Concentration du carbone de poids atomique 13 à l'aide de la méthode de diffusion

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Concentration du carbone de poids atomique 13 à l’aide

de la méthode de diffusion

M. de Hemptinne, P. Capron

To cite this version:

CONCENTRATION DU CARBONE DE POIDS

_ATOMIQUE

13 A L’AIDE DE LA

MÉTHODE

DE DIFFUSION

Par M. DE HEMPTINNE et P. CAPRON

(*).

Institut de

_Physique,

Université de Louvain

_(Belgique).

Sommaire. 2014 Utilisant une batterie de 51 pompes à vapeur de mercure du type Hertz, les auteurs ont pu concentrer le carbone de _{poids atomique} 13 dans le méthane à concurrence de 50 pour 100. Les conditions de fonctionnement _optimum ont été déterminées. Le montage spécial utilisé se trouve décrit.

1. Introduction. - Le

problème

de 1J.

_séparation

des

_isotopes

offre

_{depuis quelques}

années un intérêt

croissant,

tant au

point

de vue de l’étude de la

mollé-cule,

que de celui de l’étude du noyau.

D’autre

_part,

la

_physique

_moderne,

_{par le} truche-ment des

_isotopes

déborde de

_{façon étrangement}

féconde sur les sciences

_chimiques

et naturelles.

Un des éléments

_{qui s’impose parmi}

tous les autres comme devant

_présenter

le

_plus

_grand

intérêt

_est,

à coup

sûr,

le carbone.

En

_effet,

cet

_élément,

tout comme

_{l’hydrogène,}

se trouve à la base des

_produits

fondamentaux de la chimie.

Au

_point

de vue de la

_physique

_{moléculaire,}

la substitution du deutérium à

_{l’hydrogène,}

au sein des

_molécules,

_par la seule variation _{de masse,} a

permis

aux

_{expérimentateurs}

de

_multiplier

les données

expérimentales

sans

_augmenter

de

_façon

notable

les inconnues du

_problème.

L’étude du

_spectre

Raman

des

_{deutéro-éthylènes}

en est un

exemple

ty-pique

(B 2, 3, > 4 > 5 ) ~

Il est _{clair que la} substitution du carbone 13 au

carbone 12 ouvre des

_{possibilités analogues.}

Au

_point

de vue

_nucléaire,

l’intérêt est au moins

aussi

_grand,

tant _{pour la connaissance}

_théorique

du noyau que pour les

possibilités

d’obtention de nou-veaux radio-éléments.

Différents essais de concentration du carbone 13

ont été effectués

_{précédemment.}

_Wooldridge

et

Smythe (6)

sont _parvenus

_grâce

à

_l’emploi

d’une batterie de _{34 éléments poreux à} obtenir une concen-tration de 16 _pour 100 environ en carbone _{13. Le gaz}

utilisé pour la diffusion est le méthane.

2.

_{Aperçu théorique.}

- Dans leurs derniers

tra-vaux, Hertz et ses collaborateurs

₍₇₎

ont abandonné le

_type

_{de pompes} à

_parois

_{poreuses. Ils y} ont substitué un

_type

_{de pompe} à _{vapeur de mercure, la} diffusion des _gaz à

_séparer

se faisant différemment dans la colonne de mercure. Le nouveau

_procédé

évite une

introduction

_{d’impuretés qui}

_peut,

dans certains _cas, rendre la

_séparation

des

_isotopes

très

_difficiles,

sinon

impossible.

Ce

_type

_{de pompe à vapeur de} mercure a été

parti-culièrement bien _{étudié par Barwich}

_(8).

En conclusion

de son étude

_théorique,

cet auteur _{donne pour le}

(*) Associé F. N. R. S.

coefficient de

_séparation

les formules suivantes :

où v est la vitesse du _{mercure ;}

R,

s, xo, les constantes

_{géométriques}

de

_{l’appareil;}

D,

les coefficients

_{d’interdif~usion ;}

r et

_rQ,

les _rayons moléculaires et _{du mercure ;} in, les masses ;

et _{q, le} coefficient de

_séparation

défini _{par :}

On passe de la

première

à la seconde formule en se

rappelant

que _q D

== 2013

où c et 1 sont

_{respectivement}

la

3 p

vitesse moléculaire et le libre _parcours moyen.

Comme on le

_voit,

la constante a

dépend

de la

géométrie

du

_jet

_{de vapeur de}

_Hg,

ainsi que de la

vitesse _{de passage} de _{la vapeur. Il} semblait donc

_qu’il

y avait

avantage

à

_augmenter

cette vitesse et

_partant

le

_{chauff age. Toutefois,}

Barwich

_a

_jugé

utile de faire

Fétude

_{expérimentale}

de son

_type

_{de pompe. Il} a déterminé les conditions

_optima

de fonctionnement. Elles se résument comme suit :

La

_pression

_{de gaz}

_optimum

est d’environ 2 mm

_Hg.

En ce

_qui

concerne la

_{température,}

Barwich trouve pour le rendement deux maxima

aigus

qui

se trans-forment en un maximum

_{plus large}

et moins élevé

lorsque

l’on introduit des

_capillaires

entre les différents éléments. Le rôle des

_capillaires

a

toujours

été très

obscur et nous aurons l’occasion d’en

_reparler

_{par la} suite.

3.

_Appareillage

et mise au

_point.-

Nous utilisons le modèle de pompe

Hertz,

modifié et mis au

_point

par

Bleakney

et Sherr

_(9).

_{Ces pompes} sont montées en série formant une batterie de 51 éléments

_{(fig. 1).}

Le détail des raccords et les dimensions relatives entre les pompes sont _{donnés par les}

_figures

2 et 3. Les essais de Barwich nous ont convaincus de la nécessité de

_reprendre

l’étude

_{expérimentale}

de notre

_type

de

pompe. Notre but est de mettre au

_point

un

_régime

standard pour les 51 éléments avec un rendement satisfaisant sans

_{régler chaque}

_pompe en

_particulier,

ce

_qui

serait un idéal. Les études

_{préliminaires}

ont

172

Fi~. 1.

été faites avec une série de 3 pompes, utilisant les

mélanges

C02-Ar

et

_CO~2013N~,

choisis à cause de la

simplicité

de leur

_analyse.

L’étude a

_porté

sur les facteurs

_{pression, chauffage}

et

_capillaire.

_Le

gra-phique

4 illustre la variation du

_{coefficient q}

en

fonction de la

_pression

_{pour 2}

_chauffages

différents et _{pour le}

_{mélange CO2-Argon.}

Il ressort de ce

gra-phique

que la

pression optimum

se trouve entre

_1,6

et 2 mm et _que le

_chauffage

a une

_{grande importance.}

La

_figure

5 donne une étude

_plus

détaillée de l’effet de

_température

_pour les

_mélanges

_C02-Argon

et

C02 Azote.

On a

_porté

en abscisse le

_wattage

utilisé pour chauffer

électriquement

chaque

élément de la

batterie _{de pompes.}

Les valeurs des coefficients de

_séparation

et les

conditions de

_chauffage

les meilleures _{pour les}

_pressions

les

_plus

favorables sont résumées dans le tableau 1.

TABLEAU I.

Ce tableau montre

_également

l’eff et nuisible du

capillaire

pour notre

type

de pompe.

Les valeurs

_{expérimentales de q}

_{pour les 2}

_mélanges

étudiés introduites dans la formule de Barwich

log q =

a. A

(*)

nous donnent la valeur de a =

0,034S.

r - ,

On

_peut

ainsi tracer

la droite donnant la

variation du coefficient de

_séparation

de A. La

figure

6 montre _que cette _{droite passe près}

de

_{l’origine lorsqu’on}

travaille sans

_capillaire

et

_qu’elle

s’en écarte à mesure _{que le}

capil-laire devient

_plus

pe-tit. Elle

_permet

de calculer le coefficient de

_séparation

théori-que pour différents

mé-langes

et c’est ainsi

qu’on

trouve _{pour le}

mélange

de méthane

~CH~et~CH~-1,18,

le A pour le méthane étant

_égal

à

_2,77.

4. Résultats

_{expérimentaux. -}

Pour la concen-tration de

_l’isotope

13 du

_carbone,

nous avons choisi

comme _gaz

diffusant,

le méthane

_(*).

La molécule de méthane offre en effet

_l’avantage

d’être

_stable,

de ne contenir

_qu’un

atome de carbone combiné à

l’élé-Flâ. 3

ment le

_plus

_léger,

ce

_qui

donne un

_rapport

relative-ment

_grand

entre les

_poids

moléculaires du méthane

lourd

_(13CH4)

et du méthane

léger (12CH4).

Quant

à

_l’analyse,

l’examen

spectroscopique

des bandes de

Swan offre le

_plus

d’avan-tages

(lo).

Si on admet un coefficient

Fig.

4.

de

_{séparation identique}

_pour chacune des pompes, on

_peut

calculer l’enrichissement

théo-rique

en

_supposant

une ali-mentation illimitée en méthane

ordinaire.

La

_pratique

nous a montré

que le coefficient de

séparation

effectif était

_plus

faible

que celui déduit de la théorie. Il est

_compris

entre

_I,1

(*) Nous remercions bien vivement MM. Breyre et Coppens, de l’Institut National des Mines de _Pâturages, d’avoir mis à notre

disposition du méthane particulièrement pur.

et

_1,14,

ce

_qui

est conforme aux données de Sherr. De

même,

nous avons observé que pour le méthane le

chauffage

optimum

est

_{légèrement supérieur}

(110-120

_W)

à celui déterminé

_{précédemment.}

La

_figure

_{7 donne pour chacune des pompe la} teneur en carbone 13 pour différentes concentrations initiales et _{pour q}

_égal

à

_1,1

_(traits

_interrompus)

et

. 1,14 (traits

pleins).

Elle montre

_{l’importance}

de cette concentration

et,

par

conséquent

du volume

_initial,

étant donné _{que le} carbone 13 concentré par les pompes l’est aux

_dépens

du

_mélange

se

_présentant

à l’entrée de la

_première

_pompe.

Lorsque

le

_système

est à

_{l’équilibre,}

la concentration

en carbone 13 :

_C13so’

à l’entrée de la

_première

_pompe est donnée en fonction du volume initial par la for-mule :

où V est le volume de chacune des n _pompes,

_Vi

le volume initial

_C13i

la concentration en carbone 13 du méthane ordinaire

(nous

la supposerons sensiblement

Fig. 5.

égale

à 1 pour

100)

et q

le coefficient de

_séparation

que nous

prendrons

provisoirement

_égal

à 1,1.

174

porté

en abscisse les valseurs de

_{C 1380}

et en

ordonnée,

respectivement

le

_premier

et le deuxième membre de

_{l’égalité,}

_permet

de trouver

_{graphiquement}

la concentration à l’entrée de la

_première

_{pompe, pour}

Fig. 6.

Fig. 7.

L 1 1i i AJIü’.VSU - , - .

différents volume initiaux

_quand

le

_système

est en

équilibre.

Les

_figures

7 et 8 démontrent

_plus

_{que de}

longs

commentaires combien il est nécessaire de pou-voir

_disposer

d’un

_grand

volume

_initial,

si l’on désire

obtenir un maximum de concentration à l’extrémité

de la _{dernière pompe.}

Fig. 8.

Dans nos

_{premières expériences,}

la totalité du gaz soumis à la

_séparation

se trouve dans l’ensemble des 51 pompes. Il est _{clair que} l’on ne

_peut

s’attendre à

obtenir,

avec un seul

_remplissage,

un enrichissement élevé vu la

_{petite quantité}

de méthane

_13CH4

_présente

au début de

_{l’opération.}

Nous avons, par la

suite,

sectionné notre batterie en 3 _{séries de 17 pompes.}

Les 51 pompes

ayant

travaillé suffisamment

long-temps

pour que

l’équilibre

soit

atteint,

on

_vidange

le gaz

appauvri

en

_C13

contenu dans les 34

_premières

pompes et on le

_remplace

_par du _gaz

_{normal. Après}

4 ou 5

_opérations

de ce _genre, on obtient une concen-tration d’environ 27 pour 100. Il n’est _pas

_possible

de concentrer

_davantage

_par cette

_méthode,

car à ce

_moment,

la teneur en carbone 13 _{du gaz}

_vidangé

est

_égale

à celle du gaz normal introduit. Afin d’avoir un enrichissement

_plus

_fort,

nous avons recueilli un

grand

nombre de fois le gaz concentré dans la dernière série de pompes et utilisé celui-ci _pour un deuxième passage. Cette

expérience

étant fort

_longue

_(environ

trois

_semaines)

et les

_risques

d’accidents étant

_élevés,

par suite des nombreuses et difficiles

_{manipulations}

qu’exige

ce

_procédé

nous sommes arrivés à la conclu-sion que si la méthode est

_{théoriquement possible,}

pratiquement

elle est irréalisable.

Pour obtenir un rendement

_meilleur,

il faut donc

pouvoir

augmenter

la

_quantité

de carbone 13 à

malheu-Fig. 0.

reusement les résultats obtenus ne sont _{pas meilleurs} que les

précédents,

ce

_qui

est vraisemblablement dû à la

_stagnation

du _{gaz dans le}

_grand

ballon.

Le

_{problème qui}

se _{pose dès lors} est de réaliser un volume initial le

_{plus grand}

_possible

tout en évitant

la

_stagnation

_{du gaz}

_signalée

_plus

haut. Nous avons

résolu ce double

_problème

en utilisant les

remar-quables propriétés d’adsorption

du

_gel

de silice. Le

méthane est adsorbé à la

_température

de l’air

_liquide

jusqu’à

une

_{pression correspondante}

à la

_pression

normale de marche

_{(voir fig. 3).}

_

Le

_gel

de silice est maintenu à la

_température

voulue par un

_système

_{thermostatique}

commandé par un thermomètre à gaz

plongeant

dans le même Dewar que le

gel

de silice et

qui,

par l’intermédiaire d’une cellule

_{photoélectrique}

déclanche une soufperie et l’amenée de l’air

_liquide

dans le Dewar.

On obtient ainsi en trente heures 300 cm3 de méthane à

_1,8

mm

_Hg

et contenant de 30 à 32 _pour 100 de carbone 13

_{(11), (12).}

Étant

donnée la

_quantité

de méthane adsorbée dans le

_gel

de silice - 700 1 environ - _sous 2 _mm de

Hg

et étant donnés les coefficients de

_séparation

de nos

pompes, nous ne _pouvons

_guère

nous attendre à une

concentration

_plus

forte. En renouvelant

_après

la

première opération

le méthane

_appauvri

adsorbé dans

le

_gel

de

_silice,

nous obtenons au second tour du méthane contenant

_près

_{de 50 pour 100 de carbone 13}

(voir fig.

9,

10 et

_11).

Il _{n’est pas douteux}

_{qu’en perfectionnant}

encore notre

_méthode,

nous n’arrivions

_rapidement

à un résultat encore meilleur.

Nous remercions tout

_{particulièrement}

M. le pro-fesseur H. S.

_Taylor,

titulaire de la chaire

_Franqui

1937

qui

nous a

_suggéré

ces recherches. Nous remercions

aussi Mlle C.

_Velghe,

J. Deveux et J. M. Delfosse de l’aide

_{précieuse qu’ils}

nous ont

_apportée.

Fig. 10.

Il nous est tout

_{particulièrement agréable}

de

reconnaître le dévouement de M. G. Maes

_qui

s’est

dépensé

sans

_compter

_pour nous

_porter

assistance au cours de ce travail.

_ Manuscrit reçu le 25 janvier 1939.

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