Diffusion des éléments radioactifs dans des métaux

HAL Id: jpa-00205106

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00205106

Submitted on 1 Jan 1923

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Diffusion des éléments radioactifs dans des métaux

L. Wertenstein, H. Dobrowolska

To cite this version:

L. Wertenstein, H. Dobrowolska. Diffusion des éléments radioactifs dans des métaux. J. Phys. Ra-

dium, 1923, 4 (9), pp.324-332. �10.1051/jphysrad:0192300409032400�. �jpa-00205106�

DIFFUSION DES ÉLÉMENTS RADIOACTIFS DANS DES MÉTAUX

par M. L. WERTENSTEIN et Mlle H. DOBROWOLSKA.

Laboratoire de radiologie de la Société Scientifique de Varsovie

1. Historique.

^{On sait} jusqu’ici fort peu ^{de chose sur} la diffusion à l’état solide. Dans des ^travaux déjà ^anciens (1887-1894), ^{Roberts Austen}

avait étudié la diffusion de l’Au dans du Pb. Il a trouvé que le coefficient de diffusion varie de 2. f0- j 5 cm’ : jour jusqu’à ^{2,6.10-3 cm’ :} jour lorsque

la température ^s’élève, depuis ^la température ^ordinaire jusqu’à ^La

question ^{a été} reprise, ^{ces dernières} années par ^un certain nombre d’auteurs.

Weiss et Laffitte C) ^{ont fait des} expériences qualitatives ^sur la diffusion des Zn, Sn, Al, Sb, Ag, ^{Ni dans le Cu à 120° C, du Zn dans le Sn il 9 00° (~.}

Fracnhcl et Houben (~) ^{ont pu lesurer} le coefficient de diffusion de l’Au dans

l’Ab ^{à 870°} C, gràce ^{il une 111éthode} élégante ^{basée sur la} sulfuration de

l’argent, Ils on[ trouvé pour le coefficient de diffusion cherché 3,.1(-J ^{cn12 :} jour. Hevesy el ^Oroll (3) ^{ont cherché, sans résultat, il mettre en évidence le} déplacement ^{du Pb} radioactif (RaD) ^{dins du Ph ordinaire à} 280° C. Ils concluent de leurs expériences que ^le coefficient de diffusion du Pb dans du Ph (coefficient d’auto-diflusion, Selbstdiflusion Koeffizient) ^{esL infé-}

rieur à ’i O-, ^résultat qui parait surprenant ^{si on} le compare ^aux nombres obtenus par Roberts ^Austen.

Dans un mémoire à la fois théorique ^el expérimental. Hevesy ^évalue

les coefficients de

Seibstdiffusion

de certains sels cristallisés, ^en

admettant la validité _pour ces sels de la relation classique ^{entre la 1110bi-}

lité des ions et leurs coefficients de diffusion. Citons, ^{à titre} d’exemple,

que pour NaCl, le coefficient de « Selbstdiffusion

calculé est égale, ^{à la}

température ordinaire, ^{à 3.} 10- 18 cnr : jour ; ^{à la} température de 626" C à ,1, i.,l 0- ^{cm 2 :} jour, ^et iminédi,,itemeiil au-dessous du point ^{de fusion, à}

1.4.. ’10-3 cm2 : jour. ^La légitinlité ^de rextcnslon de la théorie des gaz ^aux sels cristallisés semble très douteuse ; cependant, ^{il convient} de dirc que

IIevesy ^a pu confirmer sa théorie, expérimentalement ^{dans le cas du Ra 1)}

(1) ^{l. 173} (UJ21), p.

1’) ^{ChenÚe. t. 116} (1021), p. 1-1~}.

(3) ^Ann. der. Phys., ^{t. 65} (!9~), p.

(’’) ^{Ber., t. 129 2a j} (1U=2U), Reu., ^t. 20(19~ , p. ^113.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:0192300409032400

325

diffusant dans le PBCI" à 4690 C; ^{le nombre} expérimental ^est égal ^à 2,9.10-2 ^{cm~ :} jour, le nombre théorique ^à 2,’1. ~0-~ ^{cm :} jour. ^Enfin.

Langmuir ^{et Dushman ont} étudié la diffusion du Th dans le ~~’ dans une

région ^de températures comprise ^{entre 1 900 et 2 500" K.}

Il résulte de ce qui vient d’être dit que la diffusion ^à l’état solide est

un phénomène qui nécessite, ^{pour son étude} expérimentale, ^{une méthode}

très sensible, capable ^{de mettre en} évidence des déplacements ^très petits

de la matière qui ^{subit la diffusion.}

2. Méthode.

Nous avons imaginé, ^{dans ce but, une méthode} appli-

cable aux éléments radioactifs, ^{et basée sur} 1"observation des scintillations.

Le principe ^de la méthode est le suivant :

Imaginons ^{une lame} métallique ^mince, recouverte d’un dépôt ^invisible

de la substance radioactive, ^{sur un côté} seulement. Si la substance émet des rayons ^{a, on} peut ^choisir l’épaisseur ^{de la lame, en} y adjoignant s’il y

a lieu, des écrans additionnels, de telle manière que ^les rayons

traversant la lame soient juste complètement absorbés. Dans ces conditions, ^un écran de Zn S placé ^{du côté} inactif de la lame restera obscur. 4 mesure que la diffusion progresse (en ^admettant qu’il y ait formation d’une solution solide de l’élément radioactif dans le métal de la lame), les scintillations

apparaîtront ^{sur le sulfure de zinc} et leur nombre ira en augmentant. ^En

étudiant la variation de ce nombre, ^{à un instant} donné, ^{dans des condi-} tions de température déterminées, ^en fonction de l’épaisseur ^{des écrans}

.

interposés ^{entre le ZnS et la lame, on} peut établir la distribution de la matière active dans la lame. Soit en effet n le nombre des scintillations par unité de temps, ^{observées à travers une} épaisseur ^{totale des écrans E. La}

nature des écrans étant, d’une manière générale, différente de celle de la lame, et le sulfure de zinc se trouvant à une hauteur h au-dessus de la lame, ^nous aurons ; E === di ^étant l’épaisseur ^{de la lame;}

d,, ^{la somme des} épaisseurs des écrans (généralement ^en Al) ; ^{a et b, les} équivalents, ^au point ^{de vue de} l’absorption ^des rayons ^{x, de} l’aluminium et de l’air dans le métal de la lame (’). ^On peut ^{admettre, en} première approximation, que n ^est proportionnel ^{au nombre d’atomes} ayant ^effectué

par suite ^du phénomène ^de diffusion, ^un parcours égal

^{à E - R,}

R étant le parcours des rayons

dans le métal de la lame. Soit f(x) ^{dx le}

(1) ^{En toute} rigueur, a ^{et b} dépendent ^{de la vitesse des} rayons a, mais cette vitesse est mal déterminée, ^à

^du phénomène même de diffusion. Aussi

adopté,

pour chaque substance, les valeurs

et b qui correspondent

^vitesses initiales des rayons x ^de cette substance.

~6

nombre d’atomes dans la couche comprise ^{entre + dx ;}

^{étant la} profondeur ^{de la couche,} c’est-à-dire sa distance à la surface active ; ^le nombre iir d’atomes capables de donner des scintillations sera défini par la

formule

Soit

l’angle solide moyen ^sous lequel l’écran de ZnS est vu des différents points de la surface actioTe, w étant défini par l’intégrale

étendue à la surface f ds

^{S et il} celle J’ds’ --- ^{S’ de l’écran ; r étant la}

distance des éléments ds et ds’ ;

l’angle que la direction de ^r fait ^avec la normale aux plans ^{S, S’.}

Soit enfin X la constante radioactive de la substance étudiée ; ^on

aura :

La fonction est une solution de l’équation :

avec les conditions initiales suivantes :

La solution cherchée ^de (2) est donnée par

oii

INTO

^{est le nombre total d’atomes} radioactifs au temps ^{t ; et}

327

la fonction qui exprime ^la loi de diffusion proprement ^dite. On voit que cette loi n’est pas modifiée par l’effet de la destruction radioactive ; ^il faut seulement rapporter la distribution de la matière, ^à chaque ^{instant, au}

nombre d’atomes présents ^{à cet instant. Il est facile} de montrer qu’il ^en

sera de même pour ^une substance radioactiye constituée par deux ^élé- ments se transformant l’un dans l’autre, si leurs coefficients de diffusion sont identiques. ^{Dans ce cas} iNT,, ^et l’it ^{seront les nombres} d’atomes de celui des éléments radioactifs qui donne des rayons

La connaissance de f nous permet ^d’écrire l’équation (1) ^{sous la forme}

suivante :

Pour obtenir expérimentalement ^{D, il faut connaître w, et On}

calcule

au moyen d’une quadrature numérique ^{exécutée sur des inté-} grales elliptiques complètes ^de première ^{et de deuxième} espèce envisagées

comme fonctions du module. En pratique, w ^ne diffère pas beaucoup ^de l’angle ^{solide Wo sous} lequel l’écran ^{de ZnS est vu du centre} de l’écran.

iN’t est le nombre total des particules x émises par unité de temps ^au

moment où l’on étudie la distribution. Pour obtenir ce nomhre, il suffit de

mesurer, dans une chambre d’ionisation étalonnée, ^{à une} époque ^donnée,

le courant d’ionisation produit par la surface activer. Enfin le nombre de scintillations observées par unité de temps ^ou plutôt l’accroissement que ^ce nombre a subi, par l’effet de la diffusion, depuis ^{l’instant de la} préparation ^de la surface active. En effet, ^{dès le début de} l’expérience, ^on

observe le plus ^{souvent un} petit nomhre de scintillations « iniliales » du côté inactif, ^{même si} l’épaisseur ^{totale .~ est} égale ^ou légèrement supé-

rieure au parcours ^des rayons 2. Nous discuterons plus ^{tard les causes} probables ^{de ce} phénomène ; pour ^le moment, nous nous bornerons à dire que pour obtenir 1’~, ^il faut retrancher du nombre de scintillations observé après ^une période ^de diffusion, le nombre de scintillations initiales,

ou plutôt P ^le produit p ^{de ce} nombre par le p facteur Iyt facteur qui exprime

No

^{q P}

la destruction radioactive de la substance étudiée

Connaissant ..:’7, J,Tt, ^{on en tire} la valeur de 1 intégrale ^{J. Les}

tables des valeurs numériques ^{de cette} intégrale ^nous fournissent la valeur de et, par conséquent, la valeur du coefficient de dif-

2 V Dt

^q

fusion D.

a. Dispositif expérimental.

Résultats.

Nous avons étudié. ^au moyen de la méthode décrite ci-dessus, la diffusion du Ra B + ^{C et du Po}

dans les éléments Au, Ag, ^Pt. Disons tout de suite que, dans ^tous les cas,

la diffusion était, ^{à la} température ordinaire, absolument insignifiante ^et

que pour obtenir des effets mesurables nous avons été obligé ^{de maintenir}

nos préparations ^{dans un} four chauffé à une température ^élevée.

d. Diffusion du ^Po.

^Nous nous sommes servis, pour ^nos expé- riences, de lames de Pt (épaisseur 8 [J.; parcours des rayons ^x; 7,8 N,) ^{et de}

Au (épaisseur ^{8, 85 ~; parcours,} 8,5 v).

Pour activer ces lames, par électrolyse ^{d’un côté} seulement, ^nous avons employé ^le procédé ^suivant.

Dans la partie ^{droite d’un} tube en U (fig. 1) ^{on mettait un} tampon

Fig ( ,

de papier buvard fortement tassé, puis ^{un bout de} tige ^{de verre de}

(1) ^Nous tenons-à remercier ici la maison Caplain ^St-André qui

^{bien voulu} préparer

pour

expériences ^{des feuilles} d’or, ^de platine et d’argent d’épaisseur approprié.

329

diamètre sensiblement égal ^au diamètre intérieur du tube (environ ^{2 mm).}

On remplissait ^{le tube de HN03 normal,}

^le liquide n’arrivant pas ^{au dessus} de la tige, qui cependant ^en était mouillée. Au dessus de la tige, ^{on intro-}

duisait environ 100 mm’ d’une solution de Po dans HNO ; ^la solution de Po était alors en contact électrique ^{avec le HNO3 inactif, sans} pouvoir ^dif-

fuser d’une manière notable dans le liquide inactif. La solution de Po for- mait sur l’orifice du tube une goutte ^{fortement convexe. La lame destinée}

à recueillir le dépôt ^{de Po} était réunie au pôle négatif ^d’un potentiomètre

et pouvait être amenée dans une position tangente ^{à la} goutte par le ^mou- vement d’une vis. Le pôle positif ^du potentiomètre était réuni à un fil de Pt plongeant ^{dans la} partie gauche ^{du tube en U ; à côté du fil} plongeait

l’extrémité du siphon ^d’une électrode normale destinée à mesurer, de la manière usuelle, ^le potentiel ^de la lame par rapport ^au liquide. En choisis- sant convenablement la valeur de ce potentiel (+ ^0,273 Fsg pour l’or, environ, + 0 ; 6 pour le Pt) ^{on arrivait à} concentrer, ^{au bout de} quelques heures, ^une fraction notable (environ 15 pour 100) ^{du Po dissous, sur une} petite ^{étendue, le côté} supérieur ^{de la lame restant} parfaitement ^inactif.

L’électrolyse ^{achevée, on lavait et on} séchait la lame. Après ^avoir

mesuré son activité x; on recouvrait le côté actif d’une lame identique ^et

l’on serrait la lame double ainsi obtenue entre deux plaques ^{de 1 mm} d’épaisseur, ayant la forme d’un porte-objet, vissées l’une contre l’autre et

percées ^au milieu d’un trou de 8 mm de diamètre (fig. 2). ^{On obtenait de}

Fig.2.

cette manière une monture pouvant f acilement être fixée sur la platine ^d’un microscope, pour l’observation des scintillations ; la deuxième lame était destinée à protéger ^{le côté} inactif d’une contamination radioactive, pouvant provenir d’une volatilisation partielle ^du dépôt pendant ^la période ^du chauf f age .

Après ^avoir compté le nombre de

scintillations initiales » à travers des écrans d’Al d’épaisseur convenable, ^on abandonnait la lame _pour une

durée d’une semaine dans un four électrique ^{dont la} température ^mesurée

à l’aide d’une pince Pt : Pt-Ir était maintenue au voisinage ^{de 470" 11.}

Les expériences ^{faites avec l’or ont donné} pour le coefficient de diffu- sion un nombre voisin de 10-9 cms : jour; quelques expériences prélimi-

naires faites avec le Pt ont donné des nombres rapprochés ^{de cette valeur,}

malheureusement l’expérience définitive faite avec le platine ^{a échoué,} par suite d’une surchauffe accidentelle du four qui ^{a amené} la volatilisation du

polonium. Il convient de dire que, ^même pour l’or, ^{le résultat ne} peut pas être considéré comme précis; ^{en effet le nombre} de scintillations diminue, lorsque l’épaisseur ^{des écrans d’Al croit,} moins vite que ne ~l’exige ^la

théorie, ^ce qui fait que ^les coefficients de diffusion calculés auglnentent

avec l’épaisseur ^{des écrans.} Nous attribuons cette circonstance au fait que la lame protectrice ^{se soude au bout d’un certain} temps ^{à la lame active, ce} qui ^{entraîne un courant} de diffusion en sens contraire de la diffusion étu- diée. Cette diffusion parasite provoque l’appauvrissement ^des couches les moins profondes ^en polonium, ^{et une} diminution apparente ^du coefficient de diffusion calculé pour les ^atomes de Po ayant ^{franchi un} petit parcours dans l’or.

2. Diffusion ^{dit Ba B} + ^C.

^{Nous avons} eniployé, pour ^ces expé- riences, des lames de Ag de 10,;) 11. (mises ^en double; parcours, I~,2 {1.), ^de

Au de 12,15 p. (parcours, ^{14 et de Pt de} 12 li. (parcours, ^12,8 ~). ^Pour

activer ces lames d’un côté seulement nous leur donnons la forme d’un cône tronqué ^L s’adaptant exactement sur un cône semblable C mais plein,

en laiton ; ^la capsule ^{de métal fin une fois mise sur ce cône, nous mettions}

encore sur ce système ^une pièce ^{rodée B sur le cône de laiton,} qui ^{serrait la} partie latérale du cône creux contre le cône plein (fig. 3). L’actiyation ^se

Fi,. ^3.

faisait de la manière usuelle, ^{dans un} récipient ^contenant de l’émanation du radium, ^dans lequel ^un champ électrique était établi de manière à concen-

lrer le dépôt ^{actif sur} la lame. De ceste façon ^{on arrivait à} protéger ^com- plètement ^contre l’activation le côté non exposé ^{de la lame, à condition} que la lame n’ait _pas été endommagée par les opérations mécaniques ^néces-

saires à lui donner la forme voulue. L’activation terminée. on enlevait

331 avec précaution ^la pièce protectrice ^{et la} capsule ^{et l’on} découpait ^{le fond}

actif de cette dernière au moyen ^d’un perce-bouchon. On obtenait une

lame circulaire de 5 mm de diamètre _que l’on fixait clans une monture

identique ^{à celle} employée pour le Po, mais munie d’un trou de 4 mm seule- ment. Après ^avoir compté ^les scintillations

initiales

et vérifié _que leur nombre décroissa,it suivant la loi de la désactivation du RaC, ^{on introdui-} sait la monture dans un four électrique ^{chauffé à 470~. Au bout d’une heure} environ, ^{on enlevait} la monture et l’on étudiait les effets de la diffusion.

Nous donnons ci-contre les résultats obtenus. Il convient de faire au sujet

de ces résultats les remarques suivantes :

En premier lieu, nous avons toujours observé que les scintillations initiales, ^{en très} petit ^nombre d’ailleurs, sont vues à travers des écrans dont l’épaisseur équivalente jointe ^{à celle de la lame est} notablement supé-

rieure au parcours des rayons a du RaC. On peut ^{chercher à attribuer ces}

scintillations ^aux particules ^de long parcours observées par Rutherford ^et

ses collaborateurs; ^une identification des deux effets est difficile, ^faute

de données numériques précises ^{dans les travaux} cités. Rutherford donne 10-6 comme ordre de grandeur ^{du nombre relatif de ces} particules; ^le

nombre relatif de nos scintillations

initiales

varie de ~ 0-6 à 10-5; ^aussi

nous pensons qu’elles ^ne peuvent pas être expliquées complètement par les particules ^de Rutherford. Nous avons constaté que ^ce nombre augmente

avec la durée de l’activation et nous pensons qu’une partie ^{de ces scintil-}

lations est due aux atomes de RaC enfoncés dans le métal _par suite du recul radioactif du RaB. Cette hypothèse peut paraître invraisemblable, ^étant donné la petitesse ^du parcours ^du recul radioactif (de l’ordre de 0,1 ¡J., ^alors

que les déplacements ^{à attribuer aux atomes} de RaC seraient ici de l’ordro de quelques p.), mais il n’est pas impossible qu’une ^certaine fraction d’atomes

projetés franchissent des distances notablement supérieures ^au parcours

moyen.

En second lieu, ^les coefficients de diffusion calculés augmentent ^nota-

blement avec l’épaisseur ^totale des écrans. Ce fait est probablement ^{dû aux}

raisons dont il était question ^à propos de la diffusion du polonium (diffu-

sion en sens inverse dans les lames protectrices recouvrant les lames

actives). ^{Si cette} explication ^{est exacte, ce sont les} grandes ^valeurs qui ^se rapprochent ^le plus des valeurs vraies, ^car la diffusion inverse commence

par atteindre les couches les moins profondes. ^Quoi qu’il ^{en soit, on voit}

immédiatement que ^nos résultats ne peuvent prétendre ^{à donner des valeurs}

’

précises des coefficients de diffusion ; ^{ils ne font} _que fixer d’une manière

sûre leur ordre de grandeur,

Résultats :

Les coefficients de diffusion dans tous les métaux étudiés sont du même ordre de grandeur. ^{Ils ne} suivent pas l’ordre ^des fusibilités mais

plutôt l’ordre inverse des duretés des métaux étudiés. Il est remarquable

que le coefficient de diffusion du Po dans l’or est près ^{de mille fois} plus petit que le coefficient de diffusion ^du RaC dans le même métal. Un sait que la diffusion réciproque des métaux dépend essentiellement de la nature de leur union et l’on serait tenté d’attribuer la lenteur de la diffusion du

polonium ^{dans l’or à la formation d’un} composé chimique ^{de ces deux}

éléments.

Manuscrit _reçu le 28 mai 1923.