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Sur le rayonnement γ de freinage interne du Ra E
E. Stahel, J. Guillissen
To cite this version:
SUR LE
RAYONNEMENT 03B3
DE FREINAGE INTERNE DU Ra EPar E. STAHEL et J. GUILLISSEN,
Université de Bruxelles, École
Polytechnique.
Sommaire. 2014 Le
rayonnement de freinage interne du RaE a été étudié expérimentalement, et les résultats ont été comparés à la théorie de Knipp-Uhlenbeck. L’accord est excellent aussi bien en ce
qui concerne la quantité que la qualité du rayonnement, à condition que l’on fonde les calculs sur la
répartition expérimentale du rayonnement 03B2. Par contre, si l’on adopte la théorie de Fermi sur cette
répartition, le désaccord est net; cette dernière conclusion confirme indirectement celle des observateurs du rayonnement 03B2 du Ra E.
1. Introduction. -- Parmi les éléments naturels
qui
sedécomposent
avec émission de rayonsp,
seul le RaE
présente
laparticularité
de nepas
émettre de
rayonnement
y nucléaire dû à unedésexci-tation du noyau.
Cette
particularité
permet
àl’expérimentateur
d’étudier de cet élément le« rayonnement
defreinage
interne »(1) (innere Bremsstrahlung)
excité par lesrayons g
au moment de leurexpulsion
du noyau.Dans les autres cas, en
effet,
ler.f.int.,
s’ilexiste,
est absolument
masqué
par lerayonnement
ynucléaire,
toujours beaucoup plus
intense.Stahel et
Kipfer [i] (vomir
aussi von Droste[2])
ont montré d’autre
part
que ce que l’on nommegénéralement
lerayonnement
y du RaE se composeen
grande
partie
de «rayonnement
defreinage
externe »
(âussere Bremsstrahlung)
excité par lerayonnement ~
dans la matière environnante. Ces auteurs ont en mêmetemps
indiqué
une méthodepermettant
de déterminer la valeur du r.f.int. seul. Si l’on absorbe entièrement lerayonnement g
dans une faiblequantité
de matière formant «radia-teur » et entourant la source, ce radiateur émet un
r.f.ext. dont l’intensité
dépend
de la nature du corps dont il est constitué. La théorie montre que cette intensité tend vers zéro en mêmetemps
que le nombreatomique
Z du radiateur. La méthode consiste àporter
engraphique
l’intensité durayonnement
yobservé pour différents radiateurs en fonction de
leur
Z,
et àextrapoler
la courbeobtenue
jusque
l’axe Z = o. L’ordonnée dupoint
de rencontrereprésente
l’intensité du r.f.int. seul.En
répétant
cesopérations
pour différentesépais-seurs de filtres de
plomb placés
sur letraj et
desrayons y, il est
possible
de tracer la courbed’absorp-tion du r.f.int. dans le
plomb.
(1) Étant donné l’emploi fréquent des termes :
rayon-nement de freinage interne et rayonnement de freinage externe,
nous les abrégerons par la suite en r.f.int. et r.f.ext. respec-tivement.
2.
Appareil.
-Bien que nous ayons pu
disposer
de
quantités
assezimportantes
de Ra(D
+E),
l’extrêmepetitesse
durayonnement
à étudier nous a incités à construire unappareil
de mesureparti-culièrement sensible.
Nous sommes restés fidèles au
principe
de lachambre d’ionisation à forte
pression,
qui
permet ’
des mesuresbeaucoup plus rapides
que lescomp-teurs,
etqui
possède
en outrel’avantage
d’être à peuprès
uniformément .sensible sur toute la gamme desfréquences.
La nouvelle chambre
(schéma fig. i)
a unecapa-cité de
près
de70 1;
elle estremplie
deCO2
Fig. i. -- Schéma de
l’appareil.
L’épaisseur de la paroi d’un cylindre soumis à une pression
donnée doit être proportionnelle à son diamètre; on voit que la disposition adoptée permet de jouir d’un grand
volume tout en n’ayant qu’une paroi d’entrée des rayons
relativement mince; comparée à une autre chambre d’ioni-sation du laboratoire, de forme classique, la nouvelle a un
volume 14 fois plus grand, et cependant une paroi d’entrée
2 fois plus mince.
sous 20 atm; sa
particularité
est d’être de forme annulaire : lapréparation
à mesurerpeut
doncêtre
placée
au centre. Il en résulte deuxavantages :
io meilleure utilisation du
volume;
2°plus
faibleépaisseur
de laparoi
d’entrée des rayons. Munie13
d’un électromètre Piccard à fil
libre,
sa sensibilité est telle que l’on peut mesurer facilement le rayon-nement y d’unmicrogramme
de radium à laprécision
de i pour 100.Remarquons
dès àprésent :
10 que
l’obstacle de laparoi
de 5 mm de fer suffit à arrêter laquasi-totalité du
rayonnement
mou(en
dessous de 1 50kV);
le
présent
travail n’étudie parconséquent
que lapartie
relativement dure dur.f.int.,
et nous n’auronsnotamment pas à
discuter,
comme l’a faitGray [3]
dans un travail récent sur la même
question,
l’in-fluence desrayonnements
Xcaractéristiques;
20 quela
disposition géométrique
adoptée
pour les mesuresest cause de certaines erreurs
(obliquité
des rayonstraversant les
filtres,
pénétration
derayonnement
diffusé dans lachambre)
dont il sera discutéplus
loin(ci. appendice).
3.
Étalonnage
des sources. -- Pour déterminerl’intensité absolue des sources
utilisées,
nous nous sommes servis d’unepréparation
de Ra(D
-~-E +
F)
déposé
électrolytiquement
sur une feuille deplatine;
cette
préparation
est vieille deplusieurs
années;
le RaE et le RaF y sont par
conséquent
enéquilibre.
Nous avons d’une
part
compté
les rayons ex decette
préparation
avec uncompteur
deGeiger;
nous avons ainsi déterminé que son intensité absolue
était
désintjsec.
D’autrepart,
nous avonsmesuré avec la chambre d’ionisation l’intensité de son
rayonnement
y, la feuille desupport
étant entièrement entourée deplatine;
nous avonstrouvé
30,3
u.(2).
Cerayonnement
ypeut
être entiè-rement attribué auRaE;
lerayonnement
y du RaDtrop
mou, nepénètre
pas dans notreappareil;
celui du RaF n’intervient que pouro,5
pour 100environ
[C~].
En
rapportant
nos mesures à une sourcede i o9
désintj’sec
(soit
2,omillicuries),
nouspour-rons dire que le
rayonnement
y du RaE avec radia-t d -, ... td 3o.3.lo" 53teur de
platine
est de8
a
= i 53o u.; cerayon-nement
comprenant
le r.f.int. et le(r.f.ext.)p,.
Nous avons rattaché à cetétalonnage
celui des sources avec radiateur d’eau en dissolvant le RaEdéposé
sur duplatine
et encomparant
l’activité de la solution obtenue(radiateur d’eau)
à celle de la feuille deplatine
initiale,
entourée pour la mesured’une autre feuille de
platine (radiateur
deplatine).
Dans le cas des autresradiateurs,
à savoir lesoufre,
le carbone et lebéryllium,
nous avonschaque
fois formé une
pâte
avec une solution d’activitéconnue et une
poudre
de l’élémentenvisagé.
Cette (2) Les unités u. employées sont des millivolts . sec 1, qui définissent la vitesse du fil de l’électromètreindépen-damment de sa sensibilité électrostatique. Comme la capa-cité électrique de l’appareil est 30,6 cm, on voit que l’unité u.
représente un courant d’ionisation de
pâte
était séchée au bain-mariependant
qu’on
necessait de la
malaxer;
l’activité de lapoudre
séchée étaitcomparée
à celle de la solution dedépart.
D’autrepart,
les mesuresfaites,
lapoudre
était lavée et l’activité des eaux delavage
(radiateur d’eau)
comparée
à la diminution de celle de lapoudre,
cequi permettait
unrecoupement
et aurait déceléune erreur
systématique,
s’il y en avait eu une.4.
Étalonnage
de la chambre. - Enpremière
approximation,
le courant d’ionisation i mesurant l’intensité d’unrayonnement
ymonochromatique
d’énergie quantique
E satisfait à la relationi = K. N. E.
dans laquelle
N est le nombre de
désintégrations
parseconde;
n le nombre de
quanta
émis pardésintégration;
a =
e- ~, u ~t
est le facteur de« transparence »
desparois
et de la source elle-même pour le
rayonnement
d’énergie
E;
la section efficace d’un électron pour l’effet
Compton,
relative à l’électronsecondaire ;
K une constante de la chambre.Pour un
rayonnement
polychromatique,
cette relation s’écriraet, pour un
rayonnement
continu,
selon les notations de
Knipp-Uhlenbeck (ci. § 6).
a.
ÉTALONNAGE
PAR L’UX. - Ce corps a étéétudié par Stahel et Coumou
[5]
et par Stahel etKipfer [il.
Ce dernier travail établitqu’en
solution aqueuse, lesrayonnements
defreinage
sontnégli-geables
vis-à-vis durayonnement
nucléaire. Celui-cia été étudié dans le
premier
travailcité;
ilcomprend
une seule
composante
pourlaquelle
E =o,95
MeV et n =0,0137
m 10 pour ioo.Nos mesures,
rapportées à 27
mc d’UX en solutionaqueuse, nous donnent :
D’autre
part,
le calcul donned’après
la formule deKlein-Nishina ;
eten tenant
compte
des corrections dont il seraquestion
plus
loin(cf .
appendice).
b.
ÉTALONNAGE
PAR LE Ra + DÉRIVÉS. - Descalculs
analogues,
répétés
pour les onzecompo-santes du
rayonnement,
donnent le résultat suivant :5. Résultats
expérimentaux. -
On adéter-miné pour
chaque
radiateur la courbed’absorption
durayonnement y
dans leplomb.
Lafigure
2 résumeles résultats
expérimentaux.
Fig. ~. - Courbes
d’absorption.
L’abscisse de chaque point de la courbe relative au platiné a été augmentée de o, ~ mm de plomb, afin de tenir compte de la réabsorption du r.f.int. dans le radiateur. D’autre
part, afin de compenser la réabsorption dans les radiateurs
légers, la préparation de platine était entourée d’une couche de paraffine de 3 mm d’épaisseur.
Les
cinq
courbessupérieures
sont les courbesd’absorption expérimentales
pour les radiateurs(respectivement,
de haut enbas)
deplatine,
desoufre,
d’eau,
de carbone et debéryllium. Chaque
courbe estrapportée
à 27 mc de RaE.La courbe de l’eau a pu être tracée avec un soin
particulier,
parcequ’il
étaitpossible,
pour ces mesures seulement, d’utiliser la totalité du RaEdont nous
disposions.
Enconséquence,
nous nous sommes laisséguider
par cette courbe dans le tracédes courbes voisines
(carbone
etbéryllium)
déter-minées avec une moindreprécision.
A
chaque
abscisse de lafigure
2correspond
unecourbe
d’extrapolation
dont l’ordonnée àl’origine
représente,
ainsiqu’il
a étédit,
l’intensité du r.f.int. pour l’abscisseenvisagée.
Parexemple,
pour l’abscisse zéro(intensité initiale),
nous pouvons former leTableau suivant :
TABLEAU
La courbe tracée sur les données de ce tableau
est
extrapolée
à Z = o et l’ordonnéecorrespondante
(r 20 u.)
est l’intensité initiale dur.f.int.
L’ensemble des
points
ainsi obtenus sert à tracer la dernière courbe de lafigure
2,qui
est donc lacourbe
d’absorption
dans leplomb
du r.f.int. d’unequantité
de 27 me de RaE.L’allure de la courbe nous donne des indications
sur la
dureté,
en d’autres termes sur laqualité
dur.f.int.;
d’autrepart,
comme nous savonsdéjà
àquelle quantité
de RaE cette courbecorrespond,
nous avons
également
lesrenseignements quantitatifs
nécessaires.6. Théorie du
freinage
interne. - Le butessentiel de notre travail était de soumettre au
contrôle de
l’expérience
la théorie dufreinage
interne parKnipp
et Uhlenbeck[6] (vomir
aussi Bloch[7]
et Bloch et Nordsieck[8]).
Une
particularité
intéressante de cette théorieest
qu’elle
ne contient pasd’hypothèse a
priori
sur la
répartition
spectrale
durayonnement ~3;
c’est au contraire a
posteriori
que les théoricienspeuvent
introduire soitl’hypothèse
deFermi,
soit celle deKonopinski-Uhlenbeck,
soit même les donnéesexpérimentales
sur cetterépartition,
afin d’obtenir des résultats concrets sur lagrandeur
et laqualité
du r.f.int.Considérant
qu’à
l’heure actuelle aucune théorie durayonnement
ne donne encore d’accordsatis-faisant avec
l’expérience,
nous avonsappliqué
les formulesthéoriques
deKnipp-Uhlenbeck
à larépar-tition
expérimentale
des~.
Pour ces dernièresdonnées,
nous nous sommes fiés aux résultats deFlam-mersfeld
[g], qui
nous ont paru obtenus avec laplus grande
minutie. ,Dans les notations de
Knipp-Uhlenbeck,
ondésigne
respectivement
parW,~ . mc2, W . mc2;
pc. mc, p. mc,(3) Nous nous servons ici de points pris sur les courbes,
et non de points expérimentaux; ceux-ci ne correspondent en
effet pas toujours à la même abscisse (cl. note de la figure ~);
en
outre,
cette façon de faire atténue l’effet de l’imprécisionexpérimentale.
(4) Comme l’intensité du r,f.ext, est en première
approxi-mation proportionnelle à Z, il est possible de calculer pour l’eau un Z équivalent en tenant compte de la proportion des éléments constitutifs; on trouve ainsi Z = 6,6; en observant que les rayons (3 peuvent être partiellement freinés dans les
parois de verre du récipient, on est amené à prendre 7, - 6,8
15
les
énergies
et lesquantités
de mouvement d’unélectron,
initialementpuis après
émission d’unquantum
de r.f.int.d’énergie
k.mc2;
désignant
par m la masse au repos de l’électron et par c la vitesse de la lumière.~ ( W,.,
k )
dk est laprobabilité
qu’un
électrond’énergie
initialeWe.mc2
émette unquantum
d’é-nergie
comprise
entre k.mc2 et(k
+dk)
mc2. Les auteurs ont trouvépour W
(Wa,
k) :
Si l’on
désigne
parP(W,)
dW,
laprobabilité qu’un
rayon p
ait uneénergie
initialecomprise
entre et(W.
+dWt»
mc2,
l’expression
représente
larépartition spectrale
dur.f.int.;
c’est-à-direque S
(k)
dk est laprobabilité
totale d’émis-sion d’unquantum
de r.f.int. dontl’éneigie
soitcomprise
entre k . mc2 et(k
-i-dk)
mc2.Les auteurs font aussi remarquer
qu’il
estplus
commode de se servir de la fonctionk. S (k),
parceque S
(k)
tend vers l’infinilorsque k
tend verszéro,
tandis que le
produit garde
une valeur finie.Cette dernière
expression représente
larépar-tition de
l’énergie
durayonnement;
c’est-à-direque
k. S (k) dk .mc2
estl’énergie
émise sousforme de
quanta
d’énergie
individuellecomprise
entre k . mc2 et(k + dk).
mc2.Voici comment nous obtenons un
point
donnéde la courbe k. S
(k) :
nousportons
engraphique,
en fonction de
W,,
les valeurs del’expres-sion k. 4)
(W~.,
k).P
(We),
formée pour le k choisi. La surface de la courbe ainsi dessinée est mesurée auplanimètre,
et donne la valeur de k. S(k).
Remarquons
une fois deplus
que, tandisque
(Wc, k)
est calculé par la formulecitée,
P(W,)
estpris
sur la courbeexpérimentale
de Flammersfeld.7.
Comparaison
des résultatsexpérimentaux
avec la théorie. - On ne
peut
espérer
retrouver la courbespectrale
d’unrayonnement
continu àpartir
de sa courbed’absorption;
enrevanche,
ilest
facile,
connaissant lacomposition spectrale
d’unrayonnement
y, deprédéterminer
quantita-tivement et
qualitativement
sa courbed’absorption :
il sufiit de calculer les facteurs detransparence
des filtres etd’appliquer
les formules duparagraphe
4. Nous nous trouvionscependant
ici en face d’unedifficulté
expérimentale supplémentaire : l’absorption
apparente
dans les filtres et lesparois
de notreappareil
necorrespond
pas exactement à celle quel’on
peut
calculer par les coefficientsd’absorption
connus; l’erreur est due aux conditions
géométriques
défavorables des mesures
(proximité
de la source,des filtres et de la chambre
elle-même).
Nous avonspu déterminer ces erreurs par l’observation de
rayonnements
étalonsquasi monochromatiques,
grâce
surtout au concours de M.Dancot,
lequel,
au cours d’un travail àparaître
sur lesrayonnements
des dérivés de
l’actinium,
nous a fourni deprécieux
renseignements.
Ces mesures,
qui
seront détailléesdavantage
enappendice,
permettent
d’établir pourchaque
coef-ficientd’absorption
un facteur de correction. Fortheureusement,
l’expérience
montre que ces facteursrestent voisins de
l’unité;
dans le domainequi
nousintéresse,
ils varient de 1,09 à o,g 1. Dans lapartie
laplus importante
duspectre,
ils sont mêmeprati-quement égaux
àl’unité;
c’est-à-dire que les coef-ficientsd’absorption
sont mesurés parl’appareil
sansgrande
erreur.Nous avons été ainsi à même de
prédéterminer
la courbed’absorption
du r.f.int.prévu
par la théorie. Cette courbe estreproduite
(fig.
3).
Sur la mêmefigure
sontreportés
lespoints expérimentaux
Fig. 3. --
Comparaison de la théorie de Knipp-Uhlenbeck
et de l’expérience.
Courbe 1, courbe d’absorption théorique du r.f.int. en se
basant sur la répartition expérimentale des rayons ;i d’après Flammersfeld; courbe 2, courbe d’absorption des rayons y du Po; courbe 3, courbe d’absorption théorique en tenant
compte des rayons y du Po. On remarque que les points expérimentaux, se placent très près de la courbe théorique; courbe 4, courbe d’absorption théorique en se basant sur la
répartition des rayons "Il d’après la théorie de Fermi. La courbe est nettement en discordance avec les points expéri-mentaux.
de la
figure
2 relatifs aur.f.int.;
une courbecorres-pondant
àl’hypothèse
de Fermi aégalement
étéprédéterminée
et dessinée sur cettefigure.
prédéterminée
en valeurabsolue ;
lacomparaison
des courbesthéoriques
etexpérimentale
est donc à la foisquantitative
etqualitative.
8. Discussion et conclusion. - L’examen de
la
figure
3 montre immédiatement :i°
Que
la théorie etl’expérience
sont en très bon accord en cequi
concerne l’intensité dur.f.int.;
20
Que
la courbeexpérimentale
est moins inclinée que la courbeprédéterminée;
l’écart(18
pour100)
entre lespentes
finales nepeut
être attribué aux erreurs del’appareil;
nous nepensbns
pas nonplus
qu’il
faillel’imputer
àl’imprécision
de la théoriequi, rappelons-le,
est faite àl’approximation
deBorn;
notreimpression
estqu’il
peut
êtrejustifié
entièrement par laprésence
du RaF(Po)
dans nospréparations;
eneffet,
enajoutant quantitativement
à la courbe
prédéterminée
la courbed’absorption
durayonnement
y du RaF tellequ’elle
est donnéepar Bothe et Becker dans le travail
déjà
cité[4]
(en
tenantcompte
toutefois del’absorption préalable
dans laparoi
del’appareil),
nous obtenons la courbepointillée
de lafigure
3,
courbequi s’approche
remarquablement
bien despoints expérimentaux
(1);
30Que
la courbe « Fermi » est en contradiction avec les faitsobservés,
tant dupoint
de vuequan-titatif
(intensité initiale)
que dupoint
de vuequali-tatif
(pente
de la courbed’absorption).
Il y a lieu d’incriminerplutôt l’hypothèse
de Fermi que la théorie deKnipp-Uhlenbeck, puisque
celle-ci,
appli-quée
à larépartition expérimentale
du rayonne-ment~3,
donne de bons résultats.En
conclusion,
notre travail tend à confirmer d’unepart,
la validité de la théorie du r.f.int. due àKnipp
etUhlenbeck;
d’autrepart,
la conclusiondéjà
obtenueplus
directement par d’autresexpéri-mentateurs,
que la théorie de Fermi ne rend pasbien
compte
de larépartition
réelle durayonnement
[3.
Appendice (en
collaboration avec H.Dancot).
Correction des coefficients
d’absorption
appa-rents. - Vu les conditions
géométriques
défavo-rables dudispositif expérimental,
il faut s’attendre à ce que les mesures des coefficientsd’absorption
soient entachées d’erreurs.D’une
part,
les rayons y traversent enpartie
obliquement
les écrans de mesures, cequi
tend àexagérer l’absorption;
d’autrepart,
unepartie
durayonnement
diffusépénètre
dansl’appareil,
cequi
tend à diminuerl’absorption.
’Pour déterminer
l’importance
des corrections àapporter,
nous avons déterminé la valeur des coef-ficientsd’absorption
apparents
durayonnement
,-du Ra + dérivés
(composante dure),
del’UX,
de l’AcC et de l’An. Le Tableau suivant résume les résultats obtenus.
(1) Voir Q Note à la correction » à la fin de l’article.
Fig. l~, -- Facteurs de correction des coefficients mesurés.
Ces résultats sont portés en graphique (fig. 4). Cette même
figure contient le résultat d’un calcul approximatif qui
essaye de tenir compte théoriquement de différents éléments de la correction.
Posons,
comme on le faitgénéralement (vomir
parexemple
Gentner[10]) :
On
peut
évaluer l’influence desconditions
géomé-triques
de la mesure sur les différents coefficientsd’absorption partiels :
u.
(2
seraplus grand
que(,r
+dans un
rapport
indépendant
del’énergie quantique
du
rayonnement
et nedépendant
que des conditionsgéométriques.
Un calculsimple
montre que cerapport
vaut1,125
(pour
notreappareil)
dans lecas d’écrans
minces,
puis
tend vers l’unitélorsque
l’épaisseur
des écransaugmente.
Nous admettronsqu’en
moyenne lerapport
vaut 1,1 I et nous poseronsdonc :
b. sera
plus petit
que 7,, parcequ’une
partie
durayonnement
diffusépénètre
dansl’appareil.
Nousadmettrons
que lesphotons
diffusés en avant dans un cône de 3 0° de demi-ouverture sont tousmesurés,
et que les autres sont tousréabsorbés;
cequi
s’écrit :c. xexp sera
plus
petit
que car pourchaque
photon
absorbé sontproduits
deuxphotons
d’énergie
totale presqueégale
àl’énergie
initiale,
etqu’une
17
du
RaE,
dont lespectre
s’étend entièrement endessous de la limite 2 mc2. Nous poserons
Calculant
point
parpoint
la courbe onconstate
(fig.
4)
qu’elle
a bien l’allure demandée par les observationsexpérimentales.
La correction est faible et même presque nulle dans le domaine leplus
intéressant.La formule a été étendue au cas du
fer,
afin depouvoir prédéterminer également l’absorption
dans laparoi
del’appareil.
BIBLIOGRAPHIE.
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.Note à la correction. - Des
mesures complémentaires sur le rayonnement gamma du polonium ont pleinement confirmé notre opinion exprimée dans la « discussion » alinéa 2 : si l’on tient compte de ce rayonnement il n’y a plus d’écart entre