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Submitted on 1 Jan 1908
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Recherches sur la diffusion des ions gazeux
Ed. Salles
To cite this version:
Ed. Salles. Recherches sur la diffusion des ions gazeux. Radium (Paris), 1908, 5 (11), pp.321-324.
�10.1051/radium:01908005011032100�. �jpa-00242310�
MÉMOIRES ORIGINAUX
Recherches
sur ladiffusion des
ions gazeuxPar Ed. SALLES
[Laboratoire de physique du Collège de France.]
Lorsqu’un gaz ionisé se trouve dans un récipient métallique, les ions’qui sont contre la paroi ont leurs charges neutralisées par les charges de signes con-
traires qu’ils induisent sur le inétal; ceci se traduit
par un gradient dans la concentration des ions, et diffusion de ces derniers vers la paroi. Le phénomène
est analogue à celui qui a lieu quand on renferme 11n
gaz humide dans un récipient dont les parois sont
humectées d’acide sulfurique.
Le coefficient ’de diffusion des ions a une impor-
tance capitale, car connaissant sa valeur et celle de la mobilité, on peut calculer facilement la charges portée par un ion. On a, en effet, comme l’a montré Tovnsend 1:
e= charge de l’ion.
Il mobilité de l’ion.
K= cocfficient de diffusion.
e= uP Kn n=== nomhre de molécules par c. c. a la lem-
pérature de l’expérience.
P = pression atmosphérique.
On doit i Townsend un ensemble de recherches tris intéressantes sur la question; ce savant a trouvé que le coefficient de l’ion + est plus petit que celui de
l’ion ---v, et pour les gaz étudiés que l’un et l’autre coefficient de diffusion est plus faible qne celui des gaz diffusant l’un dans l’autre. Il en résulte que les ions sont des agrégats moléculaires; on voit de plus qu’un gaz ionisé traversant un tube métallique devra présenter à la sortie une charge +, un nombre plus grand d’ions - que d’ions -1- ayant disparu par tif- fusion.
Le dispositif de mesure de Townsend (fig. 1) est le
suivant. Le gaz qui traverse le tube Aj est ionisé par des rayons de Röntgen traversant la fenêtre d’alumi- nium Nii ; il rencontre alors un ensemble de 12 tubes
métalliques iB de 3 millimètres de diamètre intérieur environ et de 10 centimètres de longueur, soudés
dans deux rondelles p’, lesquelles obturent exacte-
1. Pitil. Traus. A., 193-129 d Ions, électrons, corpuscules.
2-920.
iiieiii le tuhc; les trous oit sont soudés les tubes sont équidistants les uns des autres et se trouvent sur un
cercle dont le centre est celui des disques. Au cours
Fig. 1.
du passage un certain nombre d’ions disparaissent par diffusion; le reste, arrivant dans le champ électrique
crée entre l’électrode El et le tube, est extrait du gaz.
Si le tube est chargé positivement, l’électrode recueille des charges +, et des négatives s’il est-. On répète
la même expérience, en faisant passer cette fois le gaz dans le tube A2, identique au précédent, sauf en ce
que le groupe ’l’1 est remplacé par le groupe T 2 iden- tique au précédent, mais différent en ce que les tubes n’ont qu’un centimètre de longueur.
Townsend a montré que, si l’on appelle CI le courant de saturation mesuré dans le premier cas, C2 dans le
second, K le coelficient de diffusion, u le débit, 1, et 1,
les longueurs des tubes étroits employés dans l’une et l’autre expérience, on a :
rosant alors 7,5
1 Kl1 II x =x,
il et c1 c2 =y, on déter-, C,
mine les va’,eurs de !j pour un nombre de valeurs de x
que l’on se donne, est on construit la courbe. Les
mesures f’furmes par les expériences donnent c1 c2 =y,Ça
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:01908005011032100
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il suffit de se porter sur le graphique pour trouvcr x;
x ohtenu, on connaît l1, 11, 7t rapport de la circonfé-
rence au diamètre, il est par suite facile de cal- culer li ’ .
Townsend a fait un grand nombre de détcrmina- tions de K avec divers gaz (air, acide carbonique, hydrogène, oxygène) et diverses sources de radiations
(rayons de RÕntgen, radium, rayons ultra-violets aigrette) .
Ayant entrepris un ensemble de recherches sur la diffusion des ions, j’ai essayé de perfectionner la
méthode expérimentale. D’autre part Townsend ne semble pas s’ètre préoccupé d’un point, qui aurait de l’importance s’il était démontré : J.-J. Thomson 2 citant d’anciennes expériences de Rutherford B dit quc peut être à la diffusion s’ajoute un effet spécifique dû
au métal qui forme la paroi. Les expériences de
Rutherford sont purement qualitatives : si, toutes
conditions expérimentales restant les mêmes, on fait
traverser à un gaz ionisé des tubes de zinc, étain ou cuivre, il y a dans les deux premiers cas une diffé-
rence de 20 pour 100 entre la densité en ions -i-- et celle en ions - à la sortie; avec le cuivre elle est
beaucoup moindre.
Désirant élucider ce fait, j’ai imaginé un appareil
permettant à la fois d’étudier la diffusion avec diflé- rents métaux, puis sous des pressions variées, supé-
rieures à la pression atmosphérique, Townsend ne l’ayant fait que pour des pressions inférieures.
La source d’ionisation choisie a été le radium ; mais plus tard en n’employant qu’une moitié de l’ap- pareil, c’est-à-dire un des tubes Ai, A2, j’ai fixé à l’in-
térieur du tube une bague d’argent recouverte de po- lonium; ce produit a l’avantage de ne pas donner de rayons pénétrants, et par suite de produire une zone
d’ionisation bien définie. De plus, afin d’avoir a l’entrée
des tubes une répartition bien régulière des ions au
sein du gaz, la distance entre la région d’ionisation et
l’entrée des tubes a été portée à 15 centimètre
environ.
La nécessité de donner une épaisseur relativement forte aux fenêtres d’ionisation, par suite des pressions
que l’appareil devait supporter, et dans le cas d’une
sonrce ionisante placée extérieurement, entrainait un
doute sur l’égale transparence des deux fenétreà; il
fallait donc pouvoir faire passer les tubes longs de A,
en A2; et cela sans ouvrir l’appareil une fois rempli
du gaz à examiner; il fallait aussi pouvoir introduire
des ensembles ’1B et T2 de métaux différents. Pour
opérer le remplacement de T1 par T2 et varier les nié- taux, j’ai montré 5 couples de batteries T1 est T2 (T1
1. Dans le parcours de U ccnt. représentant la diHerence
entre les longueurs Ti et T2 un certain nombre d’ions ont dis- paru par recomhinaison, d’en nécessité, comme l’a fait Town-
send, de faire subir de ce chef’ une correction aux résultats.
2. Conclue!. of’ Electricity through Gasps, p. 28.
3. Plat. Mag., 1898-241.
longueur 10 centimètres, T2 longueur 1 centimètre, diamètre 2 millimètres), dans nn disque analogue u
1111 barillet de révolver de grandt’s dimensions; ce disque était enfermé dans un récipient étanche. Les
substances métalliques employées étaient les suivantes:
acier, maillechort, laiton. LM réalisation de ce dispo-
sitif a été exécute comme il suit (fig. 2). J’ai intercalé
sur le parcours des tubes A1 A1, A2 A2, un récipient
Fig. 2,
étanche B en bronze de forme cylindrique, fermé par deux plateaux en bronze tourné, portant chacun deux
ouvertures opposées où viennent se brancher les tubes
A, Ai, A, A2. Les ensembles T,, ’1’2 étaient logés dans
un bloc cylindrique D tournant à l’intérieur de B,
autour de 2 axes a a, logés dans deux crapaudines ménagées elles-mêmes dans chacun des deux plateaux
C. Lc bloc D se terminepar deux faces parallèles rodées
sur les deux fonds C pour assurer l’étanchéité. Il porte une crémaillère i a attaquée par un pignon B
manoeuvrable de l’extérieur au moyen d’une mani-
yelle, l’axe du pignon traversant un presse-étoupes.
II est percé de six trous cylindriques équidistants, et
dont les centres se trouvent sur une même circonfé-
rence, dont le centre est celui de la face de 1l. Le mouvement de D au moyen de ap, a pour effet
d’amener successivement les divers éléments T1, T2,
sur l’un des parcours Ai11, Á2A2’ Un top placé à l’in-
térieur annonee que T1 et T2 sont en place; un douhle top annonce la mise en place du groupe acier court en A2, connaissant l’ordre dans lequel les groupes sont
placés, il est facile de savoir sur lesquels on opère.
Ajoutons que le 1Jloe I1 a été allégé dans toutes les par- ties inutile,, ce qui lui donne vaguement l’aspect d’un
très gros barillet de revolver. Le prohlènie de l’étan- chéité entre D et B était particulièrement délicat,
M. Jobin, qui a construit l’appareil avec un soin par-
fait, a tourllé la difficulté de la façon suivante. Le
bloc 1) est en deux pièces d1 et d2, centrées l’une sur
l’autre, dressées sur les deux faces, mais assemblées par un joint flexible étanche E, constitué par une ron- delle de cuivre rouge. Quand on opère sous pression,
les fuites, qui pourraient se produire entre Ti T2 et
leurs logements dans D, vont se rassembler dans l’es- pace entre ô, et °2’ y exerceront une pression qui fera
s’écarter l’une sur l’autre Õ1 et d2 et les appliqueront
avec d’autant plus de force que la pression employée
est plus élevée. C’est ainsi qu’avec une pression de plus de quatre kilos, aucune fuite ne se produisait,
comme on s’en est rendu compte, en imbibant le
prcsse-étoupe d’eau de savon, et en suivant le mans-
mètre.
Il fallait absolument que les électrodes pussent
être amenées à une distance invariable des extrémités des groupes Ti et T2; il était donc nécessaire que
ces électrodes pussent se mouvoir dans le sens de A 1 Al’ A2 A2 d’une longueur de 9 centimètres représen -
tant la différence entre les longueurs des ensembles T1 et T2. Les électrodes ont été disposées de la façon
suivante. L’électrode, équilibrée convenablement, repose sur un cilemin de roulement; des roulettes latérales assurent sa parfaite mobilité. Ce chemin de roulement est isolé électriquement par le dispositif
habituel à anneaux de garde (fig. 5). En inclinant
l’ensemble de l’appareil en avant ou en arhière l’élec-
Fig. 3.
trodc roule dans le même sens. Des butées comman-
dées par un butoir spécial arrêtent l’électrode dans la position voulue. Ce butoir consiste en un pendule
bifilaire H dont la suspension est formée de deux res-
sorts plats en acier et portant un arrêt K. On ma- noeuvre le pendule en inclinant l’ensemble de l’appa-
reil soit u droite, soit à gauche. Le même système
fonctionne de chaque coté Ai Ai, et A2 A2, mais les
arrêts sont disposés de façon à produire des effets
opposés dc tcllc sorte que si l’électrode est au bout de
sa course dans Al Ai elle n’ait pas bougé dans...B2 A2.
Pour incliner l’appareil, dans les diverses positions
nécessaires à la manoeuvre des électrodes, j’ai fait
construire 1111 bâti en Lois pouvant s’incliner d’avant
en arrière, et de droite à gauche.
J’ai employé pour la circulation gazeuse un pro- cédé assez anllogue à celui que Regnault a imagine
pour ses recherches sur la chaleur spécifique des
gaz (1er mémoire). Le gazon1ètre consiste en deux cylindres d’acier à moitié remplis l’un et l’autre
d’huile de vaseline et communiquant par le bas par l’intermédiaire d’une pompe rotative mise en mouve-
ment à l’aide d’un moteur à courant alternatif; une dérivation liquide munie d’un pointeau permet de
faire varier le débit. Le haut de chaque cylindre est
relié par des tulcs métalliques l’un â l’entrée, l’autre
à la sortie de l’appareil de diffusion, de telle sorte que l’on peut ainsi réaliser une circulation de gaz com-
prinlé à une pression supérieure à la pression atmo- sphérique. Des niveaux sont fixés à chaque récipient.
Enfin, au-dessus de l’échelle de l’électromètre, j’ai placé un manomètre de Toepler, dont les extrémités
sont reliées à deux points du circuit gazeux; on main- tient le niveau immobile à l’aide du pointeau pendant
la durée de la mesure. Une échelle en verre graduée placée derrière le tube du manomètre permet de
rarnener le niveau au même point, les expériences
une fois terminées, on anlène le niveau à la position qu’il avait pendant les mesures, pendant qu’un aide pointe au chronomètre le passage du liquide du bazu-
mètre, entre deux positions bien con-
nues des niveaux. J’ajouterai qu’il est indispensahle pendant les mesures de
diffusion d’avoir un courant de gaz ré-
gulier.
Après avoir employé pendant long- temps comme mesure du courant de saturation la mesure de la vitesse que le spot réfléchi par le miroir de l’élec- tromètre mettait à parcourir un cer-
tain nombre de divisions, je me suis
servi de la méthode de M. Moulin, qui
donne des résultats infiniment plus pré-
cis 1; il est d’ailleurs beaucoup plus
facile de surveiller le manomètre.
Dans les expériences dont je rends compte ici, je ne me suis servi que de la moitié de
l’appareil correspondant à la partie A2 A2, la source
ionisante étant un anneau d’argent recouverte de polo-
nium placé à l’intérieur du tube a 15 centimètres environ de l’entrée des tubes. Avant de commencer une expériencc, il faut d’abord mettre en place l’en-
semble T1 ou TB, sur lequel on veut opérer. A cet effet,
on ramène les pendules dans la verticale à l’aide du mouvement de va-et-vient horizontal, puis on bas-
cule l’appareil en arrière de façon à faire glisser les
électrodes sur leurs chemins de roulement R. On 1. Radium, 5-1908-136-141.
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tourne alors la crémaillère jusclu’a ce qu’on entende
deux tops; on sait alors que le groupe acier court
est en place sur le tra,jet A2 A2; les groupes sont
placés dans l’ordre suivant : acier court, maillechort
long, laiton court, acier long, maillechort court, lai-
ton court, il est par suite facile de mettrc en place à
l’aide du mouvement de rotation le groupe sur
lequel on veut opérer, puis suivant qu’on a affaire u
un groupe long et court, on incline soit a droite soit à gauche et enfin on bascule en avant. L’appareil est
alors prêt à fonctionner. Les électrodes sont reliés par des tubes de garde à l’électromètre Curie donnant environ par volt 1 mètre de dëBiation à i"’,50. On
amène alors tout le liquide dans un des récipient du gazomètre de façon que le gaz circnle dans le sens
convenable, puis on met la pompe en marche; quand
le débit est bien constant, ce qu’on peut réaliser en agissant sur le pointeau de la dérivation- liquide,
l’électromètre est isolé et la mesure se fait comme je
l’ai indiqué par la méthode de M. Moulin. Ainsi qu’on
s’en rend compte, le mode opératoire est assez péni- ble, car la main gauche règle le pointeau, la main
droite manoeuvre la clef de décharge et le chrono- mètre, enfin il faut suivre de l’oeil le manomètre et surveiller le moment où le spot passera sur la divi- sion voulue. J’ai pu néanmoins avoir des nombrcs ne
différant pas plus due 5 pour 100 et quelquefois de moins, mais aujourd’hui je suis plus habitué au
fonctionnement du gazomètre et j’espère avoir mieux
encore. Malheureusement par suite du mode de calcul
employé, une erreur de 5 pour 100 sur les mesurcs
électriques implique une erreur de 5 pour 100 sur le résultat final, je ne crois donc pas pouvoir dire que les résultats que je donne sont exacts à beaucoup
moins de 5 pour 100. On effectue une série de me-
sures avec le groupe qui est en place, puis on le rem- placc par un autre et ainsi de suite. Les expériences terminées, on détermine le débit comme jc l’ai dit plus haut.
Les résultats que je public aujourd’hui ont été
obtenus avec l’air. En opérant avec les trois sub- stances métalliques, laiton, maillechort, acier, j’ai
trouvé les conditions expérimentales restant les mêmes
des nombres qui sont groupés dans le tableau ci- dessous.
Les résultats ne comportent pas les corrections pour recombinaison qui abaisseraient les valeurs
trouvées sensiblement de la même quantité. Le gaz, l’air en l’espèce, n’était pas parfaitement desséché,
c’est ce qui explique l’6carl avec les nombres trouves par Townsend, et que donne le tabieau suivant.
Je crois que le faible écart entre les valeurs que
j’ai trouvées, et qui sont de l’ordre des erreurs d’ex-
périence tiennent a un léger défaut dii à l’appareil.
D’autre part dans des expériences préliminaires, je
n’ai pas remarqué d’anomalies entre la diffusion dans des tubes d’acier et celle dans des tubes d’étain, et
cela pour les ions + comme pour les ions. Je crois donc pouvoir dire qu’aux erreurs d’expérience prés,
il n’y a pas d’effet spécifique dû à la nature du métal
composant la paroi, venant s’ajouter au mécanisme
de la diffusion.
Comme on le voit le coefficient de diffusion pour les ions -i- trouvé par Townsend oscille entre 0,029 et 0,052; je crois que le nombre vrai doit être compris
entre les deux et plus proche du premier que du second.
Dans mes expériences le débit a été de 92 cm3 à la seconde, dans celles de Townsend de 76 cm3 à la seconde.
J’espère pouvoir donner bientôt le résultat de mes
recherches sur des gaz bien secs et à des pressions supcrienres à la pression atmosphérique.
Cc travail a été effectué sur les conseils de M. Lan-
gevin, auquel je suis heureux d’cBprimer toute ma gratitude pour l’intérêt qu’il a bien voulu me porter.
[Roçu le 25 Octobre 1908.1
