L’isotopie et les éléments isotopes/05

Marie Curie

L’isotopie et les éléments isotopes

Société « Journal de Physique », 1924 (9, p. 41-69).

CHAPITRE V

CLASSIFICATION DES RADIOÉLÉMENTS

12. Poids atomique. Spectre de l’ionium. — Les poids atomiques de l’uranium, du thorium et du radium sont déterminés par les méthodes de l’analyse chimique. Leurs valeurs actuellement admises sont 238,18 ; 232,12 ; 226,0 [7, 10, 11, 39]. Parmi les autres radioéléments, les données les plus précises sont relatives au radon [20]. Le poids atomique prévu est ici 222, puisque le radon résulte par transformation radioactive du radium, avec départ d’une particule $\alpha$ et réduction du poids atomique de 4 unités (He = 4,0 très exactement) [41].

La molécule étant supposée monoatomique, le poids atomique représente aussi le poids moléculaire. Cette prévision a d’abord soulevé quelques difficultés, en raison de la valeur du coefficient de diffusion dans l’air (D = 0,1 C. G. S. environ à la température ordinaire) qui ferait prévoir un poids atomique inférieur. Les considérations basées là-dessus manquent cependant de base théorique, car le coefficient de diffusion dépend des dimensions moléculaires. La vitesse d’effusion au travers d’un orifice en paroi mince est, au contraire, une fonction du poids atomique seulement si la pression est assez faible pour que chaque gaz subisse l’effusion indépendamment. L’application de cette méthode au radon permet de déterminer sa masse moléculaire ; la détermination n’est pas troublée par la présence d’un autre gaz. Le nombre 220 ainsi obtenu par Debierne [20, 45] confirme le nombre théorique. Whyslaw Gray et Ramsay ont obtenu des nombres compris entre 218 et 227, par pesée directe de quantités absolument minimes d’émanation provenant d’une quantité connue de radium, au moyen d’une microbalance spéciale sensible à 10^-3 mg. [20]. En absence d’une détermination plus précise, on peut admettre le nombre théorique 222.

Sur aucun autre radioélément on ne possède de mesures directes de poids atomique, car aucun n’a été obtenu à l’état pur. Même quand l’isolement en quantité pondérable n’est pas impossible en principe, eu égard à la valeur de la vie moyenne présumée (ionium, période 69 000 ans ; protactinium, 10 000 ans ; radium D, 16 ans ; actinium, 20 ans), il peut encore être compromis par la présence dans le minerai d’éléments isotopes dont les radioéléments ne peuvent être séparés. Ainsi, on ne peut obtenir d’ionium pur, parce que les minerais d’urane qui contiennent ce corps, ne sont jamais tout à fait exempts de thorium. D’autre part, la formation d’ionium dans les sels d’urane purifiés est trop lente pour fournir des quantités pondérables. Il a été prouvé, cependant, que l’ionium a un poids atomique moins élevé que celui du thorium. Les expériences ont été faites avec un mélange ionium-thorium, extrait de 30 tonnes de pechblende de Saint-Joachimsthal, un des minerais d’urane les plus pauvres en thorium. Le poids atomique moyen a été trouvé 231,51 au lieu de 232,12 pour le thorium pur (Honigschmid et Horovitz) [39]. Le poids atomique prévu par la théorie des transformations radioactives est 230, puisque l’ionium se transforme en radium avec émission d’une particule $\alpha$.

On peut calculer, d’après cela, que le mélange thorium-ionium pouvait contenir 30 % d’ionium. Cependant le spectre de la substance n’offrait aucune différence avec celui du thorium. Ce fait venait confirmer des expériences semblables (Russell et Rossi, Exner et Haschek, Honigschmid et Haschek), où des mélanges contenant d’après leur activité une proportion importante d’ionium (16 % et 10 %) n’ont donné lieu à aucun spectre caractéristique différent de celui du thorium, ni dans la région visible ni dans l’ultra-violet [40]. Dès 1912 Russell et Rossi ont supposé que les spectres de l’ionium et du thorium pouvaient être identiques, et cette opinion a été soutenue par Soddy qui admit en principe que les éléments isotopes ont le même spectre.

Le radium D est associé au plomb dans les minéraux d’urane et ne peut en être séparé. On pourrait l’obtenir pur à partir du radium, comme produit de transformation de ce dernier, par l’intermédiaire du radon et des corps A, B et C, si l’on pouvait se mettre complètement à l’abri de traces de plomb contenues dans les vases utilisés pour l’opération. Un gramme de radium ne produit d’ailleurs qu’environ 0,4 mg. de radium D par an et ne peut en contenir au maximum qu’environ 10 mg. après plus de 100 ans. La famille de l’actinium contient deux éléments qui pourront sans doute être isolés, au prix d’un travail très ardu, car on ne leur connaît pas d’isotopes inactifs où de vie longue ; ce sont l’actinium et son parent direct le protactinium, dont la découverte est récente (Hahn et Meitner) [42] et qui occupe dans le système périodique la même place que le brévium (ou Ur  X₂). Cependant ces substances se trouvent dans les minéraux d’urane en proportion relativement moindre, par rapport à leur vie moyenne présumée, que les termes de la famille uranium-radium. La famille de l’actinium constitue, en effet, à partir de celle de l’uranium une bifurcation, dont le point de départ n’est pas encore absolument fixé, l’origine du protactinium pouvant être cherchée soit dans l’uranium I, soit dans l’uranium II, soit dans un isotope de ces corps.

L’uranium II, isotope présumé de l’uranium I (ou uranium ordinaire) n’est connu que par son rayonnement, et l’on n’a pas de confirmation chimique de son existence. Le poids atomique que lui attribue la théorie des transformations radioactives est 234,2 de 4 unités inférieur à celui de l’uranium I. Suivant les conditions d’origine, le poids atomique du protactinium et de l’actinium sont ou bien voisins de 234 et 230, ou bien de 230 et 226. La détermination directe du poids atomique qui résoudrait cette incertitude n’est pas à espérer à bref délai.

Dans chacune des familles uranium-radium, thorium, actinium, les poids atomiques se déduisent par application des règles de transformations radioactives, avec diminution de 4 unités de poids atomique pour chaque émission de particule $\alpha$, sans diminution pour une émission d’électron nucléaire. On arrive ainsi à fixer les poids atomiques de tous les radioéléments, sauf l’incertitude mentionnée en ce qui concerne la famille de l’actinium.

On ne possède aucune vérification précise de la règle ci-dessus énoncée. Les seuls poids atomiques que l’on puisse comparer sont ceux de l’uranium I et du radium, dont la différence n’est pas exactement de 8 unités, mais 8,2 environ. Si la différence ne dépend pas d’une petite erreur sur les poids atomiques de l’hélium, de l’uranium et du radium, elle ne peut s’expliquer davantage par la présence de l’uranium II qui est adjoint à l’uranium I en proportion de moins de 1 pour mille, avec un poids atomique inférieur. L’écart pourrait tenir à l’existence d’un isotope de poids atomique plus élevé que celui de l’uranium I et donnant naissance à la famille de l’actinium.

On peut, il est vrai, penser que l’expulsion d’une particule $\alpha$ n’est pas nécessairement accompagnée d’une diminution de poids exactement égale au poids de l’atome d’hélium, toutefois, l’ensemble de nos vues sur la structure des atomes, ne fournit pas d’appui pour cette supposition.

La séparation même partielle de l’uranium II eût été d’une grande importance pour apporter une preuve de l’existence de ce corps et pour résoudre les problèmes qui s’y rattachent. En raison de sa vie moyenne présumée (période de 2 x 10⁶ ans), l’uranium II devrait être contenu dans l’uranium I en proportion de 0,4 pour mille environ.

Des essais de séparation ont été faits de divers côtés, sans succès, par cristallisation fractionnée. D’autres expériences ont été faites en utilisant la méthode de diffusion [43] appliquée à l’azotate d’uranyle en solution azotique (avec un excès d’anions), à l’azotate d’uranyle en solution dans l’eau et au sulfate d’urane en solution dans l’eau. Le progrès de la diffusion était contrôlé par l’analyse chimique et par la mesure de l’activité. La différence des coefficients de diffusion de l’uranium I et de l’uranium II a été trouvée inférieure à 1 % par Hevesy et Putnoky, inférieure à 0,2 % par Lachs, Nadratovska et Wertenstein.

On ne peut trop insister sur l’importance considérable que prend la détermination exacte des poids atomiques accessibles à l’expérience, pour suivre les lois de transformations radioactives et en déduire les conséquences relatives à la structure des noyaux de radioéléments.

Aussi bien les poids atomiques connus que ceux présumés, classent les radioéléments à l’extrémité du système périodique, comme éléments à gros poids atomiques de la 6^e et de la 7^e période. La radioactivité semble donc liée de quelque manière à un poids atomique élevé, et l’on peut considérer l’instabilité qu’elle révèle comme une limite imposée à l’accroissement de la masse des atomes.

13. Lois de valence. — Pour la classification définitive des radioéléments, la découverte des lois de valence a joué un rôle essentiel. Celles-ci ont été établies par les efforts de plusieurs savants : F. Soddy, [1], Russell, Hevesy, Fajans et Fleck [44]. La généralisation complète avec application au classement périodique a été publiée indépendamment par F. Soddy et K. Fajans. Voici comment s’exprime cette loi en deux propositions.

1° Quand une transformation radioactive a lieu avec émission de rayons $\alpha$, l’élément qui en résulte, dont le poids atomique est de quatre unités inférieur à celui de la substance mère, est reculé par rapport à celle-ci de deux places dans le système périodique.

2° Quand une transformation radioactive a lieu sans émission de rayons $\alpha$, l’élément qui en résulte a le même poids atomique que la substance mère ; il est avancé par rapport à celle-ci d’une seule place, dans le système périodique.

Cette règle s’applique aux transformations qui comportent l’émission de rayons $\beta$ et $\gamma$ et à celles dites « sans rayons », lesquelles sont d’ailleurs probablement accompagnées d’une faible émission de rayons $\beta$.

Les règles indiquées ont été inspirées par des exemples simples. C’est ainsi que le radium, de poids atomique 226, dont la place dans le système périodique est connue dans la colonne II des métaux alcalino-terreux, perdant une particule $\alpha$, donne naissance à l’émanation, gaz inerte de poids atomique 222, dont la place est indiquée dans la même rangée et dans la colonne O des gaz inertes. On raisonne de même quand le poids atomique n’a pas été déterminé, mais que les propriétés chimiques et électrochimiques permettent de choisir la colonne qui convient à un élément. Ainsi le radiothorium, corps analogue au thorium et ayant, par suite, sa place dans la colonne IV, perdant une particule $\alpha$, donne naissance au thorium X, corps analogue au radium et devant, par suite, être placé dans la colonne II. La règle relative aux rayons $\beta$ a été trouvée par des raisonnements analogues. Les deux règles se sont montrées susceptibles d’une application générale aux transformations actuellement connues, si cependant on convient de ne pas tenir compte de la colonne supplémentaire VIII. Toutes les substances qui émettent des rayons $\alpha$ se trouvent dans les colonnes O, II, IV et VI, de rang pair, tandis que les substances qui émettent des rayons $\beta$ sont dans les colonnes II à V. Les colonnes I et VII ne conviennent à aucun des radioéléments connus.

D’après les règles indiquées ci-dessus, une transformation à rayons $\alpha$ correspond à une diminution de valence de deux unités, tandis qu’une transformation à rayons $\beta$ correspond à une augmentation de valence d’une unité (la valence étant indiquée par le numéro de la colonne).

Les lois de valence se rattachent d’une manière simple à la généralisation importante de Moseley qui caractérise les places successives du système périodique par les charges positives nucléaires augmentant par unité égale en valeur absolue à la charge d’un électron ou charge élémentaire e = 4,77 x 10^-10 E. S. Le rang d’un élément dans le système, ou nombre atomique N représente le nombre d’unités de charge positive attribuable au noyau. Si celui-ci éprouve une transformation radioactive, l’expulsion d’une particule $\alpha$ qui porte deux unités de charge positive conduit à un rang inférieur de deux unités, tandis que l’expulsion d’une particule $\beta$ qui porte une unité de charge négative fait acquérir au noyau une unité positive et lui fait gagner un rang.

Le changement de valence qui accompagne ces variations de charge nucléaire s’explique de la manière suivante : la valence positive est déterminée par le nombre d’électrons périphériques de l’atome, qui varie de 1 à 8. Un atome dont le noyau perd une charge + 2 e (e charge unitaire) abandonne, pour rester neutre, deux électrons périphériques ce qui diminue de deux unités sa valence positive. L’expulsion d’un électron nucléaire exige, au contraire, l’adjonction d’un électron périphérique d’où augmentation d’une unité pour la valence.

Les propositions 1° et 2° permettent de suivre le déplacement des éléments, lors de leurs transformations, dans le système de classification. Mais elles ne suffisent pas pour prouver que l’on peut assigner à tous les radioéléments des places convenables. Pour cela il faut y joindre une troisième proposition fondamentale.

3° Les radioéléments forment des groupes de corps de mêmes propriétés chimiques et électrochimiques, chaque groupe jouant dans le système le rôle d’un élément unique. La similitude des propriétés radioactives indique la réunion dans un même groupe. La réciproque n’est pas nécessairement exacte, une substance pouvant repasser plus d’une fois par un groupe lors de son évolution.

L’idée de réunir les éléments par groupes pour faciliter leur classification n’était pas propre à la radiochimie. On a vu que de tels groupes existaient déjà dans le système (terres rares et groupes de la colonne VIII). Mais jamais on ne s’était encore trouvé en présence d’une similitude allant aussi loin que celle des radioéléments isotopes et, conformément à ce fait, chaque groupe de ces radioéléments a un rang unique N correspondant à une même charge nucléaire Ne, tandis que les éléments des groupes du fer, du palladium, du platine et des terres rares ont des rangs différents et des charges nucléaires différentes.

14. Groupes d’isotopes. — Le groupement par isotopie permet de réduire le nombre de plus de 30 radioéléments à 10 groupes qui se placent dans les deux dernières rangées du système. Rappelons que ceux du radium, des émanations, du polonium, de l’actinium et du protactinium représentent des types chimiques nouveaux, tandis que les cinq autres viennent se joindre à l’uranium, au thorium et aux éléments inactifs thallium, plomb, bismuth.

Le tableau I représente le système des éléments dans lequel chaque groupe est indiqué par son représentant le plus stable (p. 8).

Le tableau III représente séparément les deux dernières rangées du système, avec l’énumération complète des radioéléments et avec l’indication des transformations radioactives pour les trois familles. Les transformations ont été indiquées par des flèches, conformément aux lois de valence. Le tableau IV représente le même classement avec une disposition différente, suivant Aston [61].

TABLEAUX III ET IV

Le tableau V contient l’énumération des radioéléments, par groupes isotopiques rangés par ordre de nombre atomique N décroissant. Les groupes ont été désignés par leurs représentants principaux qui sont, pour chacun d’eux, les corps dont la vie moyenne est la plus longue. Les six premiers groupes appartiennent à la dernière rangée du système, les quatre suivants à l’avant-dernière. Dans le tableau II on a indiqué à côté de chaque radioélément le groupe dont il fait partie (p. 16).

Voici quelques détails sur les éléments de chaque groupe :

I. — Groupe de l’uranium. N = 92, valence 6, colonne VI.
xxxxRadioéléments : Ur I et Ur II.
xxxxCorps type : uranium, désigné Ur I, de poids atomique 238,18.
xxxxL’existence de l’uranium II a été admise à la suite d’observations faites sur le rayonnement de l’uranium, mais ce corps n’a pu être séparé de l’uranium I. Sa période a été évaluée indirectement, à l’aide d’une loi empirique qui relie la période d’une substance au parcours des rayons a qu’elle émet.

II. — Groupe du protactinium. N = 91, valence 5, colonne V.
xxxxRadioéléments : protactinium, brévium, uranium Z.
xxxxLe protactinium est la substance mère de l’actinium, récemment trouvée ; le brévium (Uranium X₂) est une substance de courte vie intermédiaire entre l’uranium X₁, et l’uranium II. L’uranium Z, récemment découvert par Hahn, forme une branche latérale à partir de Ur X₁, en proportion de 3 pour mille environ.

III. Groupe du thorium. N = 90, valence 4, colonne IV.
xxxxRadioéléments : thorium, radiothorium, uranium X₁, uranium Y, ionium, radioactinium.
xxxxCorps type : thorium, poids atomique 232,12.
xxxxLe radiothorium est un dérivé du thorium que l’on peut obtenir indépendamment de celui-ci à partir du mésothorium, corps intermédiaire. L’uranium X₁ est un dérivé de l’uranium que l’on entraîne par le thorium. L’uranium Y (non placé {dans le tableau III) accompagne l’uranium X₁, mais s’en distingue par sa vie moyenne et son rayonnement. Sa position dans la série des transformations n’est pas fixée ; on l’envisage comme résultant d’une bifurcation dans la transformation de l’uranium I ou de l’uranium II, dans la branche qui conduit à l’actinium.
xxxxL’ionium est la substance mère produisant le radium. Sa période est probablement de l’ordre de 100.000 ans (d’après le parcours des rayons $\alpha$).

Tableau V. — Groupes des Radioéléments isotopes

92

$\left\{{\begin{matrix}\\\\\end{matrix}}\right.$

Uranium I 

238,18

0004.3

.10⁹

ans

Uranium II 

234

.10⁶

ans

---

91

$\left\{{\begin{matrix}\\\\\\\end{matrix}}\right.$

Protactinium 

230

0001.2

.10⁴

ans

U X₂ 

234

0001,15

min.

U Z 

234

0006,7

heures

---

90

$\left\{{\begin{matrix}\\\\\\\\\\\\\\\end{matrix}}\right.$

Thorium 

232,12

0001,6

.10¹⁰

ans

Radiothorium 

228

0001,9

ans

Uranium X₁ 

234

0023,8

jours

Ionium 

230

0006,9

.10⁴

ans

Uranium Y 

230

0024,0

heures

Radioactinium 

226

0018,9

jours

---

89

$\left\{{\begin{matrix}\\\\\end{matrix}}\right.$

Actinium 

226

0020

ans

Mésothorium 

228

0006,2

heures

---

88

$\left\{{\begin{matrix}\\\\\\\\\\\end{matrix}}\right.$

Radium 

226

1600

ans

Thorium X 

224

0003,64

jours

Actinium X 

222

0011,2

jours

Mésothorium I 

228

0006,7

ans

---

86

$\left\{{\begin{matrix}\\\\\\\end{matrix}}\right.$

Radon 

222

0003,85

jours

Thoron 

220

0054

sec.

Actinon 

218

0003,9

sec.

---

84

$\left\{{\begin{matrix}\\\\\\\\\\\\\\\\\end{matrix}}\right.$

Polonium 

210

0140

jours

Radium A 

218

0003,0

min.

Thorium A 

216

0000,14

sec.

Actinium A 

214

0002

.10^-3

sec.

Radium C’ 

214

.10^-5

sec.

Thorium C’ 

212

.10^-11

sec.

Actinium C’ 

210

0005

.10^-3

sec.

---

83

$\left\{{\begin{matrix}\\\\\\\\\\\end{matrix}}\right.$

Radium C 

214

0019,5

min.

Thorium C 

212

0060,8

min.

Actinium C 

210

0002,15

min.

Radium E 

210

0004,85

jours

---

82

$\left\{{\begin{matrix}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\end{matrix}}\right.$

Radium B 

214

0026,8

min.

Thorium B 

212

0010,6

heures

Actinium B 

210

0036,1

min.

Radium D 

201

0016,5

ans

$\Omega _{\mathrm {U} }^{\prime }$ 

206

stable

$\Omega _{\mathrm {U} }^{\prime \prime }$ 

210

?

$\Omega _{\mathrm {Th} }^{\prime }$ 

208

?

$\Omega _{\mathrm {Th} }^{\prime \prime }$ 

208

?

$\Omega _{\mathrm {Ac} }^{\prime }$ 

206

?

$\Omega _{\mathrm {Ac} }^{\prime \prime }$ 

206

?

---

81

$\left\{{\begin{matrix}\\\\\\\end{matrix}}\right.$

Radium C’’ 

201

0001,4

min.

Thorium C’’ 

208

0003,1

min.

Actinium C’’ 

206

0004,7

min.

Il doit se trouver dans les minerais d’urane en proportion bien plus forte que le radium, mais n’a cependant pu être isolé.

Le radioactinium est un dérivé de l’actinium qu’on obtient exempt de thorium à partir de sa substance mère actinium.

IV. — Groupe de l’actinium. N = 89, valence, 3, colonne III.
xxxxRadioéléments : actinium, mésothorium II.
xxxxCorps type : actinium.
xxxxL’actinium se rapproche surtout de certains éléments du groupe des terres rares. Sa période est de l’ordre de 20 ans. Le mésothorium II est le corps intermédiaire entre le mésothorium I et le radiothorium.

V. — Groupe du radium. N = 88, valence 2, colonne II.
xxxxRadioéléments : radium, mésothorium I, thorium X, actinium X.
xxxxCorps type : radium, poids atomique 226, métal alcalino-terreux obtenu à l’état de sels très purs et à l’état métallique ; décomposant énergiquement l’eau. Seul élément radioactif nouveau, extrait des minerais en quantité appréciable. On peut estimer que l’industrie créée pour subvenir aux besoins résultant des applications médicales a produit jusqu’à présent une quantité de l’ordre de 100 grammes. Les résultats obtenus pour ce corps ont fourni la base solide sur laquelle se trouvent édifiées la méthode de recherches qui a permis de trouver tous les radioéléments et la théorie atomique de la radioactivité.

Les limites d’absorption L pour le radium ont été identifiées par de Broglie comme correspondant aux longueurs d’onde 0,802 U. A. et 0,670 U. A. d’accord avec le nombre atomique 88, conformément à la loi de Moseley.

Le mésothorium I est le premier des dérivés du thorium, il se trouve avec le radium quand le minerai traité contient du thorium ; mais on peut aussi retirer le mésothorium sans radium des composés de thorium du commerce dans lesquels il a pu s’accumuler. Sa période est d’environ 6 ans et demi. Ce corps, accompagné du radiothorium qu’il produit et des dérivés de celui-ci, est utilisé de la même manière que le radium en radiothérapie et, pour cette raison, fait l’objet d’une fabrication industrielle.

Le thorium X et l’actinium X sont les deux corps qui, au point de vue des transformations radioactives, jouent le même rôle que le radium, en ce sens qu’ils donnent directement naissance aux émanations correspondantes.

VI. — Groupe des gaz. N = 86, valence o, colonne O.
xxxxRadioéléments : émanations du radium, du thorium, de l’actinium, ou radon, thoron et actinon.
xxxxCorps type : émanation du radium. Ce gaz a pu être isolé à l’état pur, bien que sa période ne soit que de 3,85 jours. La technique de sa séparation constitue une expérience de physique admirable. Son spectre est très complètement connu ; sa température d’ébullition est -65°, sa température critique 104°, sa pression critique 60 atm. Le volume de radon en équilibre avec un gramme de radium (un curie) est égal à 0 mm³,6.

Les deux autres émanations ont des périodes beaucoup plus courtes et n’ont pu être isolées à l’état pur comme celle du radium.

VII. — Groupe du polonium. N = 84, valence 6, colonne VI.
xxxxRadioéléments : polonium, radium A, thorium, A, actinium A, radium C’, thorium C’.
xxxxCorps type : polonium, poids atomique supposé 210.
xxxxLe polonium est le premier des éléments radioactifs nouveaux qui ait été découvert. Sa période est d’environ 140 jours, et l’on peut calculer que la quantité de polonium contenue dans les minerais d’urane est environ 5 000 fois plus petite que celle du radium. Aussi n’a-t-il pas encore été possible de déterminer le poids atomique du polonium ; mais on connaît une raie assez forte de son spectre ; cette raie disparaît en même temps que le polonium se détruit.

Le polonium est le dernier terme actif de l’évolution du radium et peut être facilement obtenu à partir du terme intermédiaire radium D ou radioplomb. Le polonium se rapproche par ses propriétés du bismuth et du tellure, il a été classé finalement comme l’homologue de ce dernier.

Les trois corps A sont les premiers termes des dépôts actifs résultant de la transformation des émanations. Parmi ces corps, seul le radium A a pu être étudié, les deux autres ayant des périodes trop courtes. Les corps C’ sont les dérivés hypothétiques du radium C, du thorium C et de l’actinium C qui émettent des rayons $\alpha$ de très longs parcours et doivent avoir, conformément à ce fait, une vie extrêmement brève.

VIII. — Groupe du bismuth. N = 83, valence 5, colonne V.
xxxxRadioéléments : radium E, radium C, thorium C, actinium C.
xxxxCorps type : bismuth (inactif), poids atomique 209.
xxxxLe radium E est le parent direct du polonium. Les corps C sont les termes

des familles de radioéléments qui subissent la transformation multiple, suivant deux modes différents.

IX. — Groupe du plomb. N = 82, valence 4, colonne IV.
xxxxRadioéléments : radium B, thorium B, actinium B et radium D.
xxxxCorps type : plomb, poids atomique 207,18.
xxxxLes corps B font partie des dépôts actifs à la suite des corps A, leurs périodes sont assez courtes. Le radium D, au contraire, qui dérive du radium B par l’intermédiaire du radium C et C’, a une période de 16 ans environ et peut, pour cette raison, s’accumuler dans les minerais d’urane ; on l’en extrait avec le plomb. Il constitue une source de polonium. On le nomme aussi radioplomb.

En dehors des corps indiqués, on doit prévoir la présence dans le groupe IX de quelques produits inactifs, termes extrêmes des séries de transformations radioactives. Si l’on applique les règles exposées plus haut d’une part au polonium, au thorium C’ et à l’actinium C’ qui émettent des rayons $\alpha$, d’autre part au radium C’ , au thorium C’ et à l’actinium C’ qui émettent des rayons $\beta$ (et $\gamma$) on trouve que, dans tous les cas, les éléments obtenus lors de ces transformations appartiennent au groupe du plomb. De sorte que, pour chaque famille, les deux bifurcations amènent à des corps $\Omega ^{\prime }$ et $\Omega ^{\prime \prime }$ qui sont tous de la nature du plomb. Si l’on calcule les poids atomiques de ces corps, on trouve que dans la famille de l’actinium les termes $\Omega ^{\prime }$ et $\Omega ^{\prime \prime }$ ont le même poids atomique 210 ou 206 (suivant que celui de l’actinium est 230 ou 226) ; dans la famille du thorium on trouve pour $\Omega ^{\prime }$ et $\Omega ^{\prime \prime }$ le poids atomique de 208,12 ; dans la famille de l’uranium, on trouve pour $\Omega ^{\prime }$ un poids atomique de 206 et pour $\Omega ^{\prime \prime }$ 210. D’après une ancienne hypothèse (Rutherford) le polonium se transforme en plomb, et l’expérience, très difficile il est vrai, semble confirmer cette manière de voir (M. Curie et A. Debierne) [20]. Mais le raisonnement qui précède montre que l’on peut prévoir, non pas un, mais six corps de l’espèce plomb, de provenance analogue, se réduisant à deux ou à trois, si ceux de même poids atomique se confondent.

X. — Groupe du thallium. N = 81, valence 3, colonne III.
xxxxRadioéléments : radium C’, thorium C’, actinium C’.
xxxxCorps type : thallium (inactif), poids atomique 204.
xxxxLe radium C’, forme une branche très peu importante de la transformation double du radium C. Le thorium C’ correspond à la transformation de 35 pour 100 des atomes de thorium C, tandis que 65 pour 100 de ces atomes se transforment en thorium C’. L’actinium C’ correspond à la transformation de la presque totalité des atomes de l’actinium C.

L’introduction des radioéléments dans le système est une preuve que les transformations du genre de celles que nous révèlent les phénomènes radioactifs sont la raison d’être et la base de ce système de signification jusqu’ici inaccessible. Ces transformations ont pu avoir lieu jadis, elles ont peut-être encore lieu dans des conditions où nous ne savons pas les observer. On constate que, dans la suite d’une transformation, un élément peut éprouver des déplacements qui le font passer par diverses colonnes avec la possibilité de repasser plusieurs fois par la même, avec des propriétés analogues.

En dehors des corps $\Omega$ il existe, comme on sait, un autre produit inactif des transformations radioactives. Ce produit est l’hélium qui résulte de toutes les émissions de rayons $\alpha$. Ce gaz est produit régulièrement par le radium (en équilibre avec l’émanation et les dérivés de celle-ci), à raison de 160^mm3 par an et gramme de radium. Il est aussi produit par le polonium, l’expérience a montré que cette production, pour une quantité de radium ou de polonium déterminée, est très exactement proportionelle au nombre d’atomes transformés, calculé d’après la loi de destruction spontanée [45]. Ainsi la production d’hélium par transformation d’atomes obéit à des lois établies avec précision.

15. Les éléments isotopes du type plomb. Poids atomique et propriétés. — Les éléments du type plomb (N = 82) méritent une attention spéciale, en raison du rôle qui leur appartient dans l’évolution de la notion d’isotopie et en raison des nombreux travaux dont ils ont été l’objet.

On trouve, dans le groupe du plomb, des radioéléments à vie courte : les corps B ; un radioélément à vie assez longue : le radium D, et plusieurs éléments d’apparence stable : les corps $\Omega$. Ces derniers s’accumulent dans les minéraux d’urane et de thorium, comme produits ultimes de la transformation radioactive. Les minéraux d’urane, exempts de thorium, doivent contenir un plomb $\Omega ^{\prime }$de poids atomique 206, en ce qui concerne la branche du radium ; la branche de l’actinium fournit, en petite proportion (quelques pour cent) un plomb dont le poids atomique est 206 ou 210. Les minéraux de thorium, exempts d’urane, produisent du plomb de poids atomique 208. Si les plombs d’origine radioactive, contenus dans les minéraux sont exempts d’addition de plomb d’origine étrangère, on doit trouver sur des minéraux convenablement choisis, des différences de poids atomique du plomb, prévues par la théorie.

Signalons d’abord que la teneur des minéraux d’urane en plomb est consistante avec l’hypothèse de sa production par transformation radioactive. Un gramme d’uranium, en équilibre avec les produits de sa transformation, produit par an, environ 1,3 10^-10 gr. de plomb en admettant pour la période de l’uranium $\mathrm {T_{r}} =4,5\times 10^{9}$ ans. Le rapport des teneurs en plomb et en uranium croît avec l’âge géologique du minerai ; pour des minéraux de même âge provenant de localités voisines, le rapport ${\frac {\mathrm {Pb} }{\mathrm {U} }}$ est approximativement le même (Boltwood, Holmes), [46]. Ce rapport est, par exemple, 0,04 pour les uranites examinées. Il atteint 0,2 pour la thorianite de Ceylan, minerai de thorium et d’urane très ancien. L’âge des minerais, calculé d’après la teneur en plomb, sous réserve de production constante et d’origine unique, est évalué à 300 millions d’années pour une formation dévonienne et à 1.600 millions d’années pour les roches primaires contenant la thorianite. Ces nombres sont d’un ordre de grandeur compatible avec celui qu’envisagent les géologues sur la base d’autres considérations.

Holmes et Lawson [46] ont recherché si les plombs d’urane et de thorium doivent être considérés comme stables tous les deux. La stabilité du plomb de thorium était mise en doute parce que le rapport du plomb à l’uranium semblait peu influencé par la proportion de thorium.

Pour éclaircir cette question, l’uranium, le thorium et le plomb ont été dosés dans plusieurs séries de minerai de formation géologique bien établie. D’après la théorie des transformations radioactives, un gramme de thorium produit en un an environ 0,5 10^-10 gr. de plomb, et le rapport de cette production à celle qui a lieu pour un gramme d’uranium est 0,4^[1]. Dans l’hypothèse de stabilité des deux espèces de plomb, l’âge calculé pour le minerai est approximativement :

$t\ =\ 8.000\,{\frac {\mathrm {Pb} }{\mathrm {U} \,+\,0.4\,\mathrm {Th} }}\,10^{6}$ ans.

Dans cette formule on peut faire subir à U et à Th des corrections pour tenir compte du fait que le temps t est de l’ordre de la période de l’uranium et peut même être appréciable par rapport à la période du thorium. Pour les minerais d’une même époque géologique t devrait se montrer indépendant de la proportion du thorium à l’urane, si le plomb de thorium est stable ainsi que le plomb d’urane.

Pour un groupe de minéraux de Norwège devonien (thorites, orangites, pyrochlore, zircones, etc.), le rapport du plomb à l’uranium s’est montré peu variable, 0,04 en moyenne. Par exemple, une thorite et un pyrochlore pour lesquels ce rapport est 0,049 ont un rapport du thorium à l’uranium

Tableau VI.
(Quelques exemples extraits des tableaux de Lawson et Holmes)

MINERAI		U %	Th %	Pb %	$\mathrm {\frac {Th}{U}}$	$\mathrm {\frac {Pb}{U}}$	$\mathrm {\frac {Pb}{Th}}$
Thorite	devonien Norwège	00,4072	29,2	00,0196	71,71	0,048	0,000
xxx«xxx	xxx«xxxxxxxx«	00,7200	49,43	00,0810	68,65	0,112	0,002
Orangite	xxx«xxxxxxxx«	01,2437	49,44	00,057	39,75	0,046	0,001
Thorite	xxx«xxxxxxxx«	10,1040	14,20	00,4279	01,41	0,042	0,030
Zircon	xxx«xxxxxxxx«	00,9310	00,141	00,037	00,15	0,040	0,26
Uranothorite	précambien Norwège Moss	08,1	42,48	01,18	05,28	0,146	0,028
Uraninite	xxx«xxxxxxxx«	65,2	07,9	08,8	00,12	0,136	1,11
Broggerite	xxx«xxxxxxxx«	69,5	04,95	07,8	00,07	0,112	1,58
Orangite	précambien Norwège Arendal	08,1	46,4	01,25	05,73	0,154	0,027
Claveite	xxx«xxxxxxxx«	54,0	04,05	10,2	00,075	0,189	2,52
Thorite	précambien Ceylan	01,62	54,4	00,36	33,5	0,22	0,007
xxx«xxx	xxx«xxxxxxxx«	04,57	62,8	01,28	13,7	0,28	0,021
Thorianite  (moyenne de 5 échantillons)	xxx«xxxxxxxx«	11,0	66,0	02,37	06,0	0,22	0,036

180 fois plus grand pour la thorite que pour le pyrochlore. Des résultats analogues ont été obtenus pour trois autres groupes de minerais d’âge différent. Quelques-uns d’entre eux ont été reproduits dans le tableau VI. Les auteurs en ont conclu que le plomb de thorium n’est pas stable mais doit se détruire et que l’âge des minéraux peut se calculer sans erreur sensible d’après le rapport du plomb à l’uranium des minéraux inaltérés, à condition que tout le plomb soit d’origine radioactive. Ce résultat n’est pas d’accord avec les déterminations de poids atomique dont il est question plus loin. Dans une publication faite ultérieurement, Lawson a admis que le plomb de thorium est stable, mais que les minéraux riches en thorium doivent être considérés comme d’origine relativement récente [46].

Il est à remarquer que l’âge des minéraux peut aussi se calculer d’après leur teneur en hélium [47]. Mais comme l’occlusion de ce gaz dans les minéraux n’est pas nécessairement complète, les nombres obtenus ainsi (700 millions d’années pour la période archaïque) peuvent être inférieurs aux vraies valeurs, tandis que les nombres obtenus à l’aide de la teneur en plomb sont plutôt une limite supérieure.

La détermination expérimentale du poids atomique du plomb d’origine radioactive a été entreprise de divers côtés [48]. Les essais ont porté particulièrement sur des minéraux d’urane à faible teneur de thorium et des minéraux de thorium à faible teneur d’urane. En même temps le poids atomique du plomb ordinaire (provenant en général de la galène) a été soumis à une vérification. Le plomb employé a été, dans tous les cas, soigneusement purifié. La purification avait pour objet d’éliminer diverses impuretés parmi lesquelles le bismuth était le plus à craindre. Le traitement de purification utilise la précipitation à l’état de sulfate avec redissolution dans l’acétate ou le tartrate d’ammoniaque, la précipitation à l’état de chlorure cristallisé par un courant de gaz chlorhydrique pur et de nombreuses cristallisations du nitrate ou du chlorure, de préférence en solution acide. Les dernières opérations sont faites dans des vases de quartz et de platine.

La méthode utilisée dans les déterminations les plus précises a été celle de la pesée de chlorure de plomb, préalablement fondu dans un courant de gaz chlorhydrique, suivie de la dissolution dans l’eau chaude, puis de la précipitation et du dosage du chlore à l’état de chlorure d’argent. Les détails de la purification et de l’analyse sont donnés très complètement dans les publications de Richards (Laboratoire de la Harvard University pour la détermination des poids atomiques). Le poids atomique du plomb est calculé en admettant Ag = 107,88 Cl = 35,459. Des résultats très nets ont été aussi obtenus par la méthode de Stas qui consiste à transformer le plomb métallique pur en nitrate (Maurice Curie). L’analyse porte généralement sur quelques grammes de matière et la différence maxima prévue par la théorie est environ 1/300 sur la pesée du chlorure d’argent.

Les premiers résultats ont été publiés indépendamment et à peu près simultanément en 1914 par Soddy et Hyman, Maurice Curie, Richards, Lembert et Honigschmid [48] et ont aussitôt mis en évidence des différences de poids atomique, conformes aux prévisions. D’autres séries d’expériences ont été publiées ultérieurement [48]. Voici un résumé des résultats obtenus :

Thorites. — Ces minéraux sont importants en ce qu’ils contiennent une forte proportion de thorium avec peu d’uranium.

Une quantité assez grande de thorite de Ceylan ayant été disponible, 12 gr. de plomb en ont été extraits par Soddy et utilisés après purification, pour la détermination du poids atomique et de la densité. Celle-ci a été trouvée supérieure de 0,26 % à celle du plomb commun. Ce plomb de thorite a été ensuite purifié à Vienne par Honigschmid et soumis à une nouvelle détermination de poids atomique. On a ainsi obtenu les nombres suivants :

Thorite de Ceylan U = 1,6 % Th = 54,5 % Pb = 0,36 %	Poids atomique xxxSoddy   207,69 xxxHonigschmid   207,77 ± 0,14
Thorite de Norwège U = 0,45% Th = 30,1 % Pb = 0,35 %	Poids atomique xxxHonigschmid   207,9

Ces poids atomiques sont les plus élevés qui aient été observés (plomb commun = 207,18).

Minéraux contenant de l’urane ou de l’urane et du thorium. — Les pechblendes, uraninites, carnotites contiennent, en général, de l’uranium avec très peu de thorium. On doit y trouver du plomb de poids atomique moins élevé que celui du plomb commun. D’autres minéraux contiennent des proportions comparables d’uranium et de thorium (thorianite).

La discussion des nombres contenus dans les tableaux offre un grand intérêt, mais ne manque pas de difficultés. Pour réduire celles-ci, il eût été utile de connaître pour chaque minéral, les teneurs en uranium, thorium et plomb, ainsi que la provenance et l’âge géologique approximatif. Ces données devraient être recueillies avec soin à l’avenir, en vue d’une documentation complète.

Il apparaît tout d’abord non douteux, que la théorie des plombs d’origine radioactive est, dans l’ensemble, confirmée. Aux minéraux d’urane à très petite teneur en thorium correspond un poids atomique du plomb systématiquement inférieur à celui du plomb commun (207,18). Les valeurs les plus faibles : 206,05 (pechblende cristallisée de Morogoro) ; 206,06 (broggerite) ; 206,08 (clévéite cristallisée de Langesund) ; 206,12 (broggerite cristallisée de Roade) ; ont été obtenues avec des minéraux très purs composés de cristaux inaltérés. Pour ces minéraux, il est raisonnable d’admettre qu’ils ont cristallisé jadis sans plomb, et que tout le plomb qu’ils contiennent résulte de la transformation de l’uranium ; ce plomb est désigné fréquemment comme Ra G ; il forme le terme $\Omega ^{\prime }$ de la famille uranium radium. Son poids atomique calculé à partir de l’uranium par retrait de 8 atomes d’hélium, est :

$\Omega _{\mathrm {U} }^{\prime }=238,18-32,0=206,18.$

Calculé a partir du radium, par retrait de 5 atomes d’hélium, il est :

$\Omega _{\mathrm {U} }^{\prime \prime }=225,95-20,0=205,95.$

Le nombre expérimental le plus faible : 206,05 est inférieur au premier des nombres théoriques, et légèrement supérieur au second, la plus grande de ces différences étant à peine plus que le dixième de celle entre le plomb de pechblende pure et le plomb commun.

D’autre part, le plomb de certaines thorites pauvres en uranium atteint le poids atomique 207,9, alors que le poids atomique prévu pour le plomb de thorium, termes $\Omega ^{\prime }$ et $\Omega ^{\prime \prime }$ de la famille du thorium, est donné par :

$\Omega _{\mathrm {Th} }^{\prime }=\Omega _{\mathrm {Th} }^{\prime \prime }=232,12-24,0=208,12.$

Il est ainsi prouvé que cette deuxième espèce de plomb existe bien dans les minéraux et que sa proportion ne peut être considérée comme négligeable. Par conséquent, il faut en tenir compte pour le calcul de l’âge des minéraux, et il est nécessaire pour cela de connaître la stabilité relative des plombs d’uranium et de thorium. D’après les expériences citées plus haut de Lawson et Holmes il semblait difficile d’attribuer

Tableau VII

		Poids atomique du plomb
Pechblende de St Joachimsthal	Honigschmid et Horovitz	206,70
Pech—nde de St Joach—	—	206,40
Pech—nde cristalisée de Morogoro (Afrique)	—	206,05
Broggerite	—	206,06
Yttrotantalite	Maurice Curie	206,54
Carnotite	—	206,36
Pechblende	—	206,64
Monazite	—	207,08
Galène (plomb commun	—	207,01
Samarskite	Dawis	206,30
U = 10,3 %
Th = 0,98 %
Uraninite de la Caroline du Nord xxx (très pure)	Richards et Lembert	206,40
Pechblende de St Joachimsthal	—	206,57
Carnotite du Colorado	—	206,59
Thorianite de Ceylan	—	206,82
Pechblende de Cornwall	—	206,86
Carnotite d’Australie	Richards et Wadsworth	206,34
Car—tite du Colorado	—	207,00
Cleveïte de Langesund (Norvège) xxx (très pure, en cristaux cubiques)	—	206,08
Broggerite de Roade (Norvège) xxx ((cristaux octaèdriques choisis	—	206,12
Plomb commun		207,18
Minerai du Japon, ne contenant pas xxxd’Uranium	Richards et Sameshima	207,13
Pechblende de Katanga (Congo)	Honigschmid et Birckenbach	206,048
Plomb commun	Honigschmid et Steinheil	207,23

Reproduisons aussi les nombres suivants, obtenus par Honigschmid [48] avec 3 thorianites de Ceylan à proportion croissante du thorium à l’uranium.

	Th %	U %	Pb %	poids atomique
Thorianite	57,0	26,8	3,5	206,83
Tho—nite	62,7	20,2	3,1	206,90
Tho—nite	68,9	11,8	2,3	207,21

à ces deux espèces de plomb la même stabilité. Il est particulièrement frappant de constater que le rapport $\mathrm {\frac {Pb}{Th}}$ est très faible pour tous les minéraux contenant une forte proportion de thorium et peu d’uranium.

Mais, d’autre part, l’examen du plomb de thorite, à poids atomique élevé, n’a révélé aucune radioactivité attribuable à la transformation du plomb de thorium (St. Meyer [46]) et plusieurs auteurs se prononcent en faveur de la stabilité de celui-ci.

La thorianite de Ceylan, minerai très ancien, en cristaux cubiques contient de 60 à 80 % de thorium et 10 à 30 % d’uranium. Le plomb qu’on en extrait a un poids atomique 206,82 à 207,2 (tableau VII). Ces nombres ne seraient compatibles avec l’hypothèse d’un mélange de plombs d’uranium et de thorium stables, qu’en réduisant considérablement l’âge prévu pour ce minerai et en admettant qu’il a subi une transformation. Les nombres du tableau indiquent, d’ailleurs, une augmentation du poids atomique du plomb des thorianites avec le rapport $\mathrm {\frac {Th}{U}} .$ La monazite qui contient beaucoup plus de thorium que d’uranium se trouve probablement dans un cas analogue.

Les écarts entre le poids atomique du plomb des minerais radioactifs et celui du plomb d’uranium, paraissent devoir être expliqués, pour les minerais pauvres en thorium, par une introduction de plomb commun dès la formation du minerai. Toutefois, on explique difficilement ainsi certains écarts considérables tels que celui qu’on observe pour une carnotite du Colorado dont le plomb a presque le poids atomique du plomb commun. De nouvelles analyses sont nécessaires pour mieux préciser la relation entre l’uranium, le thorium et le plomb dans les minerais radioactifs.

Activité. — Tous les plombs provenant de minéraux radioactifs possèdent eux-mêmes une certaine radioactivité. Il n’existe pas, cependant, de relation simple entre l’activité mesurée par divers expérimentateurs et le poids atomique indiqué. La radioactivité s’explique par la présence du radium D, du radium E et du polonium qui sont des dérivés de l’uranium. Le radium D étant un isotope du plomb, est entraîné avec celui-ci dans la séparation, et comme sa vie moyenne est longue (période d’environ 16 ans) il demeure avec le plomb et donne lieu à une production de radium E et de polonium.

Sa présence ne peut influencer le poids atomique, mais l’activité mesurée dans des conditions convenablement choisies, devrait être proportionnelle à la teneur en uranium.

Plomb commun. — La question qui se pose tout naturellement est celle de la relation du plomb commun avec celui d’origine radioactive. Tout d’abord, le plomb commun a-t-il un poids atomique défini ? Cette question a été examinée par Baxter et ses collaborateurs qui soumirent à une détermination précise le plomb commun de provenances diverses [49]. La constance du poids atomique pour tous ces plombs ne provenant pas de minerais radioactifs s’est montrée parfaite, donnant un nombre moyen 207,20, en accord étroit avec les déterminations de précision obtenues par d’autres expérimentateurs (207,18 Richards et Wadsworth, 207,18 Honigschmid et Horovitz).

Ainsi le plomb commun est une substance parfaitement définie ; ceci ne nous empêche pas de le considérer comme un mélange d’isotopes, le fait ayant été reconnu général à la suite des travaux d’Aston. Il est même très probable que le plomb commun est un tel mélange, puisque la complexité des éléments à poids atomique élevé se manifeste aussi bien pour les radioéléments que pour les éléments inactifs tels que le mercure. De plus, le poids atomique du plomb n’est pas un nombre entier, alors qu’Aston a montré que les poids atomiques des éléments réellement simples (à l’exception de l’hydrogène) seraient des nombres entiers, par rapport à la base usuelle (oxygène = 16).

Si le plomb commun est un mélange d’isotopes, ceux-ci peuvent être le plomb d’uranium et le plomb du thorium ($\Omega _{\mathrm {U} }$ et ($\Omega _{\mathrm {Th} }$) mais ils peuvent aussi en être différents. L’expérience seule permettra de conclure, à condition qu’on puisse réaliser une séparation au moins partielle et qu’on réussisse à obtenir le spectre de masse du plomb par la méthode des rayons positifs.

Les isotopes du type plomb ont été l’objet de nombreuses recherches ayant pour but l’étude de leurs propriétés physiques et chimiques.

Volume atomique. — La connaissance du volume atomique résulte de la mesure du poids atomique et de la densité. Des mesures de la densité ont été faites par Soddy ainsi que par Richards et Wadsworth, en relation avec leurs déterminations de poids atomiques [48]. La densité était déterminée par la méthode du flacon. Le plomb obtenu par électrolyse à l’état de beaux cristaux était ensuite fondu dans un courant d’hydrogène dans une nacelle en charbon de sucre, puis, coupé en morceaux et martelé. Ainsi que pour toute mesure, la précision relative pour un mode opératoire donné est supérieure à la précision absolue. La précision sur la mesure des densités atteignait environ 2 pour 10.000 (différences de quelques unités dans le 4^e chiffre décimal). Les résultats obtenus sont réunis dans le tableau suivant.

	Variété de plomb	Poids atomique	Densité à 20°	Volume atomique
Soddy	Plomb ordinaire	207,199	11,3465	xxxxxx18,2619
x—x	Plomb de thorite de Ceylan	207,694	11,3760	xxxxxx18,2572
Honigschmid et Horowitz	Plomb de thorite de Ceylan	207,77		xxxxxx18,2639 moy. 18,261
Richards et Wadsworth	Plomb ordinaire	207,19	11,337	xxxxxx18,277
	Plomb d’uranium le plus pur	206,08	11,273	xxxxxx18,281
	Plomb de carnotite d’Australie	206,34	11,289	xxxxxx18,278 moy. 18,279

Les écarts de la moyenne pour le volume atomique ne dépassent pas 2 pour 10.000 pour la première série et 1,4 pour 10.000 pour la 2^e série alors que les différences de densité atteignent respectivement environ 3 pour 1.000 et 6 pour 1.000. On est donc fondé de conclure que les plombs de poids atomique différent possèdent le même volume atomique, à la précision des expériences.

Indice de réfraction des azotates. — L’indice de réfraction des sels est en général mis en relation avec la densité. On pouvait se demander si celle-ci intervient plutôt que le volume atomique. Des mesures très précises (Richards et Schumb), [50] effectuées sur des cristaux soigneusement préparés d’azotate de plomb, au moyen d’un réfractomètre Abbe, ont montré que l’indice de réfraction est le même pour l’azotate de plomb de carnotite australienne (voir tableau VII) et pour celui de plomb ordinaire, à la précision de 1 pour 20.000. La valeur de l’indice est n = 1,7815 à 20°. Aucune différence n’a été trouvée en utilisant soit une face naturelle du cristal, soit une surface soigneusement polie.

Solubilité des azotates [50]. — Fajans et Fischler, puis Fajans et Lembert ont trouvé la même solubilité pour l’azotate de plomb ordinaire et celui de plomb de carnotite d’Australie à la précision 0,75 %. Des expériences plus précises (Richards et Schumb) [50] ont montré que les solubilités exprimées en grammes de plomb ou de sel de plomb dans 100 grammes d’eau ont entre elles la même différence relative que les poids atomiques ou moléculaires. À 25°, ces solubilités sont :
xxxxx59,597 gr. Pb (Az O³)² pour le plomb ordinaire.
xxxxx59,439 gr. Pb (Az O³)² pour le plomb de carnotite d’Australie.
xxxxxLa différence des poids moléculaires étant 0,24 %, celle des solubilités est de 0,26 %. Conformément à ceci, les solubilités moléculaires dans 1.000 gr. d’eau : 1,7993 et 1,7991 sont égales à la précision de 0,01 % environ.

La densité d’une solution saturée étant susceptible d’être mesurée avec une bonne précision, on peut établir sur cette base une comparaison de poids atomiques d’isotopes.

Température de fusion. — La température de fusion du chlorure de plomb a été trouvée la même à 0,5 % près pour le plomb ordinaire et celui de poids atomique 206,57 (Richards et Hall) [50]. La température absolue de fusion du métal ordinaire et de celui provenant d’une carnotite australienne offrent une très petite différence, attribuée à des traces d’impuretés et hors de proportion avec l’écart des poids atomiques 207,18 et 206,4. Il semble donc que les isotopes doivent être considérés comme entièrement solubles l’un dans l’autre, avec une même température absolue de fusion T. Celle-ci est reliée par la formule de Lindemann [50] à la masse atomique m, au volume atomique V et à la fréquence propre $\nu$

$\mathrm {T} ={\frac {\nu ^{2}m\mathrm {V} ^{5}}{\mathrm {K} ^{2}}}$

où K est une constante universelle. L’égalité de T et de V entraîne pour les isotopes la relation $m\,\nu ^{2}=$ const.

Propriétés thermoélectriques. — Il n’existe aucune force électromotrice thermoélectrique dans un couple formé par deux fils de plomb (poids atomiques 207,18 et 206,4), dont une jonction est au voisinage de la température de fusion, tandis que l’autre est maintenue à 0°. La sensibilité des mesures eût été suffisante pour déceler 10^-7 volt (Richards et Hall), [50].

Conductibilité. — Les mesures ont été faites sur les mêmes échantillons que ceux utilisés dans l’expérience précédente. On n’a trouvé aucune différence dans la conductibilité des deux espèces de plomb, et dans l’effet de la température et de la pression sur cette conductibilité (Bridgman) [50]. Kamerlingh Onnes et Thyn ont étudié la supra-conductibilité du plomb dans un bain d’hélium liquide. Le point de disparition est exactement le même (environ 7° absolus) pour le plomb ordinaire et pour le plomb d’urane [51].

Essai de séparation par cristallisation. — Une tentative de séparation particulièrement démonstrative (Richards et Hall) [52] a été effectuée sur le plomb de carnotite australienne, dont le poids atomique indiquait une proportion de 3 ou 4 parties de plomb d’uranium (Ra G ou $\Omega _{\mathrm {U} }^{\prime }$) pour une partie de plomb ordinaire, tandis que, de plus, la radioactivité indiquait une teneur suffisante en Ra D pour qu’une concentration éventuelle de ce dernier corps puisse être mise en évidence par la mesure du rayonnement. Un kilogramme environ de ce plomb à l’état de nitrate a été soumis à une cristallisation fractionnée par dépôt de cristaux d’une solution aqueuse, presque saturée à l’ébullition, et soumise au refroidissement. Les cristaux formés sont compacts et se séparent facilement de l’eau mère. Le dispositif de fractionnement est analogue à celui utilisé pour la séparation des terres rares. Après plus de mille cristallisations, les fractions extrêmes ont été soumises à une purification soigneuse et à une détermination de poids atomique qui donna les résultats suivants :

	Plomb commun	207,187
	Fraction plus soluble	206,422
	Fr—on moinsso—le	206,409

La différence 6 pour 100.000 des poids atomiques obtenus est très faible et pourrait provenir d’erreurs accidentelles. La différence de concentration réalisée est au maximum de 1 %, d’où les auteurs concluent que le nombre de cristallisations nécessaires pour obtenir une séparation complète ne peut être inférieur à environ 100.000 cristallisations.

La mesure de l’activité des fractions extrêmes permet de comparer la solubilité de l’azotate de radium D et la solubilité moyenne des azotates de radium G et du plomb ordinaire. Le poids atomique présumé du radium D est 210, en excès de 3,6 unités sur le poids atomique moyen du mélange. Les fractions extrêmes présentaient la même activité (due au radium E) à la précision des expériences, qui est évaluée à 1 %. On en a déduit que la concentration de radium D dans les deux fractions était la même à moins de 1 % près et que la séparation du radium D par cristallisation ne pourrait être faite en moins de 100.000 cristallisations.

Potentiel électrochimique. — L’égalité des potentiels électrochimiques a été prouvée pour le plomb, pour le radium D, le radium B et le thorium B par les expériences décrites plus haut (page 26 et 32 à 36) ; ces éléments ont aussi la même mobilité ionique, le même coefficient de diffusion [24] et jouissent de la faculté de substitution.

Spectre lumineux et spectre de haute fréquence [53]. — En 1914 Soddy et Hyman constatèrent que le spectre du plomb de thorite ne différait pas de celui du plomb ordinaire. Les expériences de Richards et Lembert, Honigschmid et Horowitz, et Merton donnèrent le même résultat. En 1917, Harkins et Aronberg utilisant un réseau de Nicholson, signalèrent une différence de 0,0044 unités Ångström entre les longueurs d’onde de la raie 4058 U. A. pour le plomb ordinaire et le plomb de poids atomique 206,318. Ces résultats ont été confirmés par Merton au moyen d’une méthode interférentielle. Les nombres donnés sont les suivants :

		Longueur d’onde de la raie 4058 U. A.
	$\lambda ^{\prime }-\lambda =$ 0,0050 U. A.	Longueur$\lambda$ plomb ordinaire
	$\lambda -\lambda ^{\prime \prime }=$ 0,0022 U. A.	Longueur$\lambda ^{\prime }$ plomb de pechblende
		Longueur$\lambda ^{\prime \prime }$ plomb de thorite

Une autre série d’expériences de comparaison entre le plomb ordinaire et celui de la carnotite d’Australie donne les résultats :

				$\lambda$ plomb ordinaire
	0 $\lambda$		$\lambda ^{\prime }-\lambda$	$\lambda ^{\prime }$ plomb de carnotite
	4058		0,0110 ± 0,0008 U. A.
	3740		0,0074 ± 0,0011U.—
	3684		0,0048 ± 0,0007U.—
	3640		0,0070 ± 0,0003U.—
	3573		0,0048 ± 0,0005U.—

La relation de ces différences avec la théorie sera examinée plus loin.

Les spectres de bandes ont été étudiés par Grèbe et Konen qui ont comparé la bande qui s’étend de $\lambda$ = 6700 U. A. à $\lambda$ = 3600 U. A. pour le plomb ordinaire et le plomb d’urane. Cette bande se compose d’un nombre considérable de raies, en nombre et intensité égale pour les deux espèces de plomb. Mais les raies ont paru plus nettes pour le plomb d’urane, plus diffuses pour le plomb ordinaire avec des longueurs d’onde un peu supérieures. Cet effet a été attribué à une complexité du plomb ordinaire, se composant de plomb 206 et d’un constituant de masse plus élevée. La différence mesurée est environ 0,55 U. A.

Les spectres de haute fréquence ont été également étudiés [53] Duane et Schimizu utilisant la méthode d’ionisation ont déterminé les longueurs d’onde critiques d’absorption de la série L pour le plomb ordinaire et un plomb d’uranium de poids atomique 206,08. Ils ont trouvé, à la précision 0,1 %.

Plomb ordinaire	0,9485 U. A.	0,8128 U. A.	0,7806 U. A.
Plomb d’uranium	0,9489U—	0,8129U—	0,7810U—

les différences sont comprises dans les limites d’erreurs possibles évaluées à 0,0008 U. A.

Siegbahn et Stenström ont mesuré sur des spectres photographiés les longueurs d’onde de plusieurs raies des groupes L et M pour le plomb ordinaire et le plomb d’uranium (206,05). Ils ont constaté l’égalité des longueurs d’onde correspondantes à 0,0005 10^-3 cm. près.

Cooksey a étudié la ligne L$\alpha$, par la méthode des spectres photographiés, l’écart est inférieur à 0,00006 U. A., soit 0,005 % ($\lambda$ = 1,18 U. A.) le poids atomique du plomb d’uranium employé n’est pas indiqué.

Rappelons aussi que Rutherford et Andrade ont observé le spectre d’émission du radium B qui est un isotope du plomb ; ils ont trouvé deux lignes principales du groupe L : 0,982 U. A. et 1,175 U. A. qu’ils ont pu également exciter dans un radiateur de plomb par l’action des rayons $\gamma$ d’une ampoule d’émanation du radium.

Le tableau suivant réunit quelques données relatives aux isotopes du type plomb (Richards, Adresse à la Amer. Ass. Baltimore 1918)

	Plomb commun	Plomb de carnotite australienne	Plomb d’uranium	Différence %
	A	B	C	A-B000A-C
Poids atomique	207,190	206,340	206,080	0000,420000,54
Densité	011,337	011,280	011,273	0000,420000,56
Volume atomique	018,277	018,278	018,281	0000,010000,02
Température de fusion absolue	600,53	600,59		0000,01
Solubilité de l’azotate	037,281	037,130		0000,41
Indice de réfraction de l’azotate	001,7815	001,7814		0000,00
Effet thermoélectrique				0000,00
Longueur d’onde du spectre				0000,000000,00

16. Résumé des essais de séparation de quelques radioéléments isotopes. — Dans le tableau qui suit ont été réunis les essais de séparation de quelques radioéléments isotopes, dans la mesure où l’ont permis les indications incomplètes données par les auteurs. Ce tableau fait ressortir la variété des méthodes utilisées. Les renseignements relatifs à la précision des expériences font défaut. On peut estimer que celle-ci est, en général, d’environ 1 % pour une séparation simple, mais qu’elle s’accroît avec le nombre des opérations, conformément au principe des fractionnements.

Radium et Mésothorium I.

La mesure est faite en dosant Ra + Mth par le rayonnement $\gamma$ et Ra seul par le dégagement de radon.

(Soddy.) Cristallisation fractionnée du chlorure de baryum, radium et mésothorium.

(Strong.) Cristallisation et précipitation fractionnée de sels de baryum, de radium et de mésothorium.

Ionium et Thorium.

La mesure est faite par le rayonnement $\alpha$.

(Keetman.) Précipitation fractionnée,
xxxxxxpar l’acide oxalique en solution acide,
xxxxxxpar l’acide chlorhydrique de la solution dans l’oxalate d’ammonium,
xxxxxxpar l’ammoniaque de la solution phosphatée,
xxxxxxpar le bichromate de potassium,
xxxxxxpar l’hyposulfite de sodium,
xxxxxxpar l’aniline.

Cristallisation fractionnée,
xxxxxxdu carbonate double de sodium,
xxxxxxde l’oxalate en solution chlorhydrique concentrée,
xxxxxxdes sulfates doubles de sodium et de potassium,
xxxxxxde l’acétylacétonate en solution dans la benzine.

Sublimation fractionnée de l’acétylacétonate dans le vide.

Radiothorium et Thorium.

La mesure est faite par le dégagement de thoron.
xxxx(Mc Coy et Ross.) Précipitation 100 fois répétée par l’ammoniaque.
xxxxPrécipitation 40 fois répétée par l’eau oxygénée.

Radium D et Plomb.

La mesure est faite par le rayonnement $\beta$ du Ra E qui atteint la proportionnalité avec Ra D en un mois. Quelques interprétations erronées ont résulté de la compréhension imparfaite des conditions de mesures.

(Hevesy et Paneth). Précipitation d’une solution de chlorure à l’ébullition
xxxxxxpar une solution étendue de sulfate de sodium,
xxxxxxpar l’acide fluorhydrique étendu.

Précipitation du plombochlorure d’ammonium.

Cristallisation de chlorure de plomb d’une solution dans l’acide chlorhydrique.

Précipitation à l’état de peroxyde d’une solution sodique d’hydrate de plomb par l’eau oxygénée, de la même solution par l’eau de brome, de la solution d’acétate par l’eau de brome.

Entraînement avec le sulfate de baryum dans une précipitation de la solution des nitrates par l’acide sulfurique en présence d’acétate d’ammonium ammoniacal.

Entraînement avec le baryum précipité de la solution des nitrates par l’acide fluosilicique.

Entraînement avec le chlorure de baryum précipité dans une solution d’acide plombochlorhydrique.

Entraînement avec le fer précipité à l’état d’acétate dans une solution de chlorure de plomb.

Entraînement avec Mn O² précipité dans une solution de nitrate par l’alcool.

Entraînement avec la fleur de soufre dans une solution de nitrate en ébullition.

Distillation du chlorure à 1.000° dans une atmosphère de CO² sous pression réduite.

Électrolyse avec dépôt à l’anode à l’état de peroxyde, ou avec dépôt en partie à la cathode, en partie à l’anode,
xxxxxxou redissolution partielle d’un de ces dépôts.

Électrolyse avec des électrodes en charbon d’un mélange équimoléculaire de chlorure de plomb et de potassium en fusion.

Électrolyse du chlorure de plomb fondu.

Dialyse au travers de papier parchemin ou de vessie.

(Herszfinkiel) [22]. — Précipitation d’une solution nitrique par les métaux Cu, Pb, Sn, Fe, Zn.

Cristallisation fractionnée du chlorure.

Entraînement avec le nitrate insoluble de cérium par ébullition des nitrates en solution acide.

Entraînement avec l’acétate de fer basique ou avec le sulfate de baryum.

Entraînement avec le charbon animal.

Distillation du plomb métallique ou d’un alliage de plomb et de zinc, ou plomb et argent.

(Szilard) [21). — Cristallisation fractionnée de l’azotate en solution neutre,
xxxxxxCristallisation de l’azotate en solution très acide,
xxxxxxCristallisation du chlorure de plomb.
xxxxxxPrécipitation par le sulfovinate de soude.
xxxxxxDigestion avec de l’acide sulfurique concentré (carbonate).
xxxxxxPrécipitation par la carbamide en solution azotique,
xxxxxxPrécipitation par le carbonate d’ammoniaque en solution azotique,
xxxxxxPrécipitation de la solution azotique par l’hyposulfite de soude.

(Staehling). — Préparation de tétraphénylplomb par l’action du phénylmagnésium sur le chlorure de plomb (réaction de Grignard).

Plombs $\Omega$, RaD.

(Richards et Hall). — Cristallisation fractionnée des azotates (1.000 cristallisations)^[2].

Uranium I et Ur II.

(Hevesy et Putnoky). — Diffusion de l’azotate d’uranyle et du sulfate d’urane.

(Lachs, Nadratowska, Wertenstein). — Diffusion de l’azotate d’uranyle en solution azotique avec excès d’anions.

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1. La période du thorium, encore très imparfaitement connue, semble comprise entre 1 x 10¹⁰ ans et 2 x 10¹⁰ ans. Dans ce calcul on avait admis T_Th = 1,2 10¹⁰ ans.
2. La réaction de Grignard a été à nouveau expérimentée par Dillon, Clarke et Hinchy [53] qui annoncent une séparation partielle des constituants du plomb, avec les poids atomiques 207,1 pour l’une des fractions obtenues, 207,3 à 207,4 pour l’autre. Par l’emploi de la cristallisation fractionnée, Atkinson [53] annonce avoir obtenu pour les fractions extrêmes les densités 11,315 et 11,345. Ces résultats demandent confirmation.