l'expérience, on peut les supprimer en recouvrant la source radiante
d'un écran métallique mince; le résultat de l'expérience n'est pas
modifié[47].
[47] A vrai dire, dans ces expériences, on observe toujours une
déviation à l'électromètre, mais il est facile de se rendre compte que
ce déplacement est un effet de la force électromotrice de contact qui
existe entre le plateau relié à l'électromètre et les conducteurs
voisins; cette force électromotrice fait dévier l'électromètre, grâce
à la conductibilité de l'air soumis au rayonnement du radium.
Nous avons sans plus de succès répété cette expérience dans l'air en
faisant pénétrer les rayons dans l'intérieur d'un cylindre de Faraday en
relation avec l'électromètre[48].
[48] Le dispositif du cylindre de Faraday n'est pas nécessaire, mais
il pourrait présenter quelques avantages dans le cas où il se
produirait une forte diffusion des rayons par les parois frappées. On
pourrait espérer ainsi recueillir et utiliser ces rayons diffusés,
s'il y en a.
On pouvait déjà se rendre compte, d'après les expériences qui précèdent,
que la charge des rayons du produit radiant employé était faible.
Pour constater un faible dégagement d'électricité sur le conducteur qui
absorbe les rayons, il faut que ce conducteur soit bien isolé
électriquement; pour obtenir ce résultat, il est nécessaire de le mettre
à l'abri de l'air, soit en le plaçant dans un tube avec un vide très
parfait, soit en l'entourant d'un bon diélectrique solide. C'est ce
dernier dispositif que nous avons employé.
Un disque conducteur MM (_fig._ 6) est relié par la tige métallique _t_
à l'électromètre; disque et tige sont complètement entourés de matière
isolante _iiii_; le tout est recouvert d'une enveloppe métallique EEEE
qui est en communication électrique avec la terre. Sur l'une des faces
du disque, l'isolant _pp_ et l'enveloppe métallique sont très minces.
C'est cette face qui est exposée au rayonnement du sel de baryum
radifère R, placé à l'extérieur dans une auge en plomb[49]. Les rayons
émis par le radium traversent l'enveloppe métallique et la lame isolante
_pp_, et sont absorbés par le disque métallique MM. Celui-ci est alors
le siège d'un dégagement continu et constant d'électricité négative que
l'on constate à l'électromètre et que l'on mesure à l'aide du quartz
piézoélectrique.
[49] L'enveloppe isolante doit être parfaitement continue. Toute
fissure remplie d'air allant du conducteur intérieur jusqu'à
l'enveloppe métallique est une cause de courant dû aux forces
électromotrices de contact utilisant la conductibilité de l'air sous
l'action du radium.
[Illustration: Fig. 6.]
Le courant ainsi créé est très faible. Avec du chlorure de baryum
radifère très actif formant une couche de 2cm2,5 de surface et de
0cm,2 d'épaisseur, on obtient un courant de l'ordre de grandeur de
10^{-11} ampère, les rayons utilisés ayant traversé, avant d'être
absorbés par le disque MM, une épaisseur d'aluminium de 0mm,01 et une
épaisseur d'ébonite de 0mm,3.
Nous avons employé successivement du plomb, du cuivre et du zinc pour le
disque MM, de l'ébonite et de la paraffine pour l'isolant; les résultats
obtenus ont été les mêmes.
Le courant diminue quand on éloigne la source radiante R, ou quand on
emploie un produit moins actif.
Nous avons encore obtenu les mêmes résultats en remplaçant le disque MM
par un cylindre de Faraday rempli d'air, mais enveloppé extérieurement
par une matière isolante. L'ouverture du cylindre, fermée par la plaque
isolante mince _pp_, était alors en face de la source radiante.
Enfin nous avons fait l'expérience inverse, qui consiste à placer l'auge
de plomb avec le radium au milieu de la matière isolante et en relation
avec l'électromètre (_fig._ 7), le tout étant enveloppé par l'enceinte
métallique reliée à la terre.
[Illustration: Fig. 7.]
Dans ces conditions, on observe à l'électromètre que le radium prend une
charge positive et égale en grandeur à la charge négative de la première
expérience. Les rayons du radium traversent la plaque diélectrique mince
_pp_ et quittent le conducteur intérieur en emportant de l'électricité
négative.
Les rayons α du radium n'interviennent pas dans ces expériences, étant
absorbés presque totalement par une épaisseur extrêmement faible de
matière. La méthode qui vient d'être décrite ne convient pas non plus
pour l'étude de la charge des rayons du polonium, ces rayons étant
également très peu pénétrants. Nous n'avons observé aucun indice de
charge avec du polonium, qui émet seulement des rayons α; mais, pour la
raison qui précède, on ne peut tirer de cette expérience aucune
conclusion.
Ainsi, dans le cas des rayons déviables β du radium, comme dans le cas
des rayons cathodiques, les rayons transportent de l'électricité. Or,
jusqu'ici on n'a jamais reconnu l'existence de charges électriques non
liées à la matière. On est donc amené à se servir, dans l'étude de
l'émission des rayons déviables β du radium, de la même théorie que
celle actuellement en usage pour l'étude des rayons cathodiques. Dans
cette théorie balistique, qui a été formulée par Sir W. Crookes, puis
développée et complétée par M. J.-J. Thompson, les rayons cathodiques
sont constitués par des particules extrêmement ténues qui sont lancées à
partir de la cathode avec une très grande vitesse, et qui sont chargées
d'électricité négative. On peut de même concevoir que le radium envoie
dans l'espace des particules chargées négativement.
Un échantillon de radium renfermé dans une enveloppe solide, mince,
parfaitement isolante, doit se charger spontanément à un potentiel très
élevé. Dans l'hypothèse balistique le potentiel augmenterait, jusqu'à ce
que la différence de potentiel avec les conducteurs environnants devînt
suffisante pour empêcher l'éloignement des particules électrisées émises
et amener leur retour à la source radiante.
Nous avons réalisé par hasard l'expérience dont il est question ici. Un
échantillon de radium très actif était enfermé depuis longtemps dans une
ampoule de verre. Pour ouvrir l'ampoule, nous avons fait avec un couteau
à verre un trait sur le verre. A ce moment nous avons entendu nettement
le bruit d'une étincelle, et en observant ensuite l'ampoule à la loupe,
nous avons aperçu que le verre avait été perforé par une étincelle à
l'endroit où il s'était trouvé aminci par le trait. Le phénomène qui
s'est produit là est exactement comparable à la rupture du verre d'une
bouteille de Leyde trop chargée.
Le même phénomène s'est reproduit avec une autre ampoule. De plus, au
moment où l'étincelle a éclaté, M. Curie qui tenait l'ampoule ressentit
dans les doigts la secousse électrique due à la décharge.
Certains verres ont de bonnes propriétés isolantes. Si l'on enferme le
radium dans une ampoule de verre scellée et bien isolante, on peut
s'attendre à ce que cette ampoule à un moment donné se perce
spontanément.
_Le radium est le premier exemple d'un corps qui se charge spontanément
d'électricité._
_Action du champ électrique sur les rayons déviables_ β _du
radium_.--Les rayons déviables β du radium étant assimilés à des rayons
cathodiques doivent être déviés par un champ électrique de la même façon
que ces derniers, c'est-à-dire comme le serait une particule matérielle
chargée négativement et lancée dans l'espace avec une grande vitesse.
L'existence de cette déviation a été montrée, d'une part, par M.
Dorn[50], d'autre part, par M. Becquerel[51].
[50] DORN, _Abh. Halle_, mars 1900.
[51] BECQUEREL, _Comptes rendus_, t. CXXX, p. 819.
Considérons un rayon qui traverse l'espace situé entre les deux plateaux
d'un condensateur. Supposons la direction du rayon parallèle aux
plateaux. Quand on établit entre ces derniers un champ électrique, le
rayon est soumis à l'action de ce champ uniforme sur toute la longueur
du trajet dans le condensateur, soit _l_. En vertu de cette action le
rayon est dévié vers le plateau positif et décrit un arc de parabole; en
sortant du champ il continue son chemin en ligne droite suivant la
tangente à l'arc de parabole au point de sortie. On peut recevoir le
rayon sur une plaque photographique normale à sa direction primitive. On
observe l'impression produite sur la plaque quand le champ est nul et
quand le champ a une valeur connue, et l'on déduit de là la valeur de la
déviation δ, qui est la distance des points, où la nouvelle direction du
rayon et sa direction primitive rencontrent un même plan normal à la
direction primitive. Si _h_ est la distance de ce plan au condensateur,
c'est-à-dire à la limite du champ, on a, par un calcul simple,
_e_F_l_(_l_/2 + _h_)
δ = ---------------------,
_mv_^2
_m_ étant la masse de la particule en mouvement, _e_ sa charge, _v_ sa
vitesse et F la valeur du champ.
Les expériences de M. Becquerel lui ont permis de donner une valeur
approchée de δ.
_Rapport de la charge à la masse pour une particule, chargée
négativement, émise par le radium._--Quand une particule matérielle,
ayant la masse _m_ et la charge négative _e_, est lancée avec une
vitesse _v_ dans un champ magnétique uniforme normal à sa vitesse
initiale, cette particule décrit dans un plan normal au champ et passant
par sa vitesse initiale un arc de cercle de rayon ρ tel que, H étant la
valeur du champ, on a la relation
_m_
Hρ = ----- _v_.
_e_
Si l'on a mesuré pour un même rayon la déviation électrique δ et le
rayon de courbure ρ dans un champ magnétique, on pourra, de ces deux
expériences, tirer les valeurs du rapport _e_/_m_ de la vitesse _v_.
Les expériences de M. Becquerel ont fourni une première indication à ce
sujet. Elles ont donné pour le rapport _e_/_m_ une valeur approchée
égale à 10^7 unités électromagnétiques absolues, et pour _v_ une
grandeur égale à 1,6 × 10^{10}. Ces valeurs sont du même ordre de
grandeur que pour les rayons cathodiques.
Des expériences précises ont été faites sur le même sujet par M.
Kaufmann[52]. Ce physicien a soumis un faisceau très étroit de rayons du
radium à l'action simultanée d'un champ électrique et d'un champ
magnétique, les deux champs étant uniformes et ayant une même direction,
normale à la direction primitive du faisceau. L'impression produite sur
une plaque normale au faisceau primitif et placée au-dessus des limites
du champ par rapport à la source prend la forme d'une courbe, dont
chaque point correspond à l'un des rayons du faisceau primitif
hétérogène. Les rayons les plus pénétrants et les moins déviables sont
d'ailleurs ceux dont la vitesse est la plus grande.
[52] KAUFMANN, _Nachrichten d. k. Gesell. d. Wiss. zu Gœttingen_, 1901,
Heft 2.
Il résulte des expériences de M. Kaufmann que pour les rayons du radium,
dont la vitesse est notablement supérieure à celle des rayons
cathodiques, le rapport _e_/_m_ va en diminuant quand la vitesse
augmente.
D'après les travaux de J.-J. Thomson et de Townsend[53] nous devons
admettre que la particule en mouvement, qui constitue le rayon, possède
une charge _e_ égale à celle transportée par un atome d'hydrogène dans
l'électrolyse, cette charge étant la même pour tous les rayons. On est
donc conduit à conclure que la masse de la particule _m_ va en
augmentant quand la vitesse augmente.
[53] THOMSON, _Phil. Mag._, t. XLVI, 1898.--TOWNSEND, _Phil. Trans._,
t. CXCV, 1901.
Or, des considérations théoriques conduisent à concevoir que l'inertie
de la particule est précisément due à son état de charge en mouvement,
la vitesse d'une charge électrique en mouvement ne pouvant être modifiée
sans dépense d'énergie. Autrement dit, l'inertie de la particule est
d'origine électromagnétique, et la masse de la particule est au moins en
partie une masse apparente ou masse électromagnétique. M. Abraham[54] va
plus loin et suppose que la masse de la particule est entièrement une
masse électromagnétique. Si dans cette hypothèse on calcule la valeur de
cette masse _m_ pour une vitesse connue _v_, on trouve que _m_ tend vers
l'infini quand _v_ tend vers la vitesse de la lumière, et que _m_ tend
vers une valeur constante quand la vitesse _v_ est très inférieure à
celle de la lumière. Les expériences de M. Kaufmann sont en accord avec
les résultats de cette théorie dont l'importance est grande, puisqu'elle
permet de prévoir la possibilité d'établir les bases de la mécanique sur
la dynamique de petits centres matériels chargés en état de
mouvement[55].
[54] ABRAHAM, _Nachrichten d. k. Gesell. d. Wiss. zu Gœttingen_, 1902,
Heft 1.
[55] Quelques développements sur cette question ainsi qu'une étude
très complète des centres matériels chargés (électrons ou corpuscules)
et les références des travaux relatifs se trouvent dans la Thèse de M.
Langevin.
Voici les nombres obtenus par M. Kaufmann pour _e_/_m_ et _v_:
_e_
-------
_m_
unités cm
électromagnétiques. _v_ ----.
sec
1,865 × 10^7 0,7 × 10^10 { pour les rayons
{ cathodiques.
1,31 × 10^7 2,36 × 10^10 }
1,17 » 2,48 » } pour les rayons du
0,97 » 2,59 » } radium (Kaufmann).
0,77 » 2,72 » }
0,63 » 2,83 » }
M. Kaufmann conclut de la comparaison de ses expériences avec la
théorie, que la valeur limite du rapport _e_/_m_ pour les rayons du
radium de vitesse relativement faible serait la même que la valeur de
_e_/_m_ pour les rayons cathodiques.
Les expériences les plus complètes de M. Kaufmann ont été faites avec un
grain minuscule de chlorure de radium pur, que nous avons mis à sa
disposition.
D'après les expériences de M. Kaufmann certains rayons β du radium
possèdent une vitesse très voisine de celle de la lumière. On comprend
que ces rayons si rapides puissent jouir d'un pouvoir pénétrant très
grand vis-à-vis de la matière.
_Action du champ magnétique sur les rayons α._--Dans un travail récent,
M. Rutherford a annoncé[56] que, dans un champ magnétique ou électrique
puissant, les rayons α du radium sont légèrement déviés à la façon de
particules électrisées positivement et animées d'une grande vitesse. M.
Rutherford conclut de ses expériences que la vitesse des rayons α est
de l'ordre de grandeur 2,5 × 10^9 cm/sec et que le rapport _e_/_m_ pour
ces rayons est de l'ordre de grandeur 6 × 10^3, soit 10^4 fois plus
grand que pour les rayons déviables β. On verra plus loin que ces
conclusions de M. Rutherford sont en accord avec les propriétés
antérieurement connues du rayonnement α, et qu'elles rendent compte, au
moins en partie, de la loi d'absorption de ce rayonnement.
[56] RUTHERFORD, _Physik. Zeitschrift_, 15 janvier 1903.
Les expériences de M. Rutherford ont été confirmées par M. Becquerel. M.
Becquerel a montré, de plus, que les rayons du polonium se comportent
dans un champ magnétique comme les rayons α du radium et qu'ils semblent
prendre, à champ égal, la même courbure que ces derniers. Il résulte
aussi des expériences de M. Becquerel que les rayons α ne semblent pas
former de spectre magnétique, mais se comportent plutôt comme un
rayonnement homogène, tous les rayons étant également déviés[57].
[57] BECQUEREL, _Comptes rendus_ des 26 janvier et 16 février 1903.
M. Des Coudres a fait une mesure de la déviation électrique et de la
déviation magnétique des rayons α du radium dans le vide. Il a trouvé
pour la vitesse de ces rayons _v_ = 1,65 × 10^9 cm/sec et pour le
rapport de la charge à la masse _e_/_m_ = 6400 en unités
électromagnétiques[58]. La vitesse des rayons α est donc environ 20 fois
plus faible que celle de la lumière. Le rapport _e_/_m_ est du même
ordre de grandeur que celui que l'on trouve pour l'hydrogène dans
l'électrolyse: _e_/_m_ = 9650. Si donc on admet que la charge de chaque
projectile est la même que celle d'un atome d'hydrogène dans
l'électrolyse, on en conclut que la masse de ce projectile est du même
ordre de grandeur que celle d'un atome d'hydrogène.
[58] DES COUDRES, _Physik. Zeitschrift._, 1er juin 1903.
Or nous venons de voir que, pour les rayons cathodiques et pour les
rayons β du radium les plus lents, le rapport _e_/_m_ est égal à 1,865 ×
10^7; ce rapport est donc environ 2000 fois plus grand que celui obtenu
dans l'électrolyse. La charge de la particule chargée négativement étant
supposée la même que celle d'un atome d'hydrogène, sa masse limite pour
les vitesses relativement faibles serait donc environ 2000 fois plus
petite que celle d'un atome d'hydrogène.
Les projectiles qui constituent les rayons β sont donc à la fois
beaucoup plus petits et animés d'une vitesse plus grande que ceux qui
constituent les rayons α. On comprend alors facilement que les premiers
possèdent un pouvoir pénétrant bien plus grand que les seconds.
_Action du champ magnétique sur les rayons des autres substances
radioactives._--On vient de voir que le radium émet des rayons α
assimilables aux rayons canaux, des rayons β assimilables aux rayons
cathodiques et des rayons pénétrants et non déviables γ. Le polonium
n'émet que des rayons α. Parmi les autres substances radioactives,
l'actinium semble se comporter comme le radium, mais l'étude du
rayonnement de ce corps n'est pas encore aussi avancée que celle du
rayonnement du radium. Quant aux substances faiblement radioactives, on
sait aujourd'hui que l'uranium et le thorium émettent aussi bien des
rayons α que des rayons déviables β (Becquerel, Rutherford).
_Proportion des rayons déviables_ β _dans le rayonnement du
radium_.--Comme je l'ai déjà dit, la proportion des rayons β va en
augmentant, à mesure qu'on s'éloigne de la source radiante. Toutefois,
ces rayons ne se montrent jamais seuls, et pour les grandes distances
on observe aussi toujours la présence de rayons γ. La présence de rayons
non déviables très pénétrants dans le rayonnement du radium a été, pour
la première fois, observée par M. Villard[59]. Ces rayons ne constituent
qu'une faible partie du rayonnement mesuré par la méthode électrique, et
leur présence nous avait échappé dans nos premières expériences, de
sorte que nous croyions alors à tort que le rayonnement à grande
distance ne contenait que des rayons déviables.
[59] VILLARD, _Comptes rendus_, t. CXXX, p. 1010.
Voici les résultats numériques obtenus dans des expériences faites par
la méthode électrique avec un appareil analogue à celui de la figure 5.
Le radium n'était séparé du condensateur que par l'air ambiant. Je
désigne par _d_ la distance de la source radiante au condensateur. En
supposant égal à 100 le courant obtenu sans champ magnétique pour chaque
distance, les nombres de la deuxième ligne indiquent le courant qui
subsiste quand le champ agit. Ces nombres peuvent être considérés comme
donnant le pourcentage de l'ensemble des rayons α et γ, la déviation des
rayons α n'ayant guère pu être observée avec le dispositif employé.
Aux grandes distances on n'a plus de rayons α, et le rayonnement non
dévié est alors du genre γ seulement.
Expériences faites à petite distance:
_d_ en centimètres. 3,4 5,1 6,0 6,5
Pour 100 de rayons non déviés. 74 56 33 11
Expériences faites aux grandes distances, avec un produit
considérablement plus actif que celui qui avait servi pour la série
précédente:
_d_ en centimètres. 14 30 53 80 98 124 157
Pour 100 de rayons déviés. 12 14 17 14 16 14 11
On voit, qu'à partir d'une certaine distance, la proportion des rayons
non déviés dans le rayonnement est approximativement constante. Ces
rayons appartiennent probablement tous à l'espèce γ. Il n'y a pas à
tenir compte outre mesure des irrégularités dans les nombres de la
seconde ligne, si l'on envisage que l'intensité totale du courant dans
les deux expériences extrêmes était dans le rapport de 660 à 10. Les
mesures ont pu être poursuivies jusqu'à une distance de 1m,57 de la
source radiante, et nous pourrions aller encore plus loin actuellement.
Voici une autre série d'expériences, dans lesquelles le radium était
enfermé dans un tube de verre très étroit, placé au-dessous du
condensateur et parallèlement aux plateaux. Les rayons émis traversaient
une certaine épaisseur de verre et d'air, avant d'entrer dans le
condensateur.
_d_ en centimètres. 2,5 3,3 4,1 5,9 7,5 9,6 11,3 13,9 17,2
Pour 100 de rayons
non dévies. 33 33 21 16 14 10 9 9 10
Comme dans les expériences précédentes, les nombres de la seconde ligne
tendent vers une valeur constante quand la distance _d_ croît, mais la
limite est sensiblement atteinte pour des distances plus petites que
dans les séries précédentes, parce que les rayons α ont été plus
fortement absorbés par le verre que les rayons β et γ.
Voici une autre expérience qui montre qu'une lame d'aluminium mince
(épaisseur 0mm,01) absorbe principalement les rayons α. Le produit étant
placé à 5cm du condensateur, on trouve en faisant agir le champ
magnétique que la proportion des rayons autres que β est de 71 pour 100.
Le même produit étant recouvert de la lame d'aluminium, et la distance
restant la même, on trouve que le rayonnement transmis est presque
totalement dévié par le champ magnétique, les rayons α ayant été
absorbés par la lame. On obtient le même résultat en employant le
papier comme écran absorbant.
La plus grosse partie du rayonnement du radium est formée par des rayons
α qui sont probablement émis surtout par la couche superficielle de la
matière radiante. Quand on fait varier l'épaisseur de la couche de la
matière radiante, l'intensité du courant augmente avec cette épaisseur;
l'augmentation n'est pas proportionnelle à l'accroissement d'épaisseur
pour la totalité du rayonnement; elle est d'ailleurs plus notable sur
les rayons β que sur les rayons α, de sorte que la proportion de rayons
β va en croissant avec l'épaisseur de la couche active. La source
radiante étant placée à une distance de 5cm du condensateur, on trouve
que, pour une épaisseur égale à 0mm,4 de la couche active, le
rayonnement total est donné par le nombre 28 et la proportion des rayons
β est de 29 pour 100. En donnant à la couche active l'épaisseur de 2mm,
soit 5 fois plus grande, on obtient un rayonnement total égal à 102 et
une proportion de rayons déviables β égale à 45 pour 100. Le rayonnement
total qui subsiste à cette distance a donc été augmenté dans le rapport
3,6 et le rayonnement déviable β est devenu environ 5 fois plus fort.
Les expériences précédentes ont été faites par la méthode électrique.
Quand on opère par la méthode radiographique, certains résultats
semblent, en apparence, être en contradiction avec ce qui précède. Dans
les expériences de M. Villard, un faisceau de rayons du radium soumis à
l'action d'un champ magnétique était reçu sur une pile de plaques
photographiques. Le faisceau non déviable et pénétrant γ traversait
toutes les plaques et marquait sa trace sur chacune d'elles. Le faisceau
dévié β produisait une impression sur la première plaque seulement. Ce
faisceau paraissait donc ne point contenir de rayons de grande
pénétration.
Au contraire, dans nos expériences, un faisceau qui se propage dans
l'air contient aux plus grandes distances accessibles à l'observation
9/10 environ de rayons déviables β, et il en est encore de même, quand
la source radiante est enfermée dans une petite ampoule de verre
scellée. Dans les expériences de M. Villard, ces rayons déviables et
pénétrants β n'impressionnent pas les plaques photographiques placées au
delà de la première, parce qu'ils sont en grande partie diffusés dans
tous les sens par le premier obstacle solide rencontré et cessent de
former un faisceau. Dans nos expériences, les rayons émis par le radium
et transmis par le verre de l'ampoule étaient probablement aussi
diffusés par le verre, mais l'ampoule étant très petite, fonctionnait
alors elle-même comme une source de rayons déviables β partant de sa
surface, et nous avons pu observer ces derniers jusqu'à une grande
distance de l'ampoule.
Les rayons cathodiques des tubes de Crookes ne peuvent traverser que des
écrans très minces (écrans d'aluminium jusqu'à 0mm,01 d'épaisseur). Un
faisceau de rayons qui arrive normalement sur l'écran est diffusé dans
tous les sens; mais la diffusion est d'autant moins importante que
l'écran est plus mince, et pour des écrans très minces il existe un
faisceau sortant qui est sensiblement le prolongement du faisceau
incident[60].
[60] DES COUDRES, _Physik. Zeitschrift_, novembre 1902.