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Nouveaux modes de fission de l’uranium. Tripartition et
quadripartition
Tsien San-Tsiang, Ho Zah-Wei, R. Chastel, L. Vigneron
To cite this version:
NOUVEAUX MODES DE FISSION DE L’URANIUM TRIPARTITION ET
QUADRIPARTITION
Par TSIEN SAN-TSIANG*, HO ZAH-WEI*, R. CHASTEL et L. VIGNERON.
Laboratoire de Chimie Nucléaire du
Collège
de France.Sommaire. 2014 Utilisant la
technique de la plaque photographique, nous avons mis en évidence la tripartition et la quadripartition du noyau composé $$23692 U.
Dans le cas de la tripartition, les deux fragments lourds ont des parcours et des masses comparables
à ceux qu’on observe dans la bipartition.
Le troisième fragment a le plus souvent une masse inférieure à 10, cependant, dans un cas nous avons
observé la valeur 32. Le parcours du troisième fragment, exprimé en équivalent d’air, varie entre 2
et 45 cm avec la valeur la plus probable 28 ± 2 cm. Sa direction d’émission est de préférence perpen-diculaire à celle des deux fragments lourds. Les masses M3 semblent former un spectre avec un maximum de probabilité vers la masse très légère M3 = 5; cependant, en tenant compte des erreurs
expéri-mentales, tous les cas (sauf le cas M3 = 32) sont compatibles avec une valeur unique de la masse comprise
entre 4 et 7. L’énergie cinétique de tripartition 154 ± 10 MeV, légèrement supérieure à celle de la bipar-tition, est qualitativement en accord avec la prévision théorique. La fréquence du phénomène par rapport à celle de la bipartition est 0,003 ± 0,001.
Un groupe de particules de faible énergie (E 3 MeV) semble être émis au moment de la fission. S’il entre dans la catégorie des phénomènes de tripartition, sa fréquence serait environ pour 100 de celle de la bipartition.
Deux cas de quadripartition ont été observés : l’un correspond à quatre fragments lourds (M > 20), l’autre correspond à trois fragments lourds et un léger. L’énergie cinétique moyenne est environ 100 MeV, en bon accord avec la prévision théorique. La fréquence de la quadripartition par rapport à celle de la bipartition est 0,0002 ± 0,00015.
Dans le cas de la fission du noyau composé 23992 U, ni tripartition avec troisième fragment de long parcours, ni quadripartition n’ont été observés. Seule l’émission de la particule légère de parcours court
a été enregistrée. Son énergie, sa fréquence et l’aspect du phénomène sont tout à fait semblables à ce
qui a été observé avec le noyau composé 236 U.
Une partie de ces résultats est confirmée par d’autres auteurs.
La discussion de la plupart des résultats concorde d’une façon satisfaisante avec le mécanisme de la tripartition déduit du modèle de la goutte liquide du noyau. Dans le langage courant, les trois fragments
se sont séparés simultanément. L’émission du troisième fragment de long parcours pourrait être liée
avec les niveaux moins élevés du noyau composé.
1. z
HISTORIQUE
ET INTRODUCTION.Après
la découverte enIg3g
de la fission desnoyaux lourds par la
capture
d’un neutron[1, 2],
de nombreu.x travaux effectués dans différents pays ont conduit aux résultats suivants[3] :
10 Le noyau
de ’ 3 ; I~ capturant
un neutronpeut
se scinder en
deux noyaux
plus légers
dont lesmasses varient autour des valeurs les
plus probables
suivantes[~]
(fig. 1) :
D’après
la connaissance del’énergie
de liaison des noyaux, une telle cassure libère unegrande
quantité d’énergie
E f
d’environ 180 àI go MeV.
Cetteénergie
se manifeste enmajeure partie
sousforme
d’énergie
cinétique
des deuxfragments
projetés
dans des directionsopposées.
Lerapport
* Membre d’outre-mer de l’Académie Nationale de
Peiping, Chine.
des
énergies cinétiques
initiales des deuxfragments
est inverse de celui cle leurs massesLes
expériences
comportant
la mesure de l’ioni-sation desfragments
individuels ontpermis
d’obtenir la distributionstatistique
de leursénergies
ciné-tiques qui
segroupent
en effet en deux courbesde répartition
dont lesénergies
lesplus probables
sont d’environ 60 MeV et go MeV. La valeur moyenne del’énergie
cinétique
totale est~5]
Le reste de
l’énergie
~1E =E_ j
-Ecin,
soit environ 3oMeV,
estpartagé
entrel’énergie
d’excitation interne desfragments
etl’énergie
emportée
par les neutrons émis lors de la fission et dont le nombre moyen estcompris
entre 2 et 3[6].
Ces deux
fragments chargés possédant
unegrande
énergie
peuvent
traverser une certaineépaisseur
de matière comme les
particules
a et lesprotons
[7].
Fig. i. -
Pourcentage des produits de fission du noyau composé ~!7 en fonction de leur masse.
Différentes méthodes ont
permis
d’obtenir lesparcours de ces
fragments
de fission : ils varient autour des deux valeurs suivantes[8] :
RI == 1,9 cni d’air pour le
fragment
lourd Ail1,R2 == 2,:)) »
léger
1ff’}..En se basant sur la théorie du
passage
des atomeschargés
à travers lamatière,
Bohr[8, 9]
a pucons-truire à l’aide des données
expérimentales
les courbes de vitesse desfragments
en fonction du parcours( V - R) qui
ont été très utiles pour nostravaux.
3~ Les noyaux
y g U
et2 ~ ~Th
ne donnent lephéno-mène de fission que par
capture
d’un neutronrapide.
Les valeurs des masses et desénergies
cinétiques
desfragments
sont connues avec moins deprécision
que pour 23¡;U :L’ensemble de ces faits
principaux
est relatif à labi partition
des noyaux d’U et de Th en deuxfrag-ments
chargés,
dont le nom a été donné par F. Jolioten
Ig3g
lors de ses travauxoriginaux
sur ia preuvephysique
de cephénomène
[2].
Du
point
de vueénergétique,
Bohr et Wheeler(13]
ont estimé que
l’énergie
totale libérée dans unebipartition symétrique (AI,
=M2)
serait environ200
MeV,
soit 10 à 20 MeV deplus qu’avec
lesmasses
inégales
M1=
138,M~ = g6.
Une fissionen trois
fragments chargés
de même masse donneraitune
énergie
d’environ 210 à220 MeV,
légèrement
supérieure
à celle de labipartition
symétrique.
Par contre une fission enquatre fragments
de même masse donnerait uneénergie
inférieure(i 5o
lB1e V).
En se basant sur le modèle de la
goutte
liquide,
Present
[ 1 l
J
avait montréqu’une
fission en troisfragments
estdynamiquement possible
et il était souhaitable que cette vuethéorique
soit confrontée avecl’expérience.
A la conféren,ce de
physique
deCambridge
qui
a eu lieu enjuillet
1946,
Livesey
et Green ontprojeté
unephoto
surlaquelle
unebipartition
de l’uranium était
accompagnée
d’unelongue
trajectoire,
semblable à celle d’uneparticule
a.aucune
explication
duphénomène
n’a été donnée par les auteurs. L’un de nous(T.
S.T.)
apensé qu’il
était
possible
que cetaspect
soit dû à une fission entrois
fragments chargés.
Desexpériences
ont été faites aussitôt et les résultats ont étépositifs.
Nos deux
premières publications (1946)
appor-taient la preuveexpérimentale
desphénomènes
detripartition
et dequadripartition
[15,
16].
EnI g!~~,
Demers[ 17]
et en1947
Livesey
et Green( ~ 8] ;
Farw ell,
Segrè
etWiegand
[ 1 g]
ontindépendamment
publié
leurs résultatsexpérimentaux
sur l’émissiond’une
particule légère
accompagnant
la fission de l’uranium.Dans
l’exposé
suivant,
nous allons d’abord décrireles méthodes
expérimentales
que nous avonsemployées, puis
les résultatsauxquels
nous sommes parvenus, ensuite nous confronterons les résultats des différents auteurs.Enfin,
nous donneronsquelques
considérationsthéoriques
sur ces nouveauxphénomènes.
I I. -
PROCÉDÉS EXPÉRIMENTAUX.
*Après
lapréparation
desplaques
photographiques
spécialement
riches enargent
par Ilford Ltd sousla direction du Dr Powell de l’Université de
Bristol,
les recherches dephysique
nucléaire ont été beau-coup facilitées.Ces
plaques [20],
dans des conditions dedévelop-pement
normal donnent pour les rayons a destrajectoires
individuelles presque continues tandisque celles des
protons
ont desgrains
légèrement
séparés. L’homogénéité
de cesplaques
est telleque la fluctuation de parcours
des rayons
oc naturelsmonocinétiques
est seulement trois foisplus grande
que cellequ’on
observe par les méthodes de la chambre de Wilson ou del’an~plificateur
propor-tionnel : leur
pouvoir séparateur
est environ 3 mmAfin
d’utiliser cesplaques
pourenregistrer
lestrajectoire
desf ragments
defission,
nous avonsopéré
comme suit : ,Une
plaque
« Ilford nuclear research ~~ detype
C2
et d’une
épaisseur
d’émulsion de!~o ~
esttrempée
pendant
5 mn dans une solution de nitrate d’urane(U 02)
(N 03)2.6
H20,
lavée ensuitelégèrement,
puis
immergée
pendant
3 mn dans de l’alcooléthylique,
leséchage
est terminé dans un courant d’air. Ainsiimprégnée
de seld’uranium,
elle estenveloppée
dans dupapier
noirpuis transportée
près
ducyclotron
où elle est soumise à l’action des neutrons lents. Lecyclotron
duCollège
de France fournissant les neutrons par la réactionD-Be,
laplaque
étaitplacée
dans un bloc deparaffine
ralentisseur de 5 cm
d’épaisseur,
lui-mêmeprotégé
par un écran de
plomb
de 5 cmd’épaisseur
destinéà absorber la
plus grande partie
des rayons yproduits
dans la cible du
cyclotron.
Après
iomnd’irradiation,
laplaque
étaitimmé-diatement
développée
dans un bain dilué derévé-lateur Ilford ID 19 :
Nlétol ... , j g Sultite de Na (crist. )... 30o
Hydroquinone...
16 Carbonate de Na(crist.)
... 200Bromure de K... 10
Eau...
Q.
S. pour 2 1 de solution(Révélateur
Ilford
ID19.)z
La dilution du révélateur et le
temps
dedéve-loppement
dépendent
de la concentration dlt sel d’uranium et duphénomène
qu’on
cherche. Nous nousproposions
d’avoir destrajectoires
defragments
de fission biendéveloppées
dans toutel’épaisseur
de l’émulsionphotographique,
sans êtretrop gênés
par lestrajectoires
desprotons
projetés
par lesneutrons;
nous avons donc utilisé comme révélateuri
partie ( I D 19)
+ igparties
d’eauet nous avons
développé
pendant
~to
mn à latempé-rature d’environ 18~ C.
Dans ces
conditions,
vu l’effet de désensibilisationprovoqué
par laprésence
du sel d’urane[22],
lesfragments
de fission étaient bien visibles dans toutel’épaisseur
de la couche sensible et appa-raissaient comme deslignes
noires,
épaisses
presquecontinues,
les rayons a dus à ladésintégration
radioactive naturelle del’uranium,
moinsnombreux,
apparaissaient
comme deslignes
finespointillées.
Les
protons
de recul étaient presque invisibles etdonnaient non des
trajectoires
mais un fond degrains
isolés.En irradiant avec des neutrons
rapides,
ceprocédé
simple
dedéveloppement
ne nous a pas donnéde résultats
satisfaisants,
lesprotons
de recul étanttrop
nombreux. Lestrajectoires
de fission étaientnoyées
dans unegrande quantité
degrains
isolés formant un enchevêtrement dense. Enessayant
de diminuer ce fond par la diminution de laconcen-tration du révélateur ou la diminution de la durée de
développement,
lestrajectoires
defission,
elles-mêmes,
n’étaientplus
très biendéveloppées
et parconséquent
leurlongueur
n’étaitplus
très bien définie.Après plusieurs
essais,
le sel d’uranium semblant manifester deux effets de désensibilisation : a. effetphysique
se manifestant au moment de la formation del’image
latente;
~. effetchimique
se manifestant au moment dudéveloppement,
nous avonsopéré
de lafaçon
suivante : uneplaque, imprégnée
d’aborddans une solution très concentrée
(plus
de 20 pour100)
de sel
d’urane,
étaitexposée
commeprécédemment
mais aux neutronsrapides
etpendant
untemps
assez court. Lagrande
concentration d’urane désen-sibilise d’unefaçon
appréciable
pour la formation desimages
latentes dues auxprotons
de recul mais elle negêne
pasbeaucoup
la formation desimages
latentes dues auxfragments
defission,
beaucoup
plus
ionisants. Aussitôtaprès
l’irradiation et avant ledéveloppement,
nous avons lavé laplaque pendant
i h dans l’eau courante pour faire sortir presque
tout le sel d’urane
inclus,
puis
nous l’avonsimmergée
quelques
minutes dans une solution diluée de nitrate d’urane afin d’avoir la même concentration ensurface et en
profondeur.
Faute de faire lepremier
lavage,
l’effet de désensibilisationchimique
audéveloppement
dû au sel d’urane est tel que laplaque
n’est
développée qu’en
surface,
le révélateurayant
enlevé le sel en surface mais non enprofondeur.
Dans ces
conditions,
malgré
lagrande
quantité
de
protons
de reculproduits
dans lagélatine,
laplaque
seprête
assez bien à l’étude desphénomènes
liés à la fissionprovoquée
par des neutronsrapides,
Cesplaques développées
convenablement,
fixées.séchées,
sont observées aumicroscope
à immersionde fort
grossissement (grandissement
linéaire = z o00environ).
La correction àapporter
sur les mesuresverticales et
qui
est due audépart
du bromured’argent provoquant
un affaissement de lagélatine
sera étudiée dans
l’Appendice
no 1.III. --
RÉSULTATS
EXPÉRIMENTAUX
OBTENUS AVEC LES NEUTRONS LENTS.A.
Trajectoires
desfragments
debipartition.
- La
plupart
destrajectoires
observées(ura-nium + neutrons
lents)
sontrectilignes,
les deuxfragments
de fission étantprojetés
dans desdirec-tions
opposées, il
estimpossible
depréciser
sur la trace observée lepoint
où lafission
a eu lieu[15, 25].
. La densité des
grains
dans latrajectoires
diminueque celles des
trajectoires
de fissiondéjà
observéesà la chambre Wilson
[8].
Souvent vers la fin de latrajectoire (
environ (
de lalongueur
detrajectoire
d’un
fragment
defission ,
il y a une courburedue
aux
petits
chocs nucléaires successifs et une foissur 1 o
environ,
on observe des fourches dues auxchocs nucléaires :
projection
d’un atomeprésent
dans laplaque ( U,
Ag,
Br, 0, N, C,
...)
par un desfragments
de fission.Fig. 2. - Distribution
statistique des parcours des traces de
bipartition
de ~gs Udans l’émulsion photographique.
Correction : l’unité de longueur est le micron et non le mm.
La
figure
2représente
lastatistique
deslongueurs
des traces se trouvant
dans
unplan
peu incliné sur l’horizontale(chacune
d’ellescorrespond à
deux
fragments
de fissionassociés).
La courbe derépartition
diffère peu d’une courbe deGauss,
le parcours leplus probable
est2~,5 ~.
et lalargeur
de la courbe est2,95
[J.. En utilisant la valeur4,4
cmd’équivalent
d’air pour la somme moyenne des parcours de deuxfragments
de fissionassociés,
mesurée à la chambre Wilson parBoggild,
Brostrom et Lauritsen[8],
nous obtenonsl’équivalence
suivante pour lesfragments
de fission :i 1-1 d’émulsion = o,i8 cm
d’équivalent
d’air[25].
Nous savons que
l’énergie
cinétique
totale de deuxfragments
debipartition
se distribuestatis-tiquement
autour de la valeur 5oMeV,
lalargeur
de la courbe obtenuedépendant
des conditionsexpérimentales. D’après
les meilleursrésultats,
obtenus
parFlammersfeld,
Jensen etGentner,
[5]
cettelargeur
est 23 MeV.1
La fluctuation des parcours de fission observée est donc due à deux causes : a. fluctuation de
l’énergie
cinétique
defission;
b. fluctuation de parcours pourune même
énergie.
En admettant 23 MeV commelimite
supérieure
de lalargeur
due à la fluctuationde
l’énergie,
cequi correspond
à unelargeur
dela courbe
statistique
des parcours de 1,7 ~, nousdéduisons la limite inférieure de la
largeur
de parcours pour une mêmeénergie
initiale soitLa limite inférieure de la
largeur
relative est donc la suivanteDans un travail
précédent
[21],
nous avionsdéterminé la
largeur
relative pour les rayons amonocinétiques
dans le même genre deplaques :
avec des rayons « de parcours
équivalent
à environ3 cm d’air la
largeur
relative était environ icpour 100.La
comparaison
de ces deux résultats montre que la valeur obtenue avec lestrajectoires
de fission est raisonnable et que les conditions dedévelop-pement
sontconvenables;
l’insuwsance dedévelop-pement
se traduirait par une diminutionirrégulière
du parcours et par
conséquent,
par uneaugmentation
de la
largeur
relative.B. La fission en trois
fragments chargés
(tripartition).
- Certainestraces
présentent
l’aspect
de troislignes
degrains d’argent
issues d’un mêmepoint (planche, fig.
A, B, C,
D).
Souvent une des troislignes
estplus longue
etplus
fine,
cequi
indique
que la masse dufragment
correspondant
estbeaucoup
plus légère
que celle des deuxfragments
lourdsayant
donné naissance aux deux autresbranches.
Cependant
unjugemcnt
basé sur l’ioni-sation dufragment léger
mesurée par la densité degrains
révélés par unité delongueur
nepermet
pas de déterminer la masse de
façon
précise :
selon le cas, des massescomprises
entre 2 et 12 sontcompatibles
avec les apparences observées.Des
analyses précises,
portant
sur la conservationde
l’impulsion (voir appendice
no2)
montrentqu’il
estimpossible d’interpréter
tous ces cas comme laprojection
par unfragment
debipartition
d’unélément contenu dans l’émulsion
(U,
Ag,
Br, 0,
N, C,
H).
Les calculs
portant
sur les cas observés nous ont amenés à supposerqu’il s’agit
d’un nouveau modede fission de
l’uranium,
c’est-à-dire la fission entrois
fragments
chargés (tripartition),
les inter-vallesséparant
l’émission de ces troisfragments
n’étant pas décelables et étant
comparables
à la vie moyenne du noyaucomposé.
Autrementdit,
dans lelangage
courant, les troisfragments
sont émis simultanément[ 15,
2g].
cr. Calcul d’un cas de tripartition. - Prenons
un
exemple
pour montrer comment nous pouvonsFig. A, B, C. --
Tripartitions du noyau composé avec l’émission d’un troisième fragment léger de long parcours R~ (à peu près à la même échelle). - A :
R2 = 44 cm équivalent d’air ’760 mm-ISo C (le plus long qu’on a observé); F : R3 = 17 cm
équivalent d’air 76o mm-i5- C (un des moins longs); G : R3 = a5J cm équivalent 76o mm-I5" C (parcours voisin du
parcours le plus probable). On voit la différence de l’angle entre M, et M~ dans les cas B et C. Cette différence de l’angle
se traduit par la différence de masses calculées pour M, : M3 = 9 2 (cas B) et M. = 5 rh i (cas C).
Fig. D. -
Tripartition du noyau composé ’’96 U en trois fragments lourds : Mt = I2 i ± I3, M, - 77 ~-- 8, M3 = à5
Fig. E et F. -
Quadripartitions du noyau composé
Fig. G. - Une
particule légère liée à la
partie
centrale et rectiligne d’une trace de fission représentant une paire de fragments lourds Mi et M~ (obtenu avec l’uranium irradié aux neutrons rapides).Nous utilisons d’abord les courbes V - R de Bohr
[8,
q], qui
donnent la vitesse en fonction duFig. 3. -
Mi et M~ : fragments lourds. fragment léger.
parcours pour les deux groupes des
fragments
de fission(fig.
4
a~.
Pour un parcours donn,é R = 2,1 cmnous relevons sur ces courbes deux
points
P etQ
dont les ordonnées sont lesvitésses
pour 11~1= ~40
et M =98.
Fig. 4 a. - Vitesse
en fonction du parcours (V-R) , pour les fragments
de fission et les particules a.
Nous
reportons
cespoints
sur lafigure fi
b et construisons la courbe V - M relative au par-cours 2,1 cm enextrapolant
linéairement entre P etQ,
cequi paraît justifié
pour les masses voisinesdes masses
indiquées,
c’est-à-dire dans l’intervalle de masses 60 M I5o.Nous
opérons
de même pour le parcours ~,35 cmde l’autre
fragment
lourd.Pour le
fragment léger
(troisième
fragment),
quand
le parcours esfin f érieur
èL 2 ou 3 cmd’air,
nous utilisons la relation V - l~ connue pour les rayons « et cellesprévues théoriquement
parKnipp
et Teller
[23]
par un calcul basé sur les mesuresexpérimentales
effectuées sur les atomes de reculC,
N,
0 et F.Quand le
parcours estsupérieur
à io cm,la relation V - R des rayons a
(24)
est valableavec une bonne
approximation
pour toutes lesmasses
comprises
entre 2 et 12.Le manque de
renseignements
expérimentaux
dans la zone 20 1~T 60 nousoblige,
dans la construction des courbes Y - M à raccorder avecle minimum de courbure les
points
où M > 60 et ceux où M 20. Cetteimprécision
introduitune erreur d’environ 15 pour ioo sur les masses
calculées
comprises
entre 20 et 60 et d’environ 10 pour 100 seulement sur les massescomprises
entre 60 et i so.
Fig. G. b. - Vitesse en fonction de la masse (V-M)
des ions lourds pour un parcours donné.
Dans une
tripartition,
il y a conservation de lamasse et conservation de
l’impulsion.
Nous supposonsque le noyau
composé -"’1,U
estresponsable
de latripartition
etqu’il n’y
a pas de neutrons émis lors de la fission en troisfragments.
On a doncNous allons voir
qu’on
peut
obtenir lesmassues
par une suite de tâtonnements successifs :ex. PREMIER
3).
- Nous choisissonsarbitrairement les valeurs des masses
(130,
ioo,6).
Nous lisons les vitesses
correspondantes
sur lescourbes V - M de la
figure
4
b.Prenant comme unité
d’impulsion
celle d’unproton
de 10~ cm : s,
l’impulsion
résultante suivant OYest
L’impulsion
résultante suivant OX estÉcart
relatif suivant OXP.
DEUXIÈME ESSAIImpulsion
résultante suivant OYÉcart
relatifImpulsion
résultante suivant OXÉcart
relatifL’impulsion
suivant OY est donccompensée
ài pour 100
près,
mais suivant OX lacompensation
n’est pas encore
parfaite.
-Y. TROISIÈME ESSAI.
Impulsion
résultante suivant OYÉcart
relatif suivant OY - o.Impulsion
résultante suivant OX _Écart
relatif suivant OXNous voyons
qu’en
passant
du deuxième autroi-sième
essai,
l’écart relatif del’impulsion
suivant OXchange
designe
etaugmente
en valeurabsolue,
cequi indique
que nous avonsdéjà dépassé
le meilleurpoint
decompensafion
del’impulsion.
Comme nous ne pouvons pasprendre
pour les masses des valeursnon
entières,
nousadoptons
donc le résultat dudeuxième essai comme solution
E2,
E3
étant lesénergies cinétiques
de chacun des troisfragments
calculéesd’après
la masse et la vitesse.L’énergie
cinétique
totale des troisfragments
est8. ERREUR SUR LA MASSE
M3.
-Tandis que les erreurs sur
M,
etM~ dépendent
surtout de la fluc-tuation des parcours, l’erreur commise sur1B13
dépend
essentiellement
de la mesure desangles
0,
et0,.
Admettons que l’erreur sur la mesureexpérimentale
de cesangles
soit àO = + i°, nouspouvons déterminer les valeurs limites de la masse
M3
on trouve
on trouve
En tenant
compte
qu’il
existe d’autres erreursinévitables et que les masses sont
entières,
nousconcluons que la valeur de
M3
estDans les
Appendices
n°S 3 et4,
nous exposerons comment les tâtonnements conduisant à la solutionpeuvent
être conduits d’unetacon systématique.
b. Distribution du parcours des trois
fragments.
-Sur
plus
de Io 00otrajectoires,
nous avons observéplus
de 3o cas de fission en troisfragments.
Lorsque 82
est
plus
grand
que io, nous avons pu déterminer la masseM3
et éliminer le cas d’une collision d’un noyau par un desfragments
lourds.Quand
lestrajectoires
sont peu inclinées parrapport
à l’hori-zontale(moins
de5°)
et entièrement contenues dansl’émulsion,
aucune difficulté ne seprésente
dans la détermination des masses et des
énergies.
Lorsqu’elles
sont inclinées mais encore contenues toutes les trois entièrement dansl’émulsion,
nous avons rétabli lafigure
dans sonplan
en faisant desmesures en
profondeur
au moyen de la vismicro-métrique
du mouvement vertical lent dumicroscope,
soigneusement
étalonnéepréalablement
en sesdiffé-rents
points.
Il convient de remarquer que lors dudéveloppement,
lesgrains
de bromured’argent
sont dissous et l’on constate unaplatissement
consi-dérable de la
gélatine
qui
a diminué de volume par suite dudépart
de ceux-ci. Cet effet se manifesteobservées par 2 pour avoir les
profondeurs
vraiesdans l’émulsion avant le
développement (voir
l’Appendice
n1).
Finalement,
surplus
de 3o cas, 18 ont pu êtrecalculés. De
plus,
dans deux autres cas où latrajec-toire du
fragment M~
était entièrement contenueFig. 5. - Distribution
statistique des parcours de Mi et
dans la couche sensible mais l’un des deux
fragments
lourds était sorti del’émulsion,
nous avons faitfigurer
lalongueur
de latrajectoire
deM3
dans lastatistique
des parcours dufragment
léger.
Unepartie
de ces résultats adéjà
étépubliée
dans despublications
antérieures[25,
26,
27].
La
statistique
d’ensemble des parcours enéqui-valent d’air des cas étudiés est schématisée par les
figures
5(fragments
lourdsM,
etM2)
et 6(fragment
léger M3).
Fig. 6. - Distribution statistique du parcours (la courbe en trait plein représente les données expérimentales, la courbe en trait pointillé représente la distribution vraie).
On voit que pour les
fragments
lourds,
les parcours moyens sont dans le cas de latripartition
Ri= 1, 9 cm d’air,
R, = 2, 3
cm d’air,tandis que dans le cas de la
bipartition,
on aR1= I , g cm d’air, R2 = 2, ~ cm d’air.
Il semble donc que la somme
R1
+R2
dans lecas de la
tripartition
soit un peuplus
petite
enmoyenne que dans le cas de la
bipartition.
Pour le
fragment léger,
il y a un groupe court de parcours inférieur à 5 cm et un autre groupe dont le parcours varie entre 15et ~ 5
cm d’air avec un maximum situé vers 27 cm(fig.
6).
Les vitessescorrespondantes
desparticules
varient entre2,4
et3,4 e 109
cm : s. Cecicorrespond
aux cas que nous avonsétudiés,
mais si l’on note -que lefragment
léger
a d’autantplus
de chances de sortir de lagélatine
que son parcours estplus
long,
il y a lieu pour obtenir la distributionstatistique
vraie duphénomène
decorriger
la courbe en traitspleins
de la
figure
6 enavantageant
les parcourslongs
par
rapport
aux parcours courts, on obtient ainsila courbe en traits
pointillés
de lafigure
6; lemaxi-mum d’intensité est un peu
déplacé
du coté des vitesses élevées et desgrands
parcours, il se situe vers 29 cmet
correspond
à une vitesse de 2,9 à 3,o X i o9 cm : s. c. Direction d’émission du fragmentléger
M3.
-Appelons
ocl(fig. 7 a) l’angle
que fait latrajectoire
Fige a. -
Ml et M2 : fragments lourds. fragment léger.
longue
peu ionisante dufragment léger Ma
avecla
trajectoire épaisse
dufragment
leplus
lourd(trajectoire
laplus
courte). Appelons
C2l’angle
Fig. 7 b. - Distribution
statistique des angles et 0:3 que font Mi et M2 avec M,,.
que fait la
trajectoire
deM,
avec latrajectoire
épaisse
dufragment
Nl~
un peu moins lourd queM1
(trajectoire
un peupius
longue
que celie deMi).
des
angles
ai et oc2. Engénéral
(17
cas sur20),
el1 > 0:2,
.
ce
qui indique
queemporte
plus d’impulsion
que
M2.
La valeur moyenne de la différence des
angles
ai et estJa = a1- 0: =
D’une
façon
générale,
les deuxfragments
lourds sont émis dans des directions presqueopposées,
lefragment
léger
est émis depréférence
dans unedirection
perpendiculaire
à celles-ci.d. Distribution des masses des trois fragments.
-Ainsi que nous l’avons vu dans la section a, nous
pouvons calculer les masses des trois
fragments.
Fig. 8. - Distribution
statistique
des masses calculées des fragments lourds MI et M~.
Les
figures
8 et gareprésentent
lesstatistiques
des masses calculées pour lesfragments
lourds etM2)
et le
fragment léger M3’
Fig. g a. - Distribution
statistique de la masse calculée du fragment léger M~.
Pour les deux
fragments
lourds,
les valeurs calculées lesplus probables
sontMI
= 132 etM2
= g?. Dans notre calcul nous avons utiliséles relations V --- R de Bohr
[8,
9],
celui-ci avaitadopté
g3
et140
comme valeurs lesplus
probables
des masses dans labipartition.
Etant donnéqu’on
a déterminé
depuis [4]
ces masses avecplus
deprécision
(Mi
= 138,M2 = 96),
il en résulteque les valeurs
corrigées
lesplus probables
dans lecas de la
tripartition
sontPour le troisième
fragment,
on voitque la
masseest presque
toujours
trèslégère
(M3
12)
avecla valeur la
plus
probable
versM3
=5,
sauf un casoù
M,
= 32(planche, fig. D).
Fig.’ g b.
- Masse deM3 (sauf le cas M. = 3 2) avec les limites d’erreurs. Le trait plein représente les limites d’erreurs expérimentales, le trait pointillé représente celles dues à l’émission des neutrons lors de la tripartition (s’il y a lieu).
Dans ce cas
particulier
~z~],
le calcul donneavec les erreurs
possibles
-!- 1 o pour ioo surMi
et
M~
et 15 pour ioo surM,.
Si l’on observe lestraces sous le
microscope,
onconstate
dans ce casparticulier
que les trois branches ont des ionisationsdistinctes,
toutesplus
élevées que celle d’uneparti-cule oc
(une
particule
a, laisse une file degrains
distincts tandis
qu’un fragment
de fission laisse une grosse trace presquecontinue).
La branche laplus épaisse correspond
bien à la masse calculée laplus
lourde(Mi
=127)
et la branche la moinsépaisse
à la masse calculée la moins lourde(M,
=32).
Si ce cas
particulier appartenait
à la même classe dephénomènes
que les autres cas detripartition,
il inciterait à penser que lesfragments légers
n’ont pas la même masse etqu’il
tg a unspectre
de masses~~e ceux-ci.
Examinons les erreurs
qui
peuvent
s’introduiredans la détermination de la masse
Mg :
1 ~
L’imprécision
de la mesure desangles,
174
peu
IVl3;
10 pour 100 d’erreur surl’énergie
d’unfragment
introduirait auplus
5 pour ioo d’erreursur la détermination de
M,.
30 Nos calculs ont été basés sur la relation V - R
de Bohr
qui correspond
à uneénergie
cinétique
debipartition
de 162 MeV.L’emploi
de la nouvelle valeur 150 MeV diminueraitM3
d’environ4
pour 100.Les erreurs
(20)
et(30)
sont faibles devant celleprovenant
de la cause(io).
Dans la section a, nous avons trèslargenient
apprécié
celle-ci et l’onpeut
considérer que l’erreur
indiquée
couvrel’ensemble
des trois causes ci-dessus.Dans la
figure
9b,
ces trois erreurs sontbloquées
ensemble et la limite d’erreur
correspondante
estindiquée
par un traitplein
vertical.40
Enfin nous ne savons pas si des neutronspourraient
être émis dans unetripartition
comme c’est le cas dans labipartition.
S’ils sontémis,
nous n’avons aucun moyen de connaître leur
impul-sion éventuelle ni sa direction : il a fallu en consé-quence la
négliger
dans le calcul. Ensupposant
qu’un
neutrond’énergie supérieure
à io MeV[28]
soit émis dans la même direction que.ZBl13
ou bien dans une directionopposée,
cequi
constitue un cas desplus
défavorables,
notre calcul introduitsur
IVI,
une erreur de massecomprise
entre i ou2 unités de masse
1,5).
En moyenne, nous avons admis un peu arbitrairement dans lafigure 9 b
une erreur de i unité de masse. Cette erreur est
figurée
indépendamment
de cellessignalées
plus
haut,
par un trait verticalpointillé.
~ On voit
(fig.
gb)
que la zone des massescomprises
entre 4
et 7 estcompatible
avec tous les résultatsexpérimentaux :
15 cas sur 17 sontcompatibles
avec les masses4, 5
ou 7, 16 cas sur 17 sontcompa-tibles avec la masse 6. Comme des erreurs non
envisagées
ont pu avoir lieu dans un ou deux cas, on voit que :Il n’est pas exclu que la masse
M3 « io)
ait enréalité une seule valeur
possible :
tous lesf ragments
légers
seraient desparticules identiques,
la masseM3
serait celle d’une
particule
biendéfinie.
S’il en était
ainsi,
il faudrait considérerque
le casparticulier
M3
= 32appartient
à une autre classe dephénomènes
que laplupart
destripar-titions
(M3
= const.e.
Énergie
cinétique
des trois fragments.-D’après
lecalcul,
nous avons lesmasses et
les vitesses des troisfragments
et par suite leurénergie.
On trouve que lefragment
lourdMi
a uneénergie
cinétique
moyenneE1=
62 MeV et lefragment
moins lourdM2
uneénergie
cinétique
moyennede
E2
= 82 MeV.Mais ce calcul est fondé sur la relation V - R
de
Bohr,
qui
est basée sur l’ancienneénergie
debipartition
avec la nouvelle valeur(i5oMeV)
il y a lieu de faire une correctioncorres-pondante
sur les valeurs desénergies cinétiques
quenous avons calculées et de
prendre
les valeurs-moyennes
suivantes :58 MeV
fragment
lourd E~ = 76 ( » lI2).L’erreur commise sur
l’énergie
est de l’ordre de 1 o pour 100.’
Fig. Io a. -
Répartition statistique de l’énergie du troi-sième fragment M3. La case indiquée en traits quadrillés correspond au cas où Mg = 32.
L’énergie cinétique
dufragment léger lVl3
varie de 2 MeV à49
MeV suivant les parcours et lesmasses calculées des cas
particuliers.
Lafigure
1 o areprésente
sa distributionstatistique,
la valeur laplus
frèquente
est 23 MeV(sous
réservedéjà
faite dans la section que les parcourslongs
ayant
plus
de chances de sortir de lagélatine,
ils sont unpeu
désavantagés
dans lastatistique
et par suite aussi lesgrandes énergies).
Fig. I o b. -
Répartition statistique de l’énergie de M3 si l’on suppose que Ma = 4
(sauf le cas où Mg = 32).
Si nous supposons que toutes les
particules légères
>(excepté
le casM3 = 3 2)
ont la même masse et que larépartition
apparente
en unspectre
de massesest due aux
imprécisions
inévitables,
la distribution175
(particules
a)
on aurait larépartition d’énergie
de laf gure
le maximumd’énergie
étant ?3 MeV etl’énergie
laplus
fréquente
18 MeV. Enprenant
une autre valeurunique,
parexemple
M3
=6,
on aurait une distributionqui
ne différeraitde celle de la
figure
1 o b que par l’échelle desénergies.
L’énergie cinétique
totale des troisfragments
(corrigée
conformément à la valeur 15o MeV del’énergie
cinétique
debipartition)
a la valeur moyennesuivante :
Ecin
(tripartition)
== 154 -‘-10 MeV.Elle
paraît
donclégèrement
supérieure
à celle de labipartition (15o
MeV).
D’après
l’estimation de Bohr et Wheeler[13],
une
tripartition
en troisparticules
de masses àpeu
près
égales
libérerait uneénergie
totalesupé-’
rieure d’environ o à 20 MeV à celle
qui
est libéréelors d’une
bipartition symétrique.
Si l’on suppose que dans latripartition, l’énergie
cinétique
emportée
par les neutrons etl’énergie
d’excitation des frag-ments est à peuprès
la même que dans le cas dela
bipartition
(voir historique
etintroduction),
la valeur que nous obtenons estqualitafivemenf
en accord avec les
prévisions~ théoriques.
i.
Fréquence
de latripartition.
-D’après
nosobservations,
onpeut
conclure que :Nombre de
tripartitions
0 003 -4- 0 00 1. Nombre de
bipartitions
001. Lalimite
d’erreur que nousindiquons
estsupé-rieure à celle
qui
résulte de notrestatistique
par suite de lapossibilité
que destrajectoires
intéres-santes aientéchappé
à l’observation.Pour la même
raison,
la valeur o,oo3 estpeut-être un peu sous-estimée.
g. Recherche sur la nature du fragment
léger
delong
parcours. --Après
les preuvesexpérimentales
obtenues de l’existence de ce
fragment,
nous avonsessayé
de détecter s’il est radioactif.Nous avons
employé
undispositif analogue
à celuiqui
apermis
à F. Joliot de donner la preuvephysique
duphénomène
de la fission[2] :
uncylindre
creux était recouvert d’une couched’oxyde
d’urane.Il était
enveloppé
dans des feuilles decellophane
etplacé
à l’intérieur d’uncylindre
creux deplexi-glass,
matièrequi
s’active peu aux neutrons. Lets feuilles decellophane
avaient uneépaisseur
équi-valente à 6 cm d’air et absorbaient certainement les
fragments
lourds de labipartition
et de latripar-tition,
tandis que lefragment léger
delong
parcourspouvait
les traverser et aller se fixer dans leplexi-glass,
où sa radioactivité éventuelle aurait pu être mise en évidence.L’enveloppement
decellophane
étaitsoigneusement
étanche afin de nepouvoir
être contourné par les gaz radioactifs
(Kr,
Xe,
...),
produits
lors de la fission.L’ensemble était
exposé
aux neutrons lents ducyclotron puis
le manchoncylindrique
deplexi-glass
étaitplacé
autour d’uncompteur
3
deGeiger-Muller de
pa1-oi £
" de millimètre d’aluminium.10
Des
expériences
ont été faites pour destemps
d’irradiationvariables,
la mêmeexpérience
étantrépétée
avec urane et sans urane. Iln’a
pas été observé de différence entrel’activité P
duplexiglass
en
présence
ou en l’absence d’urane.Ceci montre que le troisième
fragment
léger
delong
parcours nepossède
pas d’activité observabledans les conditions
expérimentales
utilisées. Maisnos
expériences
n’excluentpas la
possibilité
d’avoirdes
périodes
plus longues
que ijour
ouplus
courtessue 5
s.Dans le domaine des masses
comprises
entre 2 et 12, ensupposant
que lesfragments
M3
ne soient pasuniquement
desparticules
ex, onpourrait
s’attendre à
observer fH
( T
= 3ans),
s),
§Li ( T = o,88s), °Be (T >
1000ans), 125 B (T=o, 22 s),
en raison de leur excès de neutrons. Ces
périodes
sont
trop
longues
outrop
courtes pour que nousayons eu
l’espoir
de les détecter dans lesexpériences
simples
que nous avons réalisées.Il est souhaitable
qu’une analyse
desfragments
de fission soitentreprise
auspectrographe
de massesdans la
région
despoids
atomiques légers.
En utilisant une source de neutronsintense,
parexemple
une
pile
àuranium,
onpourrait
ainsi obtenirdavan-tage
d’informations sur la masse dufragment léger
émis lors de
tripartitions.
h.
Trajectoires
courtes liées aux traces de fission.- Dans
une
plaque
à l’uranium irradiée aux neutronslents,
on observe detemps
entemps
unetrajectoire
courte liée dans lapartie
centrale de la trace laissée par lesfragments
lourds de fission(Planche,
fig.
G).
Généralement ces traces sont peuépaisses
etparaissent
dues à un ion de masselégère.
Ici iln’y
a aucunangle
observable entre les deuxparties
de la traceépaisse;
il est doncimpossible
de déterminer les masses ensupposant
quel’appa-rence observée est due à une
tripartition
etd’éli-miner par le calcul la
possibilité
d’un choc nucléaire d’unfragment
de fission au début de son parcours,,contre un noyau d’un des
éléments
présents
dans laplaque.
.
Cependant
unepartie
de cestrajectoires
courtesest émise dans une direction à peu
près
perpendi-culaire à celle des
fragments
lourds,
cequi indique
que
probablement
certaines d’entre elles sont liées auphénomène
de fission.176
de la trace des deux
fragments
lourds de fission et obtenu les distributions suivantes du parcours et del’angle
d’émission
(fig,
11 a etb),
Si toutesFig. 1 J. - a. Distribution
statistique du parcours des trajectoires courtes liées avec la fission. b. Répartition statistique de l’angle d’émission des
tra-jectoires courtes mesuré par rapport à un des fragments lourds : courbe en trait plein.
I,a courbe en trait pointillé représente la répartition de l’angle d’émission de M3 de long parcours mesuré par rapport à un des fragments lourds, généralement M,.
ces
trajectoires
étaient liées réellement auphéno-mène de
fission,
le parcours varierait entre o et 3 cmd’air
équivalent
avec un parcours leplus probable
de
o;8
-!--o,2 cm. La distribution de
l’angle
d’émissionserait,
d’autrepart,
plus
étalée que dans le cas destripartitions
avec émission d’untroisième
fragment
de
long
parcours. Ceci n’est pas en accord avec cequ’ont
trouvé Green etLivesey, d’après lesquels
iln’y
a pas de différence sensible dans larépar-tition de
l’angle
d’émission
suivant que le troisièmefragment
est delong
ou biep de court parcours. Lafréquence
de ce genre detrajectoires
est environ 0,011 ± 0,001 i de celle de la fission ordinaire(bipar-tition).
C.
Quadripartition
de l’uranium sous l’actiondes neutrons lents. - Au cours de nos travaux
relatifs à la
tripartition
de l’ur9nium sous l’action des neutronslents,
nous avons observé deux casparticuliers
danslesquels quatre trajectoires
partent
d’unpoint
commun.L’analyse
précise
portant
sur la conservation del’impulsion
montrequ’il
estimprobable qu’il s’agisse
de deux collisions de noyaux par desfragments
de fission au mêmepoint (défini
à o,2 ~.près).
Ainsi nous avons été conduits à supposer
qu’il
s’agit
d’un nouveauphénomène
dans la fissionde
l’uranium, c’est-à-dire,
la fission enquatre
fragments
chargés (quadripartition).
a. Premier cas. - Il a
déjà
étépublié
en détaildans une note
précédente [16] (Planche, fig. E).
Lesquatre
trajectoires
sont presque horizontaleset sensiblement
coplanaires,
cequi supprime
unedes trois relations de
quantité
de mouvement.~
Fig. 12. - Schéma du
premier cas de quadripartition. Parcours en équivalent d’air = R.
Il n’est donc pas
possible
de déterminer les masses et lesénergies
desfragments
d’unefaçon
unique
àpartir
des mesuresexpérimentales (fig.
12).
Pourune masse totale
donnée,
il y a unesimple
infinité de solutions dont voiciquelques
exemples :
Tous ces cas sont calculés en
négligeant
l’impulsion
due aux neutrons
qui pourraient
être émis lors de la fission du noyaucomposé
Il se trouve dans ce cas
particulier
que,malgré
l’infinité des solutions
possibles, Mi
etM2
varient peu et que(M,
+M4)
reste presque constant.D’après
l’observation aumicroscope, Ma
etdonnent des ionisations
comparables
maislégèrement
plus
faibles que celles de1Vh
etM2. Malgré
l’infinité des solutions pour les masses desquatre
fragments,
liagéométrie
de lafigure
etl’aspect
de l’ionisationincident à penser que cette
quadripartition
estassez
symétrique
etqu’aucun
fragment
n’est trèsléger.
Bien