèrent largement en intensité photographique. C’est ce qui est désigné dans la
colonne 1 par les symboles i = fort, m = moyen,
f= faible, t f = trés faible Chaque groupe est désigné par un numéro placé dans la seconde colonne; pour être sûr d’ètre complet, deux groupes de rayons de faible vitesse A et B observés par Hahn ont été ajoutés à ceux de Danysz. La troisième
colonne donne la valeur de H, déterminée expéri- mentalernent; la quatrième colonne S le rapport de
la vitesse de la particule B à celle de la lumière, cal-
culée par la formule de I,oreuz-Einstein. Dans la
cinquième colonne j’ai ajouté la valeur de l’énergie
1. NVIIIDDINRTON, Proc. Roy. Soc., 85 (1911) 323.
de la particule B. La valeur de e/ni pour la particule B est prise égale à 1.772 X 107 U E. M.
Tableau I.
En partant du groupe n° 21, les différences avec
les énergies des particules B individuelles des autres
différents groupes sont représentées dans la colonne 2 du tableau suivant :
Tableau II. -
En examinant ces différences, on voit qu’elles peuvent être exprimées d’une façon satisfaisante par la relation pEi + qE;H où E1= 0,456 X 10t;)e, E2= 1.556x1013e, et p et q sont des nombres entiers qui peuvent avoir des valeurs quelconques 0, 1, 9, 5 etc. Les diflérences calculées dans cette
hypothèse sont représentées dans la dernière colonne et on voit qu’elle sont en bon accord pour toute la série de faisceaux du n° 21 au n° 11. Cette relation
ne s’applique plus au-dessous du faisceau n° 11:
mais, en toute probabilité, la plupart des faisceaux de 1 u 10 appartiennent au radium B et non au
radium C. L’énergie de la particule pour le groupe
n° 21 est 8,65xl0’’e, tandis que sa vitesse est
0,062 de celle de la lumière. Les groupes 22 et ’5
ne sont pas contenus dans le calcul car Dam sz établi
que le n° 21 renl’erme de 5 li 5 groupes de rayons B,
pour lesquels il ne donne que la vitesse moyenne ; de même le groupe 23 est considéré comme groupe
complexe.
Les valeurs de la vitesse des particules B deman-
deront à être connues avec une grande précision avant qu’une relation puisse être
défintivement étahlie, mais
il ne parait pas probable
que la relation observée soit accidentelle. Il est intéres- sant de remarquer que la va- leur de E2 = 1.556 X 1013e
est en bon accord avec
l’énergie calculée de la
parlicule p, a savoir : 1,7J X IOne, (lui serait né-
cessaire pour exciter la ra-
diation caractéristique du
radium C. La valeur de E, peut, d’une façon analogue,
être reliée à l’énergie néces-
saire pour exciter le second type de radiation X ca-
ractéristique qui a été observé dans un certain nom-
bre d’éléments par Barl,la.
Il est possible que certains des groupes de 10 à 1
appartiennent aussi au radium C. Par exemple, le
faisceau 8 donne bien une diflérence 4Ei + 5E2 avec
le faisceau 21. Hahn a déterminé la vitesse des groupes des rayons plus intenses du radium B et du radium C séparément. Pour le radiuni B il donne les valeurs B = 0,56, 0,41, 0,65, 0,69, 0,74. Les trois derniers correspondent sans doute respectivement
aux groupes 1, 4 et 7 donnés par Danysz. Un groupe pour lequel B=0.80, qui semble correspondre au
groupe 10 est attribué au radium C. Le groupe 10,
cependant, ne semble pas satisfaire ii la relation trouvée pour les groupes de 11 à 21. Il serait très
important de déterminer dëimitivemcnt la division des groupes de rayons B observés entre le radium B
et le radium C.
Si les groupes allant du numéro 10 tti numéro 1, supposés appartenir au radium B subissent la même
analyse que les groupes du radium C, les différences peuvellt être exprimées approximativement par la relation pEt + qE2’ dans laquelle E, = 0, 114 X 1015e
et E2 == 0, 144 X 1013e. L’accord, d’aillcurs, (Iutre le
calcul et la théorie n’est pas tout à fait aussi bon que pour le cas précédemment examiné et il est douteux d’ y attacher quelque importance. Pour les rayons B
de faible vitesse considérés ici, la diminution de vitesse en passant au travers de parois de verre du
tube a émanation est tout à fait appréciable, et la
correction est dill’érente pour chaque groupe. Jusqu’à
ce que cette correction soit faite, il ne semble pas
possible de tirer quelques conclusions, nettes La façon la plus simple d’interpréter cette relation
entre les groupes de rayons 3 est de supputer que la même énergie totale est émise pendant la désinté- gration de chaque atome, mais que l’énergie est
340
divisée entre les rayons B et y en proportions
variables pour les différents atomes. Pour certains atomes, la plus grande partie, si ce n’est la totalité,
de l’énergie est émise sous forme de particule B de grande vitesse; pour d’autres, l’énergie de la parti- cule B est réduite de quantités déterminées lnais dif- férentes par transformation d’une partie de son éner- gie en rayons y. Supposons, par exemple, que l’éner-
gie totale libérée sous forme de rayons a et y pendant
la transformation d’un atome soit Eo. Si la particule
avant son départ de l’atome traverse deux régions où l’énergie requise pour exciter un rayon y est Ei et E2 respectivement, l’énergie résultante de la particule B
est Eo - (pE1 + qE2), oiI p et ct sont des nombres
entiers correspondants au nombre de rayons y excités dans chaque région. L’énergie émise sous forme de
rayons y est pE1 + qE2 et p rayons y d’énergie E1 et d d’énergie E2 apparaissent.
Suivant cette idée, la transformation d’un atome
donne naissance à un seul rayon B, mais à p rayons y d’une espèce et à cl d’une autre. Les groupes de
rayons homogènes observés sont l’effet statistique
dû à un grand nombre d’atomes qui se désintègrent.
La distribution relative des particules 8 parmi les
nombreux groupes de rayons homogènes dépendront
dela probabilité pour que 0, 1, 2, etc., unités d’éner-
gie E1 et E2 soient extraites de la particule B en tra-
versant l’atome.
Cette façon d’envisager la relation entre les
rayons et y suggère que le nombre de rayons y émis par le radium C soit considérablement plus grand
que le nombre de rayons B. En supposant que chaque
rayon y du radium C soit changé en un rayon B Moseley (loc. cit.) a trouvé qu’au moins deux rayons y
apparaîtraient lors de la transformation d’un atome de radium G. Il y a raison de penser que c’est une estimation minimum, et que le nomhre actuel est
deux ou trois fois plus grand.
Des résultats déjà considérés, il ne s’ensuit pas nécessairement que le groupe 21 doive être regardé
comme la tète de la série du rayonnement B. On peut obtenir la raison de ce fait en calculant l’énergie E,
libéré par atome sous forme de rayons 8 et y pendant
la transformation du radium C. Dans des expériences
récentes de même nature dont les résultats ont été communiqués à l’Académie de Vienne, l’auteur
et M. H. Bobinson concluent que l’effet caloriliclue
des rayons [i et j provenant de 1 gramme de radium est 10,8 gramme-calories, sur lesquelles 4,5 sont
relatifs aux rayons et 6,5 aux rayons y. Une part incertaine de cette énergie appartient aux rayons B
et y du radium B; mais il n’y aura pas grande erreur
si on suppose que l’énergie des rayons B et y du radium C dans 1 gramme de radiun1 est environ 8 gramme-calories par heure. En supposant, comme Moseley l’a montré, qu’ul1 rayon B est en moyenne
expulsé de chaque atome de radium C, l’énergie
émisc par atome de radium C sous forme de rajons fi et y est 17,8 x1013e ergs, en admettant que 3,4 x1010 particules 6 par seconde sont émises par le radium C
en équilibre avec un gramme de radium. Ceci cor-
respond approximativerllent à l’énergie moyenne de la
particule a contenue dans le groupe n° 99, y à savoir : 16,6 X 1013e.
Danysz établit que le faisceau n° 22 se compose de 3 à 5 groupes de rayons B, pour lesquels il ne donne
que la vitesse moyenne du groupe. En l’absence de la connaissance définie de la vitesse des composants,
il est impossible de discerner si une relation quel-
conque existe entre ce groupe complexe et le reste de
la série du radium C. La grande différence entre les
énergies des rayons B des groupes 21 et 22 indique qu’il existe probablement une troisième région à
l’intérieur de l’atome pour laquelle l’énergie néces-
saire pour exciter les rayons y est beaucoup plus grande que celle relative aux deux autres régions
considérées.
A moins que l’énergie des rayons B et y du radium déterminée par l’expérience n’ait été estimée beau-
coup trop bas, il ne semble pas possible de supposer due le 1-ad-on p le plus rapide donné par Danysz, qui a
pour énergie 27 X 10 15e, puisse être à la tête de la
série de rayons 8. L’existence d’un tel groupe rapide
de rayons S est, en effet, sujette à quelque doute,
comme Danysz l’établit expressément dans sa note.
L’effet photographique de tels rayons B rapides est
très difficile à découvrir en présence d’une action photographique intense due aux rayon y.
Nous avons jasqu’ici limité notre discussion à la relation entre les rayons B et y émis par le radium C, parce que dans ce cas les données nécessaires sont
beaucoup mieux déterminées et beaucoup plus com- plèles que pour un autre produit quelconque. Il
semble probable, pourtant, que la même explication générale s’appliquera à l’émission des rayons B et y du mésothorium 2 et du thorium D, tous deux émet-
tant un certain nombre de groupes de rayons homo-
gènes et aussi de rayons y pénétrants. Dans chacun de ces produits, l’énergie émise sous forme de rayons y
est à peu près de méme ordre de grandeur que l’éner-
gie émise sous forme de rayons p.
Une difficulté se présente en ce qai concerne les produits a rayons B comme le radium E et l’ura- nium X, cloi émet des rayons P, pénétrants mais des
rayons y relativement faibles. Dans le cas de l’ura- nium X, on observe quelques rayons y pénétrants,
mais ils sont faibles en intensité relative en compa- raison avec les rayons y du radium C. Il est possible
que la structure atomique de l’uranium X est telle que seulement une particule p accidentelle perd de l’ énergie par conversion en rayons y dans son départ
de l’atome. Dans le cas du radium E oir les rayons y
