HAL Id: jpa-00242102
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Submitted on 1 Jan 1904
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To cite this version:
O. Boudouard. Les Terres rares. Radium (Paris), 1904, 1 (10), pp.106-111. �10.1051/ra-
dium:01904001010010600�. �jpa-00242102�
106
Les Terres rares.
S ous
le nom de ferTPS rares. on désigne un cer-
tain nombre de sesquioxydes métalliques,
assez voisins les
unsdes antres par leurs pro-
priétés chimiques, que l’oll rencontre simultanément dans divers minéraux, associes
auxacides silicique, titanique, niobique, tantalique, ou sous forme de
fluorures.
Ces terres avaient déjà fixé l’attention des chimistes à la fin du xviii- siècle, en particulier de Gadolin ; de- puis, elles ont fait l’objet de nombreux travaux. Leur
séparation, rendue très délicate à cause des grandes analogies de ces corps, a exerce la sagacité d’un grand
nombre de savants : hlaproth, Hisinger, Berzélius, Mosander, Bahr et Bunsen, Clcvc est H0153glund, Mari-
gnac, Delafontaine, Lecoq de Boisbaudran, Nilson, Soret, La,vrence Siiiith, A uer de Welsbach, Demarçay, Schiitzenbcrgei est Boudouard, Verneuil et Wyrouboff,
tlob, Urbain t’t LaC0111be, Brauner, Mutbmann, etc.
Cette longue énumération montre combien est diffi- cile la solution de la question. A mesure que les
moyens de séparation des divers oxydes mélanges dans
les minéraux se multipliaient et
scperfectionnaient,
on arrivait à augmenter la liste des espèces distinctes,
en dédoublant des oxydes considérés auparavant comme des composés définis, en rectifiant des erreurs, en fai- sant disparaître des espèces admises jusqu’alors, en
lllontrant qu’elles devaient être considérées commc des
mélanges d’autres espèces connues.
Actuellement, ce long et pénible travail n’est pas
encore terminé, et la lumière n’est pas faite dans toutes les parties ; la question avance cependant peu à peu, et la fin du siècle dernier peut être considérée
comme une étape importante. Les chilnistes ont encore
présente à la mémoire la remarquable exposition des
terres rares due à MM. Chenal, Douilhet et Cie, dans laquelle ces industriels mettaient sous les yeux du pu-
blic, non pas quelques grammes de matière, mais des kilogrammes de chacun des sels les plus intéressants des métaux rares.
Les terres rares, qui présentent toutes des carac-
tères analytiques très voisins et qui ne sont plus aujourd’hui rares que de nom, sont caractérisées par l’insolubilité de leurs oxalates en liqueur neutre
oufaiblement acide. Elles appartienent
augroupe ana-
lytique de l’alumine et du chrome; par leurs pro-
priétés, elles se rapprochent beaucoup du groupe des alcalino-terreux. MM. Urbain et Lacombe ont montré récemment leur parenté avec le bismuth.
Elles
neprécipitent ni par l’acide chlorhydrique, ni
par l’hydrogène sulfuré. Le sulfhydrate d’ammoniaque,
les sulfures alcalins, la potasse catistiqiie donnent des précipités d’hydrates blancs, gélatineux, insolubles
dans iin excès d’alcali. Ces hydrates absorbent l’acide carbonique de l’air et décomposent les sels ammonia-
c’aux. Les carbonates alcalins donnent des précipites
de carbonates généralement solubles dans un excès de réactif. Les sulfates sont plus solubles à froid qu’a
ulland.
Elles se subdivisent en trois groupes principaux:
10 Le groupe des terres dont les sulfates doubles
potassiques sont insolubles dans une dissolution satu- rée de sulfate de potasse : cérium, lanthane, groupe
didymique dont les solutions donnent un spectre d’ah- sorption (néodyme, praséodyme, samarium).
2° Le groupe des terres dont les sulfates doubles
potassiques sont peu solubles: europium, gadolinium,
terbium. Les solutions de ces métaux ne présentent
pas de spectre d’absorption. Toutefois l’europium pré-
sente un faible spectre d’absorption que Demarçay
attribua d’abord à un nouvel élément inconnu de ce
groupe ; mais ce spectre n’avant jamais varié d’inten- sité dans les divers fractionnements d’europiiiiii, il
admit qu’on pouvait le considérer comme caractéris-
tique de ce corps tout en réservant sa première hypo-
thèse.
50 Le groupe des terres dont les sulfates doubles
potassiques sont solubles qui colnprend :
Yttrium
Ytterbium sans spectre d’absorption.
Scandium Erbium
fl’h 1. dont les dissolutions présentent Thulium
des bandes
d’absorptioncarac-
Holmium des bandes d absorption carac- Dysprosium téristiques.
Seul le premier terlne de la série, le cérium, peut
s’obtenir sans trop de difficultés ; les autres oxydes:
lanthane, néodyn1e, praséody1e, samarium, europium, gadolinium, terres yttriques à poids élevé (holmium, terbium, erbium, ytterbium, thulium, dvsprosium, etc.), yttrium proprement dit, ne peuvent être isolés qu’au prix des difficultés les plus grandes.
*
* *
L’origine des difficultfe due l’on rencontre dans la
séparation des terres rares doit être attribuée à ce qu’il n’y
aaucune différence caractéristique,
aucunefonction chimique nette
surlesquelles on puisse baser
une
méthode rationnelle: dans l’état actuel de la
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:01904001010010600
qu’en quantité par rapport a la masse totale.
Si, par exemple,
onfractionne les terres yttriques
par une méthode quelconque, mais efficace, les poids atomique peuvent varier de 45 a 175. On obtient en
générale deux termes extrêmes dans un fractionne- ment, et l’on peut faire bien des hypothèses sur la
nature des portions intermédiaire. C’est ainsi que
Mosander, le premier, scinda l’yttria
entrois
substances : l’yttria vraie de poids atomique 89,
l’crl)ine de poids atomique 170 ct la lerbine inter- médiaire.
Bahr et Bunsen, Clève et H0153glund doutèrent de
l’existence de la terre intermédiaire ; Delafontaine maintint son existence, et cette opinion finit par pré-
valoir après les travaux de Lawrence Smith, Marignac
et Lecoq de Boisbaudran. Tout réccmment, Demarçay
a isolé dans ce groupe, outre la terre î« de àiarignal-,
une terre incolore qu’il désigne d’abord par le sym- bole E et qu’il appela ensuite curopium.
L’erbine, qui présente
unspectre d’absorption, fut
considérée comme homogène jusqu’en 1878, époque a laquelle Dclafontainc pensa en avoir isolé un nouvel élément, le philippiull. Le philippium n’existe pas, lnais de nouvelles recherches
surles terres SUri-
ques, il résulta que l’crbine était le mélange le plus complexe dont les terres rares eussent donné l’exemple.
En fractionnnant l’erbine, Marignac sépara unc terre
blanche sans spectre d’absorption et sans rapport
avec le philippi11, qu’il appela ytterbium. lilson,
fractionnant à son tour l’vtterbine, isola
uneterre a propriétés analogues, mais de poids atomique faible :
le scandium. Au point de
vuethéorique, le scandium
acquit une renommée énorme, car on le considéra
comme identique à l’ékabore de Mendéléjeff; les autres
terres rares, isolées vers la même époque, étaient cependant tout aussi intéressantes que le scandium : ceci dit, non pas pour retirer de la valeur a un essai de classification naturelle qui
aeu à la fois des par- tisans et des détracteurs, nlais pour montrer sinlple-
ment que cette classification, qui
apu servir de
guide dans la recherche de certains éléments nou- veaux et dont l’eiiiploi
aété couronné de succès, n’P5t
qu’un essai imparfait auquel
on nedoit demander que ce qu’il peut donner.
Clèvc et Thalen scindèrent l’erbine en trois sub- stances à spectres particuliers d’absorption : la thu-
line, 1 erbine vraie et l’holmine. Le thulium est l’hol- 111ium sont encore des éléments spectroscopiques.
Lecoq de Boisbaudran est par«’llll d scinder l’hol- miumde Clèye
enholmium vrai et en dysprosium,
cedernier
necontenant que quatre bandes de l’ancien bolmium.
de deux composants dans l’erbium Er,, et Erz de
deux composants dans ll’ thulium Tm03B1 et Tm : mais leurs arguments
neparaissent pas probants.
Quant à l’vttria proprement dite, Lecoq de Bois-
haudran a montré que, indépendamment des tcrinnes et gadolines qui l’accompagnent constamment,
(Illéprouve des difficultés presque insurmontaldes a ia
séparer des terres phosphorescentes qu’il appelle ZOo
et Za. Pour
cesavant, l’yttria est
lineterre incolore ayant un poids atomique voisin de 89 et dépourvue
de phosphorescence.
Crookes appelle vttine un mélange de terres douées
de fluorescences variées et dont les éléments forment
une famille de corps très voisins, espèces d’yttriums
dont les poids atomiques doivent osciller autour d(1 89;
ces diverses yttrias donnent toutes le même spectre électrique.
Dans le fractionnement des terres yttriques prove- nant des sables lllonaiités de la Caroline du Nord,
Schützenberger et Boudouard ne purent obtenir que très peu d’yttrium u poids atomique 89; comme
limite de leurs fractionnements, ils arrivèrent à
uneterre dont le poids atomique était voisin dl’ 97. Cette limite subsiste, que l’on emploie le fractionnement des
sulfates, la pyrogénation des nitrates, le fractionne- ment des acétviacétonates dans l’alcool et le benzène.
Si,
aucontraire,
onfractionne les éthylsulfates,
commel’a fait Urbain, on peut finalement scinder cette terre
en yttrium de poids atomique voisin de 89et
enter-
billes dont le poids atomique a atteint 132. Cette limite de fractionnement (U7) était analogue il la philippine de Delafontaine.
*
* *
Les méthodes de séparation des terres rares, dont
on
fait usage avec plus
oumoins de succès, sont les
suivantes:
Jo Parmi les sulfates douldes a !)ase de potasse qu’elles peuvent donner, les
unssont a peu près ill- solubles, surtout
enprésence d’un excès d(1 sulfate de
potasse, tandis (Iiie les autres sont solubles (groupes cérique et yttrique);
2° (certains formiates sont insolubles, d’autres sont
solubles (terbines):
3° Les nitrates soumis a
unecalcination ménagée
se décomposent plus
oumoins vite,
endonnant
d’abord des sous-nitrates solubles ;1 chaud et cristalli-
puis du, sous-nitrates insolubles, et enfin de
l’oxyde (terres erbiques):
4° En fractionnant la précipitation des hydrates
par l’ammoniaque, on déplace de préférence l’un des oxydes avait les autres (yttria);
3° On soumet certains sels (sulfates, acéhiacéto- nates, éthylsulfates)
on·uls doubles (nitrates ammonia-
caux, magnésiens) contenant un mélange des terres a
des cristallisatioils fractionnées (groupe didymique;
samarium, europium).
Avec
cesprocédés, la séparation n’est jamais im- médiate, et les opérations doivent être répétées un grand nombre de fois. Le travail de la séparation présente des difficultés de plus en plus grandes à
mesure qu’il s’effectue, et il finit par demeurer sta- tionnaire. On a alors atteint la limite de fractionne-
ment que la méthode peut donner, et, si l’on veut aller plus loin, il faut alors changer de procédé : la diffi-
culté du problème si complexc de la chimic des terres rares réside dans l’interprétation exacte de la nature
de ces liiiiiics de fractionncment. Il est difficile d’ail- leurs de formule des règles précises
surla manière
dont un fractionnement doit être conduit; la façon d’opérer varie avec la plupart des méthodes ; elle dé-
pend essentiellement des réactifs dont on fait usage
et du degré de complexité des mélanges que l’on fractionne.
Pour faire un fractionnement efficace, il n’est pas nécessaire de diviser indéfiniment sa matière. Ce pro- cédé, que l’on est tenté de suivre tout d’abord quand
on n’a pas suffisamment l’habitude des fractionne- lnents, donne le plus souvent de déplorables résultats,
à moins que la méthode ne donne par elle-même des
séparations très efficaces.
Tout fractionnen1ent doit être suivi de très près
par un caractère ou des caractères bien précis. On pourrait à la rigueur suivrc la marche des fractionne- ments par un caractère quelcontlue, physique ou chimique : indices de réfraction, mesures d’angles
de cristaux, densités, etc. On emploie généralement
la détermination des poids atomiques et l’observation
spectroscopique.
Poids atomiques.
-Le principe de la méthode consiste à transformer
enoxyde un poids déterminé
de sulfate anhydre. L’opération est très simple et très rapide. Si on suppose l’élément tri valent et si on
appelle P le poids de sulfate anhydre, p le poids
d’oxyde correspondant, les équations suivantes con-
duisent a la valeur du poids atomique :
Spectroscopie. - Les terres rares présentent trois
sortes de spectres : 1 ° des spectres de lignes; 2° des
spectres de phosphorescence ; 50 des spectres d’ab- sorption.
Pour suivre la marche des fractionnements, rem-
ploi des spectres d’absorption est très com1ode est très
rapide. Seulell1ent, cette méthode ne peut ètre appli- quée que pour les terres dont les dissolutions ou les
composés sont colorés (groupes didymique et erbique) ;
cette restriction limite l’emploi de la méthode qui
facilite cependant la séparation des terres, si on la combine judicieuselllellt avec des méthodes chimi- ques. Marignac, qui fit des travaux remarquables sur
la séparation des terres rares, ne fit guère usage que du spectroscope a absorption et des méthodes chi-
miques.
L’emploi des spectres de lignes ou de phosphores-
cence est beaucoup plus délicat.
Si l’on doit attacher une grande Îl11portanee aux
déterminations d’ordre spectroscopique, cette méthode
doit cependant être subordonnée à la détermination des poids atomiqucs. A l’appui de cette thèse, je men-
tionnerai les opinions de Delafontaine et Crookes.
Delafontaine indique que dans ses recherches
surla
gadolinite et la samarskite, il a toujours donne une grande importance a la détermination des poids ato- n1iques, et le savant physicien anglais dit : « Les con-
clusions de l’analyse spectrale per se sont sujettes à
de graves causes de doute, à moins qu’à chaque
instant la spectroscopie ne donne la main a la chi-
mie. La spectroscopie peut nous donner de précieux renseignements, mais la chimie doit après tout être
la cour suprême d’appel. » Antérieurement, Soret aBait annoncé qu’il est peut-être prématuré d’affirmer
l’existence d’un élément nouveau quand il est encore i1possible de l’isoler et d’en déterminer les caractères
chimiques, en se basant seulement sur une unique
raie d’absorption.
En 1900, le Congrès international de Physique
a adopté la proposition suivantc de M. de Graamont :
« Aucune nouvelle substance ne pourra être décrite
comme un élément avant que son spectre d’étincelle ait été mesuré et reconnu différent de celui de chaque
autre corps simple connu ». A ce sujet, il importe de rappeler que la première application de cette règle
eut pour résultat la découverte du radium : cet élé- ment est caractérisé par un spectre d’étincelles spé-
cial de 15 raies qui ont été entièrement étudiées est mesurées par Demarçay.
En résumé, la méthode de détermination des poids atomiques, fondée uniquement sur l’emploi de la balance, donne une idée plus exacte de la marche des fractionnements effectués dans la séparation des terres
rares, et l’étude spectroscopique devient un moven de contrôle et de confirmation des résultats obtenus.
Étant donnée la sensibilité extrême de la méthode
précieux procédés d’investigation d’ordre chimique.
*
* *
Les minéraux auxquels on peut s adresser pour l’extraction des terres rares sont assez nombreux.
D ailleurs ces terres sont très disséminées dans la nature : Cossa a observe leur présence dans les os,
dans les cendres de hèlr13, de l’orge, du tabac; Schia- parelli et Perroni, dans les cendres des résidus d’éva-
poration de l’urine d’homme. Crookes a reconnu
l’v t tria par l’examen des spectres de phosphorescence
dans la calcitc, le zircon, l’apatitc, l’anglésite, la ina- gnétile, la celcstinc, le corail et l’eau de mcr.
Voici quelques données relatives aux principaux
minéraux exploites pour l’obtention des terres
rares.
La Cél’ite, relativelnent assez abondante, que l’on trouve dans le gneiss de B0153stnaes en Suède, se laisse envisager comme
unhydrosilicatc répondant à la for-
111ll1C 3SiO2,2M2O3,3H2O,
-M2O3 étant
unmé-
lange de sesquioxyde de cérium, lanthane, didyme.
L’orthite, trouvée
atiGroenland, est
unsilicate
d’alumine contenant 12 pour J 00 d’oxyde de cérium
et de lanthane.
La gadolinite se trouve disséminée dans le granit d’Ytterby en Suède et de Brevig en Norvège: c’est
unsilicate hydraté d’yttria, d’erbine, de cécrium,de di-
dyme, de lanthane, de glucinium l’l de chaux. Le
minerai d’Ytterby, d’après K0153nig, eontiolt de 40 à 60 pour 100 de terres rares :
La samarskite, rencontrée à Miosk, dans l’Oural d
l’oxyde
bique et aussi a d(1 l’acide tantalique (samarskite de la Caroline du Nord ) : le,, terres rares sont dan; la pro-
portion d’environ 13 pour 100.
L’euxénite d’ .Brendal fist
untitaniobate d’yttria.
d’erbine et de cérium (de 20 a 50 pour 100 de terres
rares).
L’0153schynite de Miosk est un fluotitanoniobate awc
40 pour 100 d’oxydes rares.
L’yttrotitanite est
unsilicotitallte de chaux et
d’yttria.
La fliiocéi-ite est dll fltiorure de cérium
avecllll 1)cll
d’vttrium ; elle a été trouvée à Finbo dans une gangue de quartz et d’albite.
L’yttrocérite est du fluorure dl’ calcium
avec15 pour 100 de cérium et de lanthane et 8 pour 100
d’yttrium.
Le xénotime est un phosphate d’yttria que r ou
trouvc à Hitteroë, Ytterhy (Suède), dans la vallée de Brunnen (Saint-Gothard) :
La monazite et les sables ntonazites sont des mine-
rais qui ont acquis, pendant
cesdix dernières années,
une importance considérable due
audéveloppement de l’éclairage
augaz par le procédé Auer.
La monazite est essentiellement
unphosphate anhydre de cerium, lanthane et didyme dont la compo- sition peut
sereprésenter par la formule
(Ce,La,Di)2O5P2O5.
Elle contient toujours des quantités variables d’oxyde
de thorium (nu peut y exister
sonsforme de silicale,
comme dans le (horite
oul’orangite,
ou sousforme de phosphate, formant
Ullset double
wm’te phosphate de cérium, ou bien
commemélange isomorphe. Elle
con-tient un peu de zircone, d’alumine, de magnésie, de chaux, d’oxyde de fer. manganèse, étain et plomb, ainsi que de petite quantités d’acide titanique et de fluor.
Elle cristallise en prismes clinorhimbiques, translu-
cides
outransparents, d’une couleur jaune miel, jaune rougeâtre, brunâtre ou verdâtre, à reflets faiblement
résineux: il paraîtrait que les fragments brunâtres
euverdâtres sont plus riches en oxyde de thorium.
La monazite a été trouvée
engrande quantité
auxÉtats-Unis, au Canada et au Brésil. Elle a été signalée
en
Angleterre dans les Cornouailles. On l’a rencontrée en Suède, en Norvège, en Russie dans les monts Hmen
et dans les placers de la rivière Sonarka. On en a trouvé en France près du l’uv.
Italie chacun de ces gisements, la monazite est un
des constituants secondaires des rochcs éruptives, granits et gneiss. Les gisements les plus importants, États-Unis, Brésil, Sihérit--B ctc., proviennellt de la désagrégation des roche primitives,
sousl’influence des intempéries, des phénomènes d’érosion, etc. - en général, ils
setrouBent localisés dans les lits ou à la
source des petites rivières,
aubord de la lnel’. La
nlonazite, provenant de la destruction de ces roches,
se trouve mélangée à un certain nombre d’aiit1-es
minéraux, lesquels forment avec elle
lcqu’on nomme
commercialement les sables monazités. Ces minéraux variés sont le zircon, le xénotinlc, le fergusonite, le sphènc, le rutile, le grenat, la broohitc, l’apatite, la magnetite, le corindon, la saluarskite, la gadoli-
nite, etc.
Les gisements les plus importants, actuellement connus, peuvent se diviser en deux groupes : I" gise-
ments des États-Unis et du Callada ; 2° gisements du Brésil, de la Colombie et de la République Argen-
tine.
La Baleur marchande des sables monazités varie selon la teneur en thorium. Ceux de la Caroline du
Nord, par exemple, contenant 70 pour 100 de mona-
zite vraie, étaient livrés dans les ports de cet État à 0 fr. 40 la livre anglaise de 455 grammes, le prix
étant modifié en plus ou en nloins pour chaque unité
de monazite au-dessus ou au-dessous de la garantie.
La préférence du marché est actuellement en faveur des sables nlonazités brésiliens qui sont ordinairement
plus riches en oxyde de thorium, contiennent des
quantités assez notables des oxydes du groupe yttria et exigent moins-de frais d’extraction.
En 1894, le sable monazité valait 5000 fr. la tonne et le nitrate de thorium 2000 fr. le kilog.
1895, lc sable monazitè valait 1250 fr. la tonne et le nitrate de thorium 1000 fr. le kilog.
1897, le sable monazité Balait 500 fr. la tonne et le nitrate de thorium 80 fr. le Lilog.
Actuellenlent le prix du kilogramme de nitrate de
thorinm a encore beaucoup diminue.
Le sable monazité est donc un mélange de diffé-
rcnts minéraux très denses. Il contient en cfict : 1° La monazite proprement dite en grains jaune miel, phosphate de terres rares contenant le thorium
en faible proportion
2° Des grains rouge rubis, transparents, qui consti-
tuent une variété particulière de grenats (silicate de fer, alumine, magnésie et manganèse) ;
50 Des grains noirs plus ou lnoins foncés (fers ti tanés) ;
40 Des minéraux contenant du tantale et du zirco-
nium;
5° Du sable ordinaire, du quartz et des feldspaths.
Les analyses suivantes, effectuées par M. Séquard,
directeur de l’usine Chenal, Douilhct et Ci,,, montrent la composition complexe de cette matière.
Los analyses 1 et II se rapportent à de Forangite et
à de la thorite, silicates hydrates de thorium, uranium
et fer.
III. Échantillon moyen prélevé sur 10 000 kilo-
grammes d’un sable monazité, très 11n, jaune miel,
venant très probablement de la Caroline du Nord et
enrichi par un traitement particulier en lavant
unepartie des grenats et fers titanes.
Caroline Nord.
V. Grenats; grains roses, transparents, du même sable.
YI. Fcr titané; grains noirs brillants donnant une
poudre grise; même origine.
ill. Grains bruns, poudre brune; même origine.
L’analyse IV montre que la tcncur en thorine de la monazite pure n’atteint pas 7 pour 100, alors que la
proportion dcs autres oxydes rares est dix fois plus
considérable. La proportion est sensiblement la même dans le sable monazité (analyse III). Il en résulte que les résidus de la fabrication industrielle du nitrate de
thorium en partant de la monazite constituent une source inépuisable d’oxydes considérés jusqu’à
cesderniers temps comme terres l’arcs.
1l’al)res NI. Séquard, voici la teneur celltésimale en
D’après les recherches toutes récentes de MM. Urbain
et Lacomhe, les saines monazités renfermeraient
1
100 000 d’oxyde d’europium.
O. BOUDOUARD,
Docteur
essciences.
REVUE DES TRAVAUX
Radioactivité.
Sur l’actinium1.
-Quelques années après les premières publications de M. A. Debierne sur l’acti-
nium, Q’l. Giesel annonça l’existence d’une substance radioactive qu’il désigna d’abord sous le nom d’Ema- nationkörper, puis dernièrement sous le nom d’éma- nium. Les analogies frappantes qui existent entre la
substance de M. Giesel et l’actinium indiquent nette-
ment qu’il y a identité entre les deux substances.
L’actiniun1 est entraîné dans la précipitation des
sulfates insolubles, en particulier dans celle du sul- fate de ba1-ytc; il précipite par l’acide oxaliquc avec
les terres
rares.Dans la suite des traitements, on
con-state que l’activité se concentre dans les terres cériqucs
et que, dans celles-ci, la portion cérium est plus active
que la portion lanthane, didyme. C’est avec ces sub-
stances, dont la coinposition est variable au point de
r ne chimique, quc M. Debierne
aétudié les propriétés
radioactives de l’actinium, et jusqu’ici il n’a pu trou-
v cl’ aucun
fait établissant une différence dans la nature de la radioactivité de ces différents échantillons.
Au point de vue radioactif, si le rayonnement émis
par l’actinium est peu différent de celui du radium,
son