Influence de la pression sur l'ionisation des gaz

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Submitted on 1 Jan 1908

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E. Rothé

To cite this version:

E. Rothé. Influence de la pression sur l’ionisation des gaz. Radium (Paris), 1908, 5 (11), pp.325-329.

�10.1051/radium:01908005011032500�. �jpa-00242311�

Influence de la pression ^sur l’ionisation _{des gaz}

Par E. ROTHÉ

[Faculté ^{des Sciences de} Nancy.

Laboratoire de physique.]

L’ionisation des gaz n’a guère ^été étudiée j usqu Ïci qu’a ^la pression ordinaire, ^{et nous ne} possédons ^en-

core que des données très incomplète, parfois ^même contradictoires, ^sur les variations du coefficient de recombinaison des ions en fonction de la pression ^et

de la telnpérature 1.

Je me suis proposé d’étudier, ^d’une façon générale,

comment se modifie, ^sous l’intluence de la pression,

l’ionisation produite ^{dans les} gaz par les _rayons de

Roentgen et, ^en particulier, ^{de mesurer} le coefficient de rccolnbinaison à différentes pressions.

Pour faire cette étude, ^{on est} obligé d’enfermer le gaz dans ^un récipient, ^et, par suite, la diffusion des ions vers les parois ^du récipient, ^{et leur} absorption

par les parois ^ou les lames métalliques ^servant d’électrodes, introduisent _{de graves} causes d’erreurs 2.

Pour les diminucr, ^{sinon les} éliminer, j’ai ^{utilisé le} dispositif ^suivant.

Appareil.

^Le récipient ^{est un} large cylindre ^de

laiton, ^{contenant deux} plateaux ^de condensateur

rectangulaires ^{A et B,} distants de 4 centimètres ^et isolés à la paraffine ( fig. t) 3. ^{Entre ces deux} plateaux

Fig. 1.

on fait arriver ^un faisceau de rayons X, ^{ne Louchant}

pas les plateaux; ^ce f’aisccau, _{émis par} l’anticathode .d’un tube Focus, ^est linlité, ^{rl son} entrée, par ^une fente 1. lIc CLUNG, ^Phil. JJlag., 3-283-1902; Pltil. Mag., ^Déc.

1903.

LANGEVIN, Thèses présentées ^{à la} Faculté des Sciences de l’Université de Paris, 1905-1 !5; REISCHINSKY, Inaugurat Dissertation, ^1905.

2. LANGEVIN, C. R., 137-177-1903; Journ. de Phys., ^1905.

5. Figure extraite des comptes rendus du Congrès ^de Reims, As.s. Fi-. pour l’Av. des Sciences, ^1907.

percée ^{dans une} plaque ^de plomb épais, ^{et admis dans}

le cylindre ^{à travers une} lame mince d’alulTIinilln1. La base opposée ^du cylindre ^est fermée par ^un couvercle mobile portant ^un robinet pour l’admission des gaz,

une tubulure ii écrou pour manomètre métallique, ^et

deux tubes de laiton t et t’ pour le passage des fils servant à établir les communications électriques.

Pour assurer une fermeture hermétique, ^{la lame}

d’aluminium et le couvercle sont serrés par des vis convenables entre des cuirs suiffés et des couronnes

de bronze.

Les fils sont simplement noyés ^{dans de la} paraffine,

faisant prise ^dans les tnhcs t et t’, ^{sur des} spirales métalliques. ^Cette fermeture, que je ^n’ai adoptée qu’après ^d’autres essais infructueux (cire, vis d’ébo-

nite, etc.), présente ^{un double} avantage. ^Elle permet

de maintenir, ^{sans fuites} importantes, ^une pression supérieure ^{à 5} atmosphères ^et l’isolement des plateaux

est rendu presque parfait.

Dispositif expérimental.- ^Le plateau supérieur ^A

est chargé par le pôle positif d’une batterie de petits accumulateurs, dont l’autre pôle ^{est au sol. Le} pla-

teau inférieur B communique ^{avec l’une des} paires ^de quadrants d’un électromètre Curie, de sensibilité moyenne, dont la seconde paire ^de quadrants ^{est au}

sol. L’aiguille de l’électromètre est chargée par l’un des pôles d’une batterie d’accumulateurs (en général

20 éléments), dont l’autre pûle ^{est an} sol, ^ainsi que ^la cage de l’instrument.

Mode opératoire.

^{On établit entre les} plateaux

A et B une différence de potentiel ^V, B étant main- tenu, ainsi (me les quadrants ^de l’électromètre, ^en

communication avec le sol. On fait passer ^entre les

plateaux, à peu près ^a égale distance de chacun d’eux,

un faisceau de rayons X, ^{et on isole B et les} quadrants

en soulevant la clé C. Les ions positifs ^{créés dans le} gaz arment sur B et le chargent. La déviation de l’équi-

page, pendant ^{l’unité de} temps, ^fournit une mesure de la quantité d’électricité arrivant sur le plateau pendant

l’unité de temps, c’est-à-dire une mesure de l’intensité du courant d’ionisation. On mesure cette déviation

en comptant ^le temps nécessaire à l’aiguille pour passer de la division 100 de l’échelle à la division 200. Lorsque l’image ^donnée par ie miroir passe 1, 13. division IOQ, ^le potentiel ^{de Il a une valeur v1} lorsqu’elle passe ii la division 200, ^le potentiel ^{de B}

atteint une valeur V2’ On ^mesure donc l’intensité

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:01908005011032500

moyenne ^{du courant} d’ionisation _pour une dit1’t;-

rencc de potentiel ^variable comprise ^{entre V- v1 et} V - v2. On admet que la différence de potentiel ^est

restée constante et égale ^{a 1} V- v1+v2 2.

Afin de rendre le ^terme soustractif v1+v2 2 ^aussi

faible que possible, ^on augmente ^la capacité, ^{en met-}

tant B en relation ^avec l’armature interne d’un con-

densateur cylindrique ^de capacité variable, ^l’arma-

ture extérieure étant au sol.

Dans mes expériences ^{v1+v2 2 1 +} v., était égal ^{à lv, 26. Ce}

terme correctif devient négligcable ^dès que le potentiel

de charge ^{est un} peu élevé.

Cette méthode, qui permet, grâce ^{à des} approxinla-

tions légitimes, ^{de se servir} de l’électromètre à la fois comme ampèremètre ^et voltmètre, s’applique ^{a la} comparaison ^{des courants} d’ionisation d’intensités peu diflérentes. Elle cesse de s’appliquer dès que la vitesse de déplacement ^de l’aiguille ^devient grande, ^{à cause}

des erreurs de lecture dans la mesure du temps ^et

aussi parce que les déviations de l’électrométre ^ne

sont plus proportionnelles ^aux charges ^{de B.}

Constance des radiations.

Dans les expériences

de ce genre, la plus grande difficulté consiste à obte- nir une source constante d’ionisation. Les tubes à

rayons X ^ne fournissant que difficilement des radia- tions d’intensité constante, ^{on est} obligé de croiser les

expériences ^{et de} prendre des moyennes ^entre de nom-

breuses séries d’observations. C’est ainsi que j’ai ^tou- jours procédé.

J’ai pu toutefois, ^à diverses reprises, ^{obtenir une}

constance presque absolue et une régularité paifaite gràce ^aux précautions suivantes :

Le tube de Crookes est alimenté par ^une bobine d’in-

duction, ^avec interrupteur ^{à mercure} animé ^{par un}

moteur Gramme.

On n’utilise les accumulateurs, excitant le moteur et la bobine, _que pendant ^leur période de fonctionne- ment constant : on fait fonctionner le tube de Crookes à intervalles sensiblement égaua et pendant ^des teJups égaux.

On ne libère 1’aiguille ^de l’électromètrc, ^{en isolant}

les quadrants, ^et on ne commence la mesure du cou- rant d’ionisation que lorsque le tube fonctionne

depuis ^trente secondes. On est sùr que, dans ces con-

ditions, ^le régime permanent s’est établi dans _{le gaz}

et que le tube fonctionne dans chaque expérience

dans les mêmes conditions.

Toutes les expériences ^{décrites dans cet article ont}

été relatives à l’air puisé ^{dans la cour,} privé de pous- sières en même temps que de sapeur d’eau ^et de gaz

carbonique par deux séries de tubes purificateurs, ^à

l’entrée et a la sortie de la pompe ^de compression. ^Je

me propose ^{de les} répéter ^{av ec d’autres} gaz.

1.

Variation de l’intensité du courant de saturation avec la pression.

^{MM. Benoist et}

Hurmuzescu avaient observé, ^{au début de leurs} recherches, que la vitesse de décharge d’un électro- mètre, ^sous l’action des rayons de Roentgcn, ^était proportionnelle ^{à la} racine carrée de la pression. ^Ce

résultat tenait u leur dispositif ^{où les} rayons ^rencon- traient les surfaces chargées. ^Ils suivaient à peu près

les lignes ^{de force du} champ. ^{Il en est de même dans}

les expériences ^{récentes de Mac.} Clung ^{et de} Itetschinsky ^sur la rccomhinaison.

C’est M. Jean Perrin qui, ^le premier, ^{eut l’idée de}

faire passer, ^entre les armaturcs d’un condensateur

plan, ^un mince faisceau de rayons n’effleurant pas même les armatures 1.

A ce moment on ne connaissait pas ^encore l’existence des rayons secondaires. ^{On sait} aujourd’hui que, si le faisceau de rayons touche les surfaces métalliques, ^le phénomène ^est beaucoup plus complexe par ^suite de la formation des rayions de Sagnac.

Il. Perrin avait constaté que l’ionisation est à peu

près proportionnelle ^{il la} 1»-essioît pour des pres- sions variant rle 0,1 ^il 1,5 atmosphère.

Cette loi est généralement ^admise aujourd’hui ^dans

lu tliéorie des ions.

La connaissance exacte de la loi rle variation de l’intensité du courant de saturation présente ^un

intérêt particulier, parce que ^{sa mesure} intervient dans celle du coefficient de recombinaison. Si l’on vcut tenir compte de la diffusion des ions, qui,

comme l’a mon tré lI. Langevin 2, introduit des erreurs

dans les expériences ^faites jusqu’ici, ^{on est} obligé ^de compliquer ^les dispositifs expérimentaux; ^{en admet-}

tant la proportionnalité de l’intensité à la pression,

on peut simplifier notablement la méthode. C’est

pourquoi ^il m’a paru intéressant d’étudier expéri-

1nentalelnent et indépendamment ^{de toute} hypothèse

la loi de variation de l’intensité du courant de satu- ration en fonction de la pression.

Le dispositif ^décrit précédemment ^m’a permis

d’étendre les ^mesures jusqu’à 5 atmosphères. ^Je

m’assurais que ^les rayons n’effleuraient pas les ^sur- faces en coupant ^{le cône de} rayons, ^avant chaque

série de _mesures, par ^{un écran au} platinocyanure ^ou

en impressionnant ^une plaque photographique. ^Cette opération ^{me donnait en même} temps ^{la section du}

cône a une distance connue du point d’émission.

Le voltage ^du plateau A étant ici de plusieurs ^cen-

taines de volts, je pouvais négliger ^{le terme correctif}

v1+v2 2. ^{Mais, il était} impossible ^de comparer ^directe- ment, ^sans modification de la méthode de _mesure, les intensités du courant de saturation depuis ^la pression

1. J. PERRIN, ^{Thèse de} doctorat, p. 43. Ilaris, ^Gauthier- V’illars, ^1897.

Il. LANGEVIN, ^{Thèse de} doctorat, 1902, ^{et J. de} Phys., ^1905,

de 0,1 jusqu’à 5 atmosphères: ^{les vitesses de} déplace-

mcnt varient dans ces conditions de 1 à 50. J’ai pré-

féré fractionner les mesures et ramener les vitesscs de déplacement ^de l’aiguille à ^des valeurs voisines.

En particulier, ^{pour les} pressions élevées, j’ai ^mo-

difié la méthode ordinaire en opérant par influence.

Le plateau ^B communique ^{avec l’une des armatures}

d’un condensateur auxiliaire de capacité ^{variable dont}

la seconde armature est reliée à l’électromètre.

Voici quelques exemples ^choisis parmi ^{de nom-}

breuses séries de mesures.

Les points figuratifs ^se rangent sensiblement sur

des droites passant par l’origine ^{et l’on} peut ^admettre la proportionnalité ^{du courant} de saturation à la pres- sion jusqu’à ⁵ atmosphères.

La proportionnalité n’est pas rigoureuse. ^Elle lnrait

néanmoins suffisanmment démontrée,

^{raison des} difficultés expérimentales ^{dues à} l’inconstance de la

source des radiations. J’ai d’ailleurs, ^{au cours due ces} recherches, ^utilisé des radiations de pénétrations

très diverses, ^en filtrant les rayons ^{à travers des}

plaques d’aluminium d’épaisseurs croissantes sans

observer de différences importantes ^{dans la loi de}

variation du courant de saturation 1.

II.

Variations du courant pour les champs

faibles.

Les phénomènes sont tout différents

quand ^le champ ^{est faible.}

La méthode de mesure est moins simple puisqu’il

faut tenir compte ^{du terme} v1+v2 2. ^On pourrait ^d’ail-

leurs employer ^la méthode de zéro décrite par M. Moulin 2.

La forme des courbes tracées en portant ^{en abs-}

cisses les différences de potentiel corrigées, ^{et en ordon-}

nées les intensités _moyennes du _courant, change ^avec

la pression ^{et la} comparaison des courbes obtenues pour des pressions différentes présente quelques par- ticularités.

Pour les champs faibles, l’intensité est d’autant

plus petite que la pression ^est plus grande. ^Comme

d’autre part, l’intensité du courant de saturation varie 1. C’est à dessein que j’emploie toujours l’expression ^de

courant de saturation. C’est lui seul que l’on

réalité et il est probable qu’il

pas rigoureusement ^l’ioni-

sation.

2. MOULIN, ^Le Radiu1n, 5-158-1908.

proportionncllelnent ^{à la} pression, deux courbes de courant tracées pour deux pressions quelconques ^se coupent ^{forcément en un certain} point, ^pour lequel

l’intensité du courant est la même pour les deux valeurs différentes de la pression (fig. 2).

Ce point ^{de rencontre} s’éloigne ^d’autant plus ^sur

Fig. 2.

la courbe à basse pression que la pression ^corres- pondant à la seconde courbe est plus ^élevée.

Si ^{donc on} trace sur un même diagramme plusieurs

courbes de courant correspondant ^{à des} pressions diverses, on constate que ^ces courbes chevauchent les unes sur les autres, ^{comme on} peut s’en rendre compte par les exemples ci-dessous.

Les mesures faites avec les précautions indiquées précédemment, par la méthode des expériences ^croi-

sées et en prenant ^des moyennes ^entre de nombreuses séries de nombres sont très longues, ^et je n’ai pu ^com- parer ^en général directement que trois de ces courbes,

en maintenant la source d’ionisation constante. J’ai obtenu ainsi, ^{dans un} intervalle de plusieurs ^semaines,

une vingtaine de groupes de courbes. Ces _groupes

sont donc comparables ^entre

que par des réduc- tions.

On peut ^{néanmoins se rendre} parfaitement compte

que, pour ^une ’valeur déter11Ûnée du champ, ^il

existe une valeur de la pression paul’ laquelle ^l’in-

tensité du courant J’ecueilli est iitaxiiiia.

Tous ces points qu’on obtiendrait en portant ^en

abscisses les clamps ^{et en} ordonnées les maximum d’intensité se rangent ^{sur une même courbe enve-} loppant les courbes de courant (fig. 5).

Ce lieu de points ^étant tracé, ^on peut déterminer à

Fig. ^3.

l’avance le champ qu’il faut établir entre les plateaux

pour obtenir ^{un courant} d’intensité supérieure ^{a une}

valeur donnée.

111.

Courbes à champ ^constant.

^inotis

venons de vomir que, pour les chal1zps faibles incapables

de produire ^la satu)-atioti, l’intensité _{passe par} un

maximum. La pression correspondant ^{el ce muxi-}

rnunl, est d’autant plus grande que ^le champ ^est plus ^élevée.

L’intensité correspondante pourrait ^être appelée

intensité critique. ^Elle représente ^la quantité ^maxima

d’électricité qu’on puisse extraire du gaz par seconde, pour ^un champ ^{donné et} pour ^une intensité d’ionisa_

tion déterminée.

Ce résultat provenait ^{de la} comparaison de courbes de courant réduites. J’ai tenu à vérifier directement l’existence de ce maximum en opérant différemment

et en traçant ^{les courbes à} chanip ^constant. Si, ^en

maintenant constants le champ ^et l’intensité d’ionisa- tion, ^on fait seulement varier la pression, ^{on constate}

que l’intensité du courant change ^et passe ^bien par

maximum. J’ai fait cette vérificatioll pour ^un grand

lurrlbrc de voltages différentes.

Les tableaux ci-dessous indiquent les résultats obtenus pour différents champs définis par ^le Boltage

de A :

P =Pression cn centimètres de _lnelcure;

1) = Déviation par seconde en dixièmes de 111illi- mètre.

Courant de saturation à la pression atmosphérique,

56 divisions par seconde.

Fig. 4.

Intensité luaxill1a pour la pression ^{de GO centi-}

mètres de mercure.

Courant de saturation à la pression atmosphérique,

54 divisions par seconde. Intensité maxima pour ^la

pression 1 atm., 6.

Courant de saturation à la pression atiiiosph. ^{9 1 .5}

par seconde.

Intensité maxima pour la pression ^{de 2atm,25.}

Courant de saturation à li pression ^{atm. 56.}

Intensité maxima pour la pression ^de 5 atm., 25 .

Courant de saturation à la pression ^{atm. 56.}

L’intensité croît jusqu’à 5 atmosphères.

Remarque.

^{Toutes ces séries de nombres} prises

au hasard parmi ^un grand ^{nombre ne sont} pas ^com-

parables ^{entre elles, parce} qu’elles ^{ont été faites à} plusieurs jours d’intervalle et que l’intensité du rayonnement ^n’était pas ^la même, ^{comme le} prouve la

mesure du courant de saturation â la pression ^atmo- sphérique ^faite après chaque ^série.

La connaissance du courant de saturation permet,

d’ailleurs, de réduire approximativement ^{toutes les}

intensités à ^une même échelle et de représenter ^les

courbes correspondantes ^{sur un même} diagramme.

Les courbes (fig. 4) 1 resseinblent à celles qu’a ob-

tenues 1B1. Ret schinsky pour les ions du radium aux

pressions inférieures à la pression atmosphérique ^et

pour des champs ^faibles.

Mes résultats, ^{relatifs aux ions des} rayons X, ^{s’étendent}

depuis ^la pression ^{de 10} centimètres de mercure jus- qu’à cinq atmosphères ^{et semblent} généraliser ^{les siens.}

Toutes ces expériences ^{ont été faites avec des} pla-

teaux de condensateur distants de 4 centimètres. J’in-

diiiuerai prochainement les lnodifications produites lorsqu’on fait varier la distance des plateaux. ^Bien

que l’existence du maximum paraisse liée à la varia- tion de la mobilité des ions et du coefficient de recom-

binaison sous l’influence de la pression, je ^{me con-}

tente pour le moment de présenter ^{ces résultats}

comme des faits expérimentaux indépendants ^{de toute} hypothèse ^{et de toute théorie.}

Je reviendrai plus ^{tard sur} l’interprétation ^théo- rique ^{de ces résultats.}

[Reçu ^le 20 octobre 1908.]

Sur ^une influence des rayons cathodiques

sur les rayons ^canaux Réponse ^{à une note de M. A.} Bestelmeyer.

Par Jean BECQUEREL [Laboratoire ^de physique ^du Muséum.]

Dans deux notes insérées dans les Comptes ^rendus

de l’Accadémie des Sciences j, sui vies d’ull mémoire

publié ^en juillet ^{dernier dans le Radium 2,} j’ai ^décrit quelques expériences établissant que l’on peut, par la

superposition d’un faisceau de rayons cathodiques ^et

d’un faisceau de rayons ^{canaux, obtenir un troisième} faisceau parfaitement distinct des deux prerniers. ^Cc

nouveau rayonnement ^est attiré par ^une cathode secon-

daire et possède, dans certaines régions ^{du tube, une}

déviabilité magnétique ^de grandeur comparable ^{à celle}

d’un rayon cathodique ayant franchi, ^{en sens} inverse, la méme chute de potentiel.

J’ai cherché a rendre compte des résultats au

moyen des rayonnements ^connus: cinq interprétations

différentes m’étaient venues à l’esprit, ^mais j’ai ^mon-

1. C. R., 22 juin ^{et 13} juillet ^1908.

2. Le Radium, 5-1908-193.

tré qu’aucune ^{d’elles ne} peut ^être acceptée. ^{Dans ces} conditions, n’ayant pu réussir ^à expliquer les effets à l’aide des phénomènes actuellement connus, j’ai ^émis l’hypothèse ^que les rayons

^sont partiellement

transforrnés par les rayons cathodiques, ^et que ^{le nou-}

veau faisceau positif, ^très déviable par ^un champ ^ma- gnlique, ^est formé par des électrons positifs qui possèdent ^une charge spécifique - du même ordre de

m

grandeur que celle des électrons négatifs, ^{les deux}

sortes d’électrons ayant d’ailleurs peut-être ^des charges

et des masses de grandeurs différentes.

I)ans

note 2 qui n’est parvenue à

connais-

sance que récemment, ^M. Bestelmeyer ^{combat cette}

1. Figure ^{extraite des} comptes rendus de l’Ass. F,’. pour l’AL’, des Sciences.

Congrès ^de Reims, ^1907.

2. Physik. Zeitschrift, ^9,

^10, p. 541, 15 aoÙt 1908.