Électrons de matérialisation et de transmutation

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Électrons de matérialisation et de transmutation

I. Curie, F. Joliot

To cite this version:

ÉLECTRONS

DE

MATÉRIALISATION

ET DE

TRANSMUTATION

Par I. CURIE et F. JOLIOT.

Sommaire. - Les auteurs montrent que le rayonnement pénétrant excité par les rayons 03B1 dans le glucinium fait sortir des électrons positifs de la matière qu’ils

traversent, principalement des éléments _{lourds. Ce sont les rayons 03B3 qui produisent}

ces électrons.

Les rayons 03B3 du ThC" ont la même propriété.

On peut interpréter cette émission en _supposant qu’un rayon 03B3 au moment d’un choc

sur un _{noyau peut} se transformer en deux électrons, un positif et un négatif. Cette « maté-rialisation » du _rayonnement absorberait une énergie de 1.02 106 e.V,le reste de _l’énergie

étant _communiqué aux deux électrons et dans certains cas à un _quantum de _plus faible _énergie. Ce _{phénomène, qui} ne se produirait que pour des rayons 03B3 d’énergie supé-rieure à 1.02 X 106 e.V, expliquerait l’absorption nucléaire des rayons 03B3. D’autre part on

observe l’émission d’électrons _{positifs lors de la transmutation par les rayons} 03B1 de

cer-tains éléments _{légers qui} émettent aussi des _protons et des neutrons

(Al,

B). On suppose

que l’émission d’un _{proton pourrait} dans certains cas être _remplacée par celle d’un

neu-tron et d’un électron positif. En relation avec cette _hypothèse on développe quelques

con-sidérations sur la _{complexité possible} du _proton et la masse du neutron.

Depuis

les

_expériences

de Anderson

_(4),

Blackett et Occhialini

₍₂₎

on _{sait que le} rayon-nement

_cosmique

est

_capable

en _{traversant la matière de provoquer} l’émission de

_particules

chargées positivement.

Le sens et la

_grandeur

de la déviation de celles-ci dans un

_champ

magnétique

en relation avec leur effet ionisant dans le gaz

qu’elles

traversent

_permet

de croire que ces

_particules

sont

_analogues

à des électrons dont la

_charge

serait

_positive.

Nous ne _{pouvons pas insister dans cet article} sur les

_phénomènes

étonnamment

_compliqués

(showers),

découverts par Blackett et

Occhialini,

auxquels

donne lieu la radiation

ultrapé-nétrante. Ces auteurs

_{suggérèrent}

aussitôt

_après

leurs

_{premières expériences}

que

l’interpré-tation de certains

_phénomènes

_déjà

observés

_pourrait

être facilitée en admettant l’existence

des électrons

_positifs.

Ces

_phénomènes

sont d’une

_part

_{l’absorption}

anormale des rayons y

pénétrant

par les éléments lourds et d’autre

_part

l’émission d’électrons de

_{grande énergie}

semblant se

diri-ger, s’ils sont

négatifs,

vers les sources de neutrons et _{de rayons y très}

_{pénétrants.}

C’est l’étude de ce second

_phénomène

sur les détails

_duquel

nous insisterons

_qui

fut

d’abord

_reprise.

Au cours de nos rechercbes

_(3),

_{par la méthode des}

_trajectoires

de

brouillard,

sur fes électrons

_Compton

dus au

_rayonnement

_y associé à l’émission des neutrons du

_glucinium,

nous avions

_remarqué

_que

_plusieurs

_trajectoires

d’électrons de

_{grande énergie}

_{courbées par} un

_champ

magnétique

semblaient se

_diriger

vers la source. La flèche

_marquée

sur la

planche

l,

montre une de ces

_{trajectoires.}

Ces électrons ne

_peuvent

_provenir

_{par effet}

Compton

des

_photons

_{émis par la} source, même si ceux-ci ont subi une ou

_plusieurs

diffusions avant le choc

_qui

_projette

l’électron dans cette direction. On

sait,

en

_effet,

_que

l’énergie

du

_photon

est voisine de 5 X _{106 et que, s’il subit} une seule diffusion vers

_{l’arrière,}

il 20

erd

_p les

20

de son

_énergie

initiale et il ne

_peut

être

_responsable

de la

_projection

de l’électron

21 p p p J

précédent

dont

_l’énergie

est voisine due 2 X 101 eV. Il en est de même si le

_photon

subit

f.

(1) ÂNDERSON, Phys. Rev. 43 (i933j, 491..

(2) BLACKETT et 0ccHTAwNi, Proc. _{Roy. Soc.,} ’139 (1933), 699.

(~) L’existence du neutron. _{Exp. Phys.} Theo., Hermann, Paris, éditeur. J. de

Phys. et

Rad.

495

plusieurs

diffusions sous

_des

_angles

_plus

_petits.

Devant cette difficulté

_{d’interprétation}

nous avions admis que ces _{électrons étaient lancés par le choc de}

_photons

_d’énergie

élevée

_ayant

pris

naissance dans une

_{région éloignée}

de la source

_(bobine

_{de cuivre pour}

_produire

le le

_champ

_magnétique,

_par

_exemple)

à la suite des transmutations que

provoquent

parfois

les neutrons traversant la matière.

Simultanément dans

_plusieurs

laboratoires des

_expériences

sur ce

_sujet

furent

entre-prises.

L. Meitner et K.

_Phillip

_{( )}

d’une

_part,

Chadwick Blackett et Occhialini

₍₂₎

d’autre

part,

confirmèrent l’existence des

_trajectoires

_{précédentes}

et montrèrent en

_plaçant

une lame de

plomb

à l’intérieur _{de la chambre de Wilson que les}

_trajectoires

de ces électrons sortaient en

_plus

_grande

_partie

de ce

_radiateur,

et étaient courbées dans le sens d’une

charge

_positive.

Il y avait donc lieu de _{croire que le}

_rayonnement

_complexe

de neutrons et de

_photons

provoque l’émission d’électrons

positifs lorsqu’il

irradie une lame de

_plomb.

Ces

_expériences

ne

_{permettraient}

_{pas de conclure si} ce

_phénomène

était dû à l’action des neutrons ou à celle des

_photons

et si le

_{phénomène dépendait}

du radiateur.

Production des électrons

_positifs

par les

photons. -

Nous avons de nouveau

examiné nos anciens

clichés,

mais dans ces

_expériences

la source de

_polonium

irra-diantle

_glucinium

se trouvait

_trop

_éloignée

des

_parois

de la chambre et nous avons

_préféré

en

_entreprendre

de nouvelles en

_plaçant

une forte source de neutrons et de

_photons

(100

millicuries de Po irradiant une

_pastille

de

_Be)

contre une lame de

_plomb

fermant un orifice de 18 mm

_ménagé

dans le

_cylindre

de verre de

_l’appareil

_(fig.

₁₎

_(planche

_2).

Fig, i.

~ Nous avons trouvé la

_répartition

_{suivante pour les} électrons

_positifs

et les

électrons

négatifs

dont

_l’énergie

est

_supérieure

à 106 eV

_(champ

de 1100

_gauss)

ou

_0,5

X 106 eV

(champ

de 640

_gauss).

Les courbes de la

_{figure 2}

_{représentent}

la distribution des

_énergies

des électrons

posi-tifs et

_négatifs

venant du

_plomb.

Celle

_qui

_correspond

aux électrons

_négatifs

est conforme à la courbe que nous avons

_{déjà publiée (3).}

(1) L. MEITNER et K. PHILLIP. _{ivaturii,issenschalt.}

(2) CHADWICK BLACKETT et OCCHIALINI. Nature. 1 .

C) IMNE Cuitis et F. JoLIOT, J. _Phys. et Rad., 4 (1933) 21.

496

Nous avons ensuite

_remplacé

le

_plomb

fermant l’orifice _par une lame d’aluminium de 2 mm

_{d’épaisseur}

sans

_changer

aux autres conditions.

Fig. 2.

Le nombre des

_{électronspositifs}

observés

_{devientbeaucoup}

_plus

faible: 5,

pour00

élec-trons

_négatifs.

Le nombre des électrons venant des

_parois

de verre reste sensiblement le même. Cette

_expérience

_{montre que les}

_trajectoires

des électrons courbés dans le sens

d’une

_{charge positive}

dans le cas

_précédent

sont issues du

plomb.

La même

_expérience

_répétée

avec des radiateurs de cuivre et d’uranium montre que le nombre des électrons

_{yositi f s,}

_par

_rapport

au des électrous

_négatifs,

croît avec le

poids atomique

du radiateur.

On trouvera ci-dessous ces

_proportions

_{(très approximatives) :}

Pour

_distinguer

la nature du

_rayonnement

_responsable

de l’émission des électrons

positifs

nous avons

_{interposé 2}

cm de

_plomb

entre la source et le radiateur de

_plomb,

ceci

sans modifier la

_place

de la source.

On observe une _{diminution de 40 pour 100 du nombre des électrons}

_négatifs

et

_positifs.

Dans ces conditions on _{sait que}

_{l’interposition}

de 2 cm de

_plomb

diminue de 50 _pour 100 l’intensité du

_{rayonnement y}

_(hv

= 5 /

101

_eV)

et _{seulement de 12 pour 100 celle du} rayon-nement de neutrons. On

_peut

donc affirmer que l’émission de la

_{majeure partie}

des élec-trons

_positifs

est due à l’action des

_photons

sur le radiateur

_(1).

Ce résultat donnait un

appui

sérieux à

_{l’hypothèse}

suivant

_laquelle

le

_{phénomène d’absorption}

anormale des rayons y par les éléments de

poids atomiques

élevés serait dû à l’émission par ces

_photons

d’électrons

_positifs.

Nous avons montré ensuite que la radiation y

d’énergie quantique

de

2,65

X 101 du _{Th C" provoque} l’émission d’électrons

_{positifs lorsqu’elle}

irradie une lame de

_{plomb (2).}

Ce résultat a été obtenu simultanément par d’autres auteurs

(3) (’~).

Nous irradions une

_pastille

de

_{plomb placée}

à l’intérieur de chambre de Wilson _par un

(1) IRÈNE CURIE et F. JonoT, C. R.. 196 (1933), 1105. CURIE et F. JOLIOT, C. R., 196 (1933), 1581.

(~) L. MIHTNBR et K PHILLIP.

PLANCHE.

1. - Electrons

positifs et négatifs. Source _{Po +} Be _éloignée de _{l’appareil.}

2. - Electrons positif et

négatif issus d’un radiateur de Plomb et un

proton projeté par un neutron. Source Po + Be.

3. - Paire d’électrons positif et

néga-tif créés par un photon du ThC" dans le gaz de la chambre à détente.

4. - Electron

positif et proton due transmutation de l’aluminium.

497

faisceau canalisé _{de rayons y}

_provenant

d’une source de 3 mg de Radiothorium avec ses dérivés. Le

_rayonnement

_{1 filtré}

_près

de la source _{par 3} cm de

_plomb

se _{compose presque}

uniquement

de la radiation 2.65 X 101 eV du Th C". On

_dispose

autour de la chambre une forte

_protection

en

_plomb

afin d’éviter la

_production

d’électrons par les

_photons

non

compris

dans le faisceau incident

_figure

3.

Fig. 3.

La

_proportion

des électrons

_positifs

_par

_rapport

aux électrons

_négatifs

est de 8 pour 100.

La courbe de distribution des

_énergies

des électrons

_positifs

subit une chute vers

800.000 eV.

Dans

_plusieurs

_clichés,

on

_peut

observer deux

_trajectoires

d’électrons : l’un

positif,

l’autre

_{négatif, paraissant provenir}

du même

_point

de la

_pastille

de

_plomb.

La

_planche

3

représente

le cas

_(très

_rare)

ou les deux électrons

_positif

et

_négatif

ont leur

_origine

dans le gaz de la

chambre ;

les

_énergies

de ces électrons sont différentes et la somme est

inférieure à

1,6

X 106 eV.

L’ensemble des résultats

_{numériques précédents}

et

_l’aspect

de certains clichés

_qui

montrent que les électrons

positifs

doivent être émis en même

_temps

_qu’un

électron

néga-tif,

nous font

_représenter

ces

_phénomènes

de la

_façon

suivante.

Un

_photon

de

_{grande énergie}

h v rencontrant un _noyau

_lourd,

se transformerait en

deux électrons de

_charges

de

_signe

contraire. La niatéî-ialisation des deux élentrons

exige

une

_dépense

_d’énergie

de

1.02 X

106

_{eV (1);}

le

_surplus

de

_l’énergie

du

_quantum

1.02

X 106

apparaît

comme

_{énergie cinétique E}

et ~’’ des électrons crées et aussi

peut

être comme

_énergie

d’un

_quantum

diffusé. Le bilan

_{énergétique}

serait :

La

_présence

du noyau est

indispensablc,

c’est un

_support

de la réaction n’intervenant sensiblement pas dans les

échanges d’énergie.

Le bilan

_indique

_{que l’on} ne _{doit pas}

observer d’électrons

_{positifs d’énergie supérieure}

à h v - 1.02 X 106 eV et dans ce cas E et lav’ sont nulles. C’est bien ce _{que montre les}

_expériences

relatives aux

_quanta

et

498

au

_partage

à

_{parties égales}

du reste de

_l’énergie

du

_quantum

Av - 1 .02 X

101"eN’,

entre les

_{énergies cinétiques}

des deux électrons créés. Les courbes de distribution

_d’énergie

des électrons

_positifs,

subissent des chutes assez

_brusques

_{pour les valeurs des}

_énergies

1.8 X 106 eV et 0.8 X 106 eV valeurs

_{correspondant}

aux relations :~

et

Enfin la courbe de distribution des

_énergies

des électrons

_{négatifs (électrons}

néga-tifs de choc et _{créés par les}

_photons

d’une source de Po

₊

_{Be) présente}

un

_petit

maxi-mum aux environs de 2 X 106 eV

_indiquant

la

_présence

d’un excès d’électrons

_négatifs

correspondant

à la création des électrons

_positifs

_(1).

Fig. 7.

Il résulte des considérations ci-dessus

_{qu’un photon d’énergie}

inférieurea 1.02 X 10fi e~’

est

_incapable

_{de provoquer l’émission} d’électrons

_positifs.

Cette remarque est à

rapprocher

du fait que le

phénomène d’absorption

anormale des rayons y commence à avoir lieu

juste-ment _{pour les}

_photons

_{d’énergie supérieure}

a 1.1 X 106 eV

_(2).

Il est donc très

_probable

que

l’absorption supplémentaire

observé pour les

photons

d’énergie supérieure

a 1.1 X 106 eV est attribuable à

_la

_disparition

_{d’un quantum}

avec

projection

d’un électron

_positif

et d’un électron

_négatif.

Ce _processus

_{d’absorption}

pet

1

prendre

une

_{importance prépondérante}

sur

_{l’absorption}

_{par effet}

_Compton

et il est

_possible

que le coefficient

d’absorption

des rayons y passe par un minimum et devienne

_plus

élevé pour les radiations de très

grande

énergie quantique.

Electrons

_positifs

de transmutations. ® Les transmutations connues

jusqu’alôrs,

provoquées

par les rayons a, les

protons

rapides

où les neutrons s’effectuent avec émission de

_protons,

de neutrons ou de

_particules

a, on n’avait

_jamais

observé dans ces

_phénomènes

l’émission d’électrons

_nucléaires.

’

’

Les

_expériences

décrites ci-dessous mettent en évidence certaines transmutations

s’effectuant avec émission d’électrons.

Une feuille d’aluminium de

_1/10

mm

terme

un orifice de 18 mm

_ménagé

dans la

_paroi’

de

la,chambre

de Wilson. On

_place

contre cette feuille une source de

rayons a

₍₂₀

millicu-ries de

_polonium)

_{couverte par} une feuille d’Al de

_5/100

de

mm.

Un

champ

de 350 gauss est établi

_{parallèlement}

à l’axe du

_cylindre

de la chambre.

’°

On observe des

_trajectoires

d’é lectrolls

_positifs

et

_{négatifs qui proviennent}

de l’orifice

(planche 4).

Si l’on

_remplace

la feuille d’Al couvrant la source _par une feuille mince

d’ar-gent

absorbant _{les rayons} a, on n’observe

_plus

les électrons

_positifs.

Ceci prouve que ces électrons ne

_proviennent

_{pas du}

_polonium,

mais de l’alurrünium. On sait que cet élément subit une transmutation avec

émission’ de protons

_rapides

sous l’action des rayons x et l’on’ a recherché si les électrons

_{positifs provenaient}

de l’action des

_protons

sur l’aluminium

_qui

(1) On pourrait envisager une autre _{interprétation} en admettant l’existence dans les _rayonnements utilisés ou dans les noyaux de corpuscules neutres due masse voisine de celle de l’électron

_(neutrino

de Pauli)

dont

la dislocation _produirait un électron _positif et un électron _négatif.

’

(9) M. W. Gentncr à l’Institut du Radium de Paris a trouvé cette limite lors d’une étude sur ce

phéno-méne.

’

499

absorbe ceux-ci. En

fait,

la

_proportion

des électrons

_positifs

ne _{variant pas}

_lorsqu’on

absorbe les

_protons

dans

_l’argent

ou dans des

_épaisseurs

croissantes

d’aluminium,

nous pouvons conclure que l’émission de ces électrons

_positifs

est liée à l’action des rayons a sur

l’aluminium. Le rendement est d’un électron

_positif

_{pour 2} X 101

_particules

a environ.

Le même

_phénomène

a lieu avec le bore et le

_glucinium,

_{il n’a pas lieu} avec le lithium. Les tableaux suivants montrent la distribution des

_énergies

des électrons

_positifs

et des

_négatifs

émis par l’aluminium et le

_glucinium.

Dans le cas de

_{Al, B,}

_Li,

les électrons

négatifs

sont attribuables au

_rayonnement

_y du

_polonium

dont

_{l’énergie quantique}

est de 850 000 eV

_(1).

Dans le cas du

_glucinium,

on observe

_beaucoup

délectrons

_négatifs

dont

_l’énergie

est

,supérieure

à

0,8

X 106 eV. Ce fait

_permet

de faire une distinction

_quant

à

_l’origine

dés

électrons

_positifs

dans ce cas et les cas

_{précédents (Al, B).}

Nous croyons

pouvoir interpréter

ces

_phénomènes

de la

façon

suivante :

Les réactions nucléaires relatives à la transmutation du bore et de l’aluminium avec

émission de

_{protons 1t}

sont :

Nous croyons que

parfois à

la

place

d’un

proton

sont émis un iieutroii tt) et un

élec-tron

_{positif E}

selon les réactions :

.-Nous avons montré

₍₂₎

_{que l’aluminium irradié par les rayons} a émet des neutrons.

Dans le cas

_{du bore,}

on _{suppose que c’est}

_l’isotope

Bu

i

qui

émet des

neutrons,

mais rien

ne

_s’oppose

à ce

_qu’on

_puisse

attribuer au moins une

_partie

de cette émission à

_l’isotope

_B108

Nous verrons

_plus

loin une

_conséquence

_importante

de cette

_supposition.

(1) F. JOLIOT. C. R. Ac. des Sciences (1931).

500

Ces considél’ations conduisent à _{admettre que le}

_proton

est

_complexe

et résulte’rait de

l’associatioiz d’un neutron et d’un électron

_positif.

La transmutation

_peut

s’effectuer soit avec une émission d’un

_proton,

soit avec

émis-sion d’un neutron et d’un électron

_positif.

Le cas du

_glucinium

est

_{plus compliqué,}

car on _{sait que la transmutation s’effectue}

avec émisskon d’un neutron et non de

_proton.

On a vu dans ce

_{qui précède qu’il}

faut asso-cier à l’émission des neutrons un

_rayonnement

de

_photons

de 5 X 101 _{eV et que celui-ci} provoque l’émission d’électrons

positifs

en traversant un radiateur lourd.

Dans les conditions de

_{l’expérience}

_ci-dessus,

les

_photons

irradient une feuille mince d’aluminium et la

_proportion

d’électrons

_positifs

observés est

_cependant

assez élevée. Cette

émission ne

_peut

_correspondre

au même

_phénomène.

Nous _{pensons que} ces électrons

_proviennent

de la conversion du

_photon

dans le

noyau de

glucinium qui

le

produit.

La réaction nucléaire serait.

Beg +

ac =

C12

_{+ w}

₊

électron

_positif

₊

électron

_négatif

₍₁₎

au lieu de :

Beg

+

oc

₊

w

₊

hj

₍₂₎

A la

_place

d’un

_photon,

_{il y} a émission

_parfois

d’un électron

_positif

et d’un électron

négatif.

Ici encore cette

_{interprétation}

ne modifie pas la forme

_générale

de la réaction. La

réaction (’)

suggère que l’électron positif

et l’électron

_négatif

_peuvent

sortir soit

séparé-ment,

soit associés en une

_particule

neutre

_qui

serait un neutrino de Pauli. Il serait très difficile de

_distinguer

un tel

_rayonnement

d’un

_rayonnement

de

_photons.

Considération sur la masse du neutron. -

L’hypothèse

de la

_complexité

du

_proton

a _pour

_conséquence

_{que le neutron doit avoir} une masse

_supérieure

à celle du

_proton.

Or la masse _{du neutron calculée par} Chadwick à

_partir

de la réaction

(les

W étant les

_{énergies cinétiques}

des

_particules)

est

_comprise

entre

1,005

et

1,008

et

jusqu’alors

on

_{pensait qu’elle}

était inférieure à la masse du

_{proton ;}

le neutron étant consi-déré comme l’association d’un

_proton

et d’un électron

_négatif.

A l’aide des nouveaux résultats

_ci-dessus,

on

_peut

aussi bien admettre que les neutrons

rapides

du bore sont émis par

l’isotope

Bio

suivant la réaction :

e étant l’électron

positif.

Le calcul donne pour masse du neutron une valeur voisine de

1,012

(He == 4)

qui

est notablement

_supérieure

à la masse du

_proton.

Adoptant

cette nouvelle

_valeur,

nous calculons la masse de

_Beg

en admettant _{que le}

groupe de neutrons le

plus rapide

a une

_énergie

de 8 X 106 eV.

Le bilan de la réaction

donne pour masse de

_Be9

9,011,

valeur en

_parfait

accord avec la masse déterminée

directement par

Bainbridge (2).

D’autre

_part,

_{si le noyau}

_Bel

est constitué par deux

particules

a et un

_neutron,

on _{trouve pour} masse maximum de ce _noyau

le noyau de

Be.

est alors stable. Ce résultat lève une _{grosse difficulté}

_qui

tenait à ce

qu’en

adoptant

une masse du neutron inférieure à celle du

_proton,

il était nécessaire

d’admettre que le noyau

Beg

était

instable,

une

_{particule a}

_{n’étant pas formée à l’intérieur.}

Nous remercions MUle Pierre Curie pour l’intérêt

qu’elle

a

_pris

à ce travail et 31. B.

Grin-berg qui

nous a

_apporté

une aide

_précieuse

dans ces

_{expériences.}

(1) I. CURIE et F. JoLtoT. C. R. Ac. des Sciences (1933).

(2)

BAlINBRIDGE,

Phys

Rel’., 43 (t933), p. 361.