L’effet produit par un champ magnétique sur les courants d’ionisation William Duane To cite this version: William Duane. L’effet produit par un champ magnétique sur les courants d’ionisation. Radium (Paris), 1912, 9 (10), pp.342-347. <10.1051/radium:01912009010034200>. <jpa-00242570> HAL Id: jpa-00242570 https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00242570 Submitted on 1 Jan 1912 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. 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De plus, Marx1 a observé une force électromotrice transverse (analogue à l’efl’et Hall dans les métaux), quand un courant électrique circule dans une flamme, dans un champ magnétique. Il y a environ deux ans l’auteur entreprit de rechercher l’effet (s’il existe) produit par un champ magnétique sur les courants d’ionisation, dans lesquels l’ionisation est due aux rayons X et aux rayons du’ radium. On espérait pouvoir faire des mesures précises permettant de calculer les rapports e m pour les ions positifs et ou dans l’autre négatifs, et trancher dans un sens l’hypothèse de l’existence des électrons positifs, qui sont communs à tous les gaz. Quelques résultats des expériences préliminaires ont été communiqués à l’Académie des Sciences 2 en juillet 1911, et l’objet de ce mémoire est de donner la description de ces expériences. Les principes généraux sur lesquels repose la recherche peuvent être énoncés de la façon suivante : un faisceau étroit et intense de rayons x et (3 provenant de l’émanation du radium passe parallèlement et au milieu de deux plateaux métalliques parallèles. Une batterie électrique maintient l’un des plateaux à un potentiel constant et un électroscope sensible relié a l’autre plateau permet de mesurer le courant d’ionisation entre ces plateaux. Une hoite étanche aux gaz enveloppe les plateaux, et en réduisant la pression du gaz à l’intérieur on peut accroître la longueur du libre parcours moyen des ions. La boite est suspendue entre les pôles d’un ëlectro-aimant de telle façon que les lignes de forces magnétiques soient parallèles aux plateaux métalliques et perpendiculaires au faisceau de rayons, Dans ces conditions un ion, dès qu il a été formé, se déplace sous l’action des forces électrique et magnétique qui sont normales l’une à l’autre, et l. Ann. d. Pltys., 2 (lUOO, 798.. 2. C. JL. 152 (1911, 356-559. - Laboratoire de Mme CURIE.] lieu de suivre les lignes de force électrique il est dévié sur leur cote par le clamp magnétique. Si la longueur du libre parcours est suffisante et le champ magnétique assez intense, l’ion sera dévié sur le côté d’une quantité telle qu’il ne pourra atteindre le plateau servant d’électrode. Ainsi, dans ces conditions. le champ magnétique diminuera le courant d’ionisation mesuré à l’électroscope. Le champ magnétique, de plus, dévie les rayons B et les rayons secondaires, et diminue ainsi le courant; mais l’ionisation produite par ces rayons est faible en comparaison de celle due aux rayons ce (qui ne sont pas supprimés par le champ magnétique), et on verra d’après les expériences que la décroissance du courant due à l’arrêt des rayons B et des rayons secondaires est faible et peut aisément être distinguée de celle due à la déviation des ions. La figure 1 montre la disposition de l’appareil. Une petite ampoule de verre A contenant l’émanation du radium (parfois une quantité aussi élevée que celle en équilibre avec 0,2 gr de radium) sert de source de rayons ionisants. Cette ampoule de verre est supportée auprès d’une petite fenètre de mica de 1 mm de diamètre, et l’ensemble verre et mica présente une épaisseur si faible (leur pouvoir d’absorption combiné n’excédant pas 5 cm d’air à la pression atmosphérique) que les rayons de l’émanation les traversent tous deux. Après le passage de la fenêtre les rayons pénétrent dans la chambre d’ionisation à travers une fcnte étroite dans le bloc de plomb B. La dimension verticale de cette fente est environ 1 mm et sa dimension horizontale (c’est-à-dire celle qui est normale au plan du dessin) croit de 1 mm à 10 mm depuis la surface extérieure à la surface intérieure du bloc. Le plomb arrête tous les rayons, mème les rayons y peu pénétrants ; et ainsi les rayons ionisants sont pratiquement confinés à un étroit faisceau passant entre les plateaux C, D et E. Une batterie de petits accumulateurs maintient le plateau C chargée à un potentiel quelconque déterminé; le plateau D sert d’électrode et le plateau E, qui est relié au sol, agit comme une espèce de plateau de garde pour l’électrode, contre les effets des rayons secondaires produits par les rayons x frappant l’extrémité de la boîte. Les rayons a ne touchent pas les plateaux et par conséquent les effets possibles des rayons secondaires à leur surface sont élimines. 1fln de protéger les fils de connexion de l’électrode au Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:01912009010034200 343 D et de 1 électroscope Wilson contre les courants d’ionisation dus aux rayons y pénétrants, ces fils sont complètement noyés dans la paraffine pure, sauf sur un petit espace G, ou un contact qu’on peut établir ou choisi des valeurs convenahles pour Ri et Rg, on peut changer rapidement le potentiel de la feuille d’or d’une valeur quelconque positive déterminée à une valeur égale négative et inversement. simplement cii Fig. 1. permet de l’électrode à terre de le l’éleccharger potentiel qu’on protéger troscopc lui-même de l’action des rayons y, un bloc de plomb II, d’eiiiiron 4 cm d’épaisseur est interposé entre cet appareil et la source de rayons, et, de plus, l’électroscope n’est pas placé dans la ligne directe du faisceau de rayons traversant la fente, mais lltl peu sur le côté, et dans une position telle que, pour atteindre l’électroscope, les rayons y de la source n’ont pas seulcmcnt à franchir les deux écrans de plomb L et 11, mais aussi l’une des pièces polaires de l’électro-aimant utilisé pour produire le champ magnétique. Ces précautions prises, l’influence directe des rompre au mettre ou veut. Pour , rayons y pénétrants est u peine perceptible et tout à fait négligeable. Gomme protection contreles influences électrostatiques, la paraffine recouvrant les fils de connexion est à l’intérieur de tubes métalliques qui sont mis ù terre, de même que la boite métallique L contenant les plateaux, et celle contenant l’électroscope. La chambre d’ionisation entière, avec ses plateaux et fenêtre de mica, etc.. est placée entre les pôles d’un électro-aimant, dans une position tellc, que les lignes de force magnétique sont normales au plan de la figure. Les deux plateaux D et E ont chacun 5 cm de long et 3 cm de large, et la distance entre eux et le plateau C est de 2 cm . J’ai trouvé la méthode suivante d’emploi d’un électroscope Wilson précise et fidèle : la feuille d’or est reliée par l’intermédiaire d’un contact interrupteur G, non pas directement au sol, mais a une clé d’inversion 1 qui, à tour de rôle, est reliée, comme on l’a figuré, au sol et à deux points d’un circuit électrique K, contenant les résistances nR1 et R2. Après avoir renversant la clé 1. Pour faire une mesure, un note les positions de de la feuille d’or sur l’échelle du microscope d’observation, correspondant a de faibles potentiels égau’( positifs et négatifs; puis, rompalt le contact eii C, on mesure le telnps nécessite par l’image pour passer de l’une de ces positions il l’autre. La ariatioll totale du potentiel de la feuille d’or divisée par le temps est, d’ailleurs, pratiquement proportionnelle au courant est peut lui servir de lucsurc. En l’urnlant la clé G et véritiaut les positiulls de l’image dans l’échcllc, on peut immédiatement découvrir et corriger une variation quelconque de la position du zéro ou de la sensibilité de l’ilstrument. Afin d’être sur que le courant observé est dû à l’ionisatiol du gaz en observation et non a ducs gaI. étrangers ou il des rayuns secondaires, ou à d autres causes perturbatrices, j’ai adopté la méthode de rl’lllplissage de la chalnbre d’ionisation, représentée sur la figure. En premier lieu, les gaz de lachambre d’ionisation doivent être pompés, et cela aussi longtemps qu’il est nécessaire pour enlever la plus grande partie des gaz occlus dans les surfaces métalliques. Au début d’une expérience, le robinet a est fermé, et le système de tubes constituant la pompe â mercure est rempli par l’intermédiaire de tubes desséchants, contenant H2SO4 et P2O5 du gaz à étudier. A l’aide du robinet b fermé, ce gaz est alors expulsé, et cette est répétée plusieurs fois. Quand au du pompage final, la pression est descendue à quelques millimètres de mercure., le robinet e est fermé. laissant ainsi une petite quantité de gaz dans le réservoir bc, puis après on produit le meilleur vide possible avec la pompe à mercure; dans le reste man0153uvre cours 344 de l’appareil comprenant la chambre d’ionisation et le réservoir d. qui contient du charbon, les gaz occlus dans le charbon avant été préalablement enlevés par une chauffe prolongée à haute température dans le vide. Finaleinent. la pompe à mercure ayant été isolée par le robinet e. la pression est encore réduite par refroidissement du réserivii d dans l’air liquide. Si on mesure le courant d’ionisation pendant que le charbon absorbe le gaz résiduel, on trouve que ce courant décroit graduellement, parfois en changeant de signe, et après environ unc heure, atteint une valeur qui peut être déterminée, mais qui est négligeable devant les courants à mesurer. Lorsque ces conditions ont été atteintes, le réservoir cl est isolé en fermant son robinet, et les robinets, en premier lieu e, puis f sont ouverts et fermés plusieurs fois, admettant chaque fois dans la chambre d’ionisation la petite quantité de gaz comprisc entre eux. Ce processus est répété jusqu’à ce que les courants d’ionisation deviennent suffisamment grands pour être mesurés, et qu’on ait obtenu la pression nécessaire. Par cette méthode, on peut être sûr que les courants sont réellement dus à l’ionisation des petites quantités de gaz introduites dans la eliambre d’ionisation. La pression obtenue après un nombre donné de manipulations des robinets e et f est déterminée par des séries spéciales d’cxpériénccs dans lesquelles la pression a été mesurée par une jauge de Me Leod jointe à la pompe à mercure. Le procédé de soufflage des petites boules de verre contenant l’émanation a été perfectionné en collaboration avec M. S.-C. Lind’. Il doit être plus ou moins semblable à la méthode antéricurement utilisée par Rutherford et Royds’ pour faire les tubes à parois minces employés dans leurs expériences sur les rayons :.1.. Nous n’avons pas troué, cependant, de description de leur méthode. Un tube de verre est étiré dans ou près d’une flamme j usqu’à ce qu’il ait un diamètre de 0,2 à 1 mm. et une épaisseur de paroi de 0,02 à 0,1 mm. La grandeur et l’épaisseur de paroi de ce tube déterminent la grandeur de la sphère qui peut èlre soufflée. L’extrémité du tube étant fermée à la flamme, il est placé à l’intérieur d’un tube de verre d’Iéna plus large (1 à 2 cm. de diamètre) qui est fixé en position horizontale et chauffé à l’extérieur par la flamme chaude d’un grand bec Bunsen..1u moyen d’une soufflerie ,au pied, on maintient une pression considérable à l’intérieur du tube capillaire et quand la pointe de ce tube arrive a la partie du tube d’léna chauffé dans la flamme, une petite boule commence à se former lentement. Si les parois du tube capillaire ne sont pas suffisamment minces pour comniencer, elles peuvent être étirées à l’intérieur du four en verre d’Iéna, la soufflerie étant utilisée pour maintenir une faible pression dans le tube capillaire, Grâce à cette méthode des tubes peuvent être étirés d’une épaisseur telle qu’ils présentent des couleurs brillantes d’interférence et supportent cependant la pression atmosphérique avec un vide à l’intérieur. Les ballons peuvent aussi être faits aussi minces, mais ils ne supportent pas la pression atmosphérique aussi bien que les tubes. Le verre à l’extrémité du tube capillaire à la place où il a été soudé, laisse un endroit épais sur la surface de la boule, et pour cette raison il est préférable d’utiliser les rayons x qui traversent le côté comme cela est représenté en A sur la figure 1. Pour courber le tube capillaire à un angle convenable, on se sert d’unc petite flamme de gaz d’environ 1 mm. de longueur à l’extrémité d’un tube de verre tin. La condensation de l’émanation à l’intérieur de la petite boule de verre présente quelque difficulté, car il est désirable, à cause de la décroissance de l’émanation avec le temps, d"enlever les gaz, oxygène, hydrogène, acide carbonique, etc., dégagés par la solution de sel de radium et le récipient qui le contient, aussi rapidement que possible. J’ai essayé plusieurs méthodes de purification de l’émanation et finalemcnt j’ai adopté une légère simplification de la méthode cmployée par M. Debierne. 31. Dcbierne’ a perfectionné les méthodes suivies par R amsay et Soddy dans leurs premières expériences sur l’hélium et la purification de l’émanation dans lesquelles l’oxygène et l’hydrogène étaient absorbés par le cuivre et l’oxyde de cuivre chauffés au rouge, le gaz carbonique par la soude caustique et la vapeur d’eau par l’anhydride phosphorique; les traces de gaz restants étaient enlevés par une pompe à vide après condensation de l’émanation dans l’air liquide. Quand on emploie cette méthode il n’est pas difficile de condenser la quantité d’émanation en équilibre avec 0,2 gramme de radium dans un volume de 0,2 à 0,5 mmJ, dans le courant de 2 heures. Un temps beaucoup plus long cependant et quelclues tours de distillation fractionnée comme ceux employés par Rutherford2 et Debierne j, sont nécessaires pour une purification plus complète de l’émanation. Les effets produits par le champ magnétique snr le courant d’ionisation peuvent être résunés brièvement de la façon suivante : en premier lieu, il y a une différences énorme entre les courants Fositifs et négatifs. Le champ magnétique diminue la valeur du courant électrique d’une faron très appréciable, même à des pressions de plusieurs centimètres de mercure. 9. RAMSAY et SODDY. Nature, 16 juillet Soc., 72 (1903) 204; 73 (1904) 546. 1. Sitzungsherichte der haiserl schafter in Wieu 120 Abt. I a. décembre 191 . 2. Phil. Mag.. 17 1909, 282. der Wissen- 14 août 1903. 2. Phil. Mag.. 1908. 3. Mine CURIE, Traité de 1903. 246; Proc. Roy. DEBIERNE, C. R., - Radioactivité tome I , p. 312-321. 345 de basses pressions (inférieures à 0,06 mm) ; un de quelques centaines de gauss réduit ce courant li une faible fraclion de 1 pour 100 de sa valeur. Cela est vrai pour l’hydrogène comme pour l’air. D’un autre côté, je n«ai pas observé d’efl’et du champ magnétique sur le courant positif dans l’air avec des pressions supérieures à 0,05 mm, sauf le fait qu’il y a toujours une chute d’environ 5 pour 100 pour les faibles champs magnétiques, due sans doute à la suppression des rayons 03B2 et peut être des rayons secondaires. Si la pression est de l’ordre de plusieurs millièmes de millimètre, et le champ électrique non supérieur à 10 volts par centimètre, les champs magnétiques de plus de 1000 gauss diminuent les courants positifs dans l’air d’une facon très perceptible. Avec un champ électrique de 25 volts par centimètre, cependant, il n’y a pas d’effet produit par le champ magnétique jusqu’à 2600 gauss., excepté la chute initiale. Dans l’hydrogène, l’effet est beaucoup plus marqué que dans l’air et a lieu aussi avec des Champs électriques plus intenses. Le fait que dans l’air aucun effet, en dehors de la chute initiale, n’est produit par le champ magnétique, si le champ électrique est supérieur a 2:5 volts ou la pression supérieure à 0,05 mm, montre que la diminution du courant observée à basses pressions, et pour des champs électriques plus faibles et des champs ma- et a champ 8 La première colonne donne le champ magnétique exprimé en gauss, et les autres colonnes la variation du potentiel de lélcetrode exprimée en volts par gnétiques plus forts, ne peut être duc à la suppression des rayons Fig. 2. des rayons secondaires, et doit étrj imputée à la déviation des ions. Le ta’eau suivant contient les courants mesurés dans une série seconde, d’expériences. on p ou celle étant proportionnelle au chaque colonne. pression correspondante du gaz quantité courant d’ionisation. En tète de a indiqué la dans la chambre d’ionisation, et (pour les cou. rants positifs) le champ électrique en ’nIts par centi- mètre. Les colonnes ne sont pas comparables 1 une a l’autre car des quantités d émanation très différentes ont (.té employées dans les différentes expériences. Afin du représenter plus clairement la façon dont les courants décroissent quand le champ magnétique croît, oit a tracé sur la figure 2 les courbes donnant dan; cha(PIC cas le courant pour uii champ varient de 0 li 1 00. On peut faire de la façon suivante une estimation de l’ordre de grandeur de la masse des ions J.J. Thom- 346 son1 a exposé la théorie des ions qui se meuvent sous champ électrique et d’un champ magné- nlaxinlunl devient l’action d’un 2mX eH2. tique. Pour appliquer cette théorie à la question présente, prenons l’axe des z dans le plan médian compris entre les deux plateaux et dans la direction du champ magnétique H, et prenons un axe des x parallèle au champ électrique X. Ainsi tous les ions seront produits très près du plan y z. Supposons que l’un de Si les ions partent avec la vitesse constante v dans les directions à partir du plan yz la distance maximum clu’ils parcourent à partir de ce plan est toutes 2W(XH+v) et la distance min mu 2 w (X H -v). Si v n’est pas ce pendant, nous devons attendre à trouveur que, en maintenant X constant et augmentant H, le courant d’ionisation atteignant l’électrode de- trop grand nous constant jusqu’à ce que le champ magnétique atteigne la valeur donnée par l’équations meure expression dans laquelle 2d est la distance entre les plateaux, et courant diminue alors lllains plus rapidement jusqu’à zéro. Les valeurs de X, Il et cl, ( orrespondant à la chute de l’intensité du courante substituée dans lequation (1) donnent une évaluation de la grandeur dura p- que ce ou e port e m Fig. La forme des courbes représenles expériences ne pcrmet 3. tant ions parte de l’origine des coordonnées au temps t=0 avec une vitesse initiale dont les composantes ces parallèles respectivement aux axes x y z sont Uo Vo wo. D’après la théorie, au temps 1 cet ion sera au point x y z défini par les équations. Il ressort, de ces équations que les distances x des ions au plan médian entre les plateaux ne croît pas indéfiniment. Sa valeur maximum dépend de la vitesse initiale et de l’intensité du champ, augmentant en général quand X croit et Il diminue. Si la vitesse iniliale est petite 1. Conduction 3 -38. vis-à-vis du rapport X H, cette distance précises de e m. Les conclusions suivantes peuvent cependant être tirées de ces données. En premier lieu, à peu près tous les ions négatifs aux basses pressions doivent avoir des masses d’un ordre de grandeur totalement dilléreiit et beaucoup plus faible que celles des ions positifs, même dans l’hydrogène. Tous les ions négatifs, par conséquent, sont corpusculaires. Ceci confirme et étend les résultats obtenus par Townsend 1, qui employait une pas des mesures méthode tout à fait diff’érente et ionisait les gaz par les rayons X. Ce résultat signifie qu’aucun des ions négatifs n’cst formé par les rayons x séparant les molécules en deux parties positive et négatiie, chacune de dimensions moléculaires. Appliquons la théorie, à l’expérience dans laquelle le champ électrique était de 55 volts par centimètre et qu’aucun effet du champ magnétique de 2600 gauss n’était observé sur le courant positif dans l’air. Puisque tous les ions atteignent 1"électrode, (1 (équation 1) doit être supérieur il la moitié de la distance entre les plateaux (1 cm), et par conséquent en subs- of Electricity through Gases, 2e edition. 1. Proc. Roy. Soc.. 85 (1911) 23-29. 347 tituant tion (1) :x == 2,5 X 109 nous et H= 2600 dans l’équa- trouvons que rapport de la charge élémentaire à la masse pour l’atome d’azote est environ 700, et il résulte Le que dans les limites des erreurs expérimentales, aucun des ions positifs dans l’air ne peut avoir une masse inférieure à celle de l’atome d’azote’. De la seconde expérience dans l’air il apparait qu’un nombre considérable d’ions positifs est arrêté par des champs d’intensités voisines de 2000 gauss, si le champ électrique est 10 volts. En substituant ces valeurs dans l’équation (1), et posant d= l, nous avons Les rapports e m pour champ magnétique supprime dans une beauplus grande proportion le courant positif dans l’hydrogène que dans 1 air même quand le champ électrique est de 25 voltes par centimètre, ce qui prouve que dans l’hydrogène le rapport e m pour un grand nombre d’ions positifs doit être beaucoup supérieur à 700, et, à moins que la charge ne soit très grande, la masse de ces ions doit être beaucoup Le coup les atomes et molécules d’azote et d’oxygène sont approximativement 700, 612, 550 et 506, et il résulte par conséquent que beaucoup d’ions positifs dans l’air doivent avoir des masses de l’ordre de grandeur de celles des atomes et des molécules d’azote et d’oxygène. moindre que celle de l’atome d’azote. Le fait que la baisse dans la courbe n’est pas exactement définie et le courant positif non complètement supprimé peut être due à la présence d’ions de masses différentes, ou bien la cause peut en être imputée à ce due la vitesse initiale des ions n’est pas négligeable ou que leurs libres parcours moyens ne sont pas suffisamment grands. Des expériences ultérieures avec de fortes intensités de champs électrique et magnétique, et peutêtre à une température très basse (afin de diminuer la vitesse des molécules), pourront élucider ccs points. [Manuscrit reçu le 20 aoiit 1912.] 1. Voir, Sir J.l. THOMSON; Phil. Mag, oct. Sur l’ionisation par projections radioactives et par rayons secondaires des rayons 03B1, dans le cas du 1911 et fév. 1912. polonium Par L. BIANU et L. WERTENSTEIN [Faculté des Sciences de Paris. A la pression atmosphérique, l’ionisation produite par les rayons Y. prédomine de beaucoup sur celle due aux autres rayonnements radioactifs. Il n’en est plus de mêmc a très basse pression. L’un de nous avait montré i, dans le cas particulier du RaC, qu’aux actions ionisantes des particules x viennent se superposer celles, très énergiques, de deux rayonnements extrumement absorbables. Le premier de ces rayonnements est peu déviable par le champ magnétique; il est constitué par la projection radioactive du RaD par le RaC ; le deuxième rayonnement est, par contre, très facilement déviable; suivant toute vraisemblance. c’est un rayonnements électronique de nature secondaire, excité par les rayons x. Nous nous sommes proposés, dans le travail actuel, d’étendre ces expériences au polonium. La généralité des phénomènes du recul ne fait plus de doute, à l’heure actuelle. Dans le cas du polonium, la projection radioactive consisterait 1. Le Radium, 9 (1912) G. - Laboratoire de Mme CURIE.] en l’expulsion des atomes constituant le produit ultime de la désagrégation de la famille uraniumradium. L’étude de cette projection ne peut être faite par les méthodes usuelles, car les atomes en question, ceux du Pb probablement, ne sont pas radioactifs. Par contre, il était naturel d’admettre que cette projection donne lieu à une ionisation de l’air, tout comme celle du HaD. Dans cet ordre d’idées, l’étude de l’ionisation, produite n basse pression par le polonium, devait révéler l’existence d’un rayonnement ionisant très absorbable, analogue à celui trouvé dans le cas du RaC. L’appareil qui nous a servi pour cette étude a été décrit ici même, dans le mémoire déjà cité. Nous en donnons ici une représentation schématique. La chambre d’ionisation, de 2 mm. de profondeur, est constituée par le plateau P, relié an quadrant isolé de l’électromètre et par la toile T1, réunie à la pile. Le disque actif A peut être fixé à dilléreiite-