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Mise en évidence de structures alpha dans les noyaux lourds

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HAL Id: jpa-00205546

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Submitted on 1 Jan 1963

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Mise en évidence de structures alpha dans les noyaux lourds

H. Gauvin, M. Lefort, X. Tarrago

To cite this version:

H. Gauvin, M. Lefort, X. Tarrago. Mise en évidence de structures alpha dans les noyaux lourds.

Journal de Physique, 1963, 24 (9), pp.665-671. �10.1051/jphys:01963002409066500�. �jpa-00205546�

(2)

665.

MISE EN ÉVIDENCE DE STRUCTURES ALPHA DANS LES NOYAUX LOURDS Par H. GAUVIN, M. LEFORT et X. TARRAGO,

Laboratoire Joliot-Curie, Faculté des Sciences de Paris, Orsay.

Résumé 2014 Des calculs ont été exécutés avec des ordinateurs électroniques pour tenter d’expli-

quer par un mécanisme de

«

knock out » l’émission de particules

03B1

au cours de réactions par protons

de grande énergie sur le bismuth. On a supposé que les nucléons de cascade sont diffusés élasti-

quement par les structures

03B1

avant de quitter le noyau. L’accord est obtenu entre calculs et spectres expérimentaux des

03B1

si l’on émet l’hypothèse de l’existence de 15 groupements

03B1

en surface du

noyau disposant d’une énergie cinétique moyenne de 10 MeV. Un tel résultat indiquerait qu’environ

70 % des nucléons de surface sont organisés en structures hélions.

Abstract.

2014

Calculations have been carried out with electronic computers in order to explain

the emission of alpha particles in high energy proton reactions on Bi by a

"

knock-out " mecha- nism. It has been assumed that cascade nucleons are elastically scattered by

03B1

structures before

they escape from a bombarded nucleus. The computation fits experimèntal data on emitted

03B1

particles spectra if ones assumes that 15

03B1

clusters exist on the nuclear surface and they have a

mean kinetic energy of 10 MeV inside the nucleus. Such a result indicates that about 70 % of surface nucleons are arranged in helion clusters.

PHYSIQUE 24, SEPTEMBRE 1963,

Nous avons rapporté précédemment des mesures

de sections efficaces des fragments alpha projetés

de noyaux de Bi à la suite de réactions nucléaires

provoquées par des protons de diverses énergies.

[1] (80-110-150-240-420 et 550 MeV). Par l’étude

des réactions secondaires induites par ces parti-

cules oc et conduisant aux isotopes 206 à 211 de l’astate, on a pu construire les spectres de ces alpha émis vers l’avant et vers l’arrière.

Cela a permis de montrer que pour des énergies

incidentes inférieures à 150 MeV, l’émission vers

l’arrière ne pouvait être décelée par nos moyens

expérimentaux et un processus d’évaporation n’ex- pliquerait pas la quasi totalité de l’éniission alpha.

Pour des énergies plus élevées, le spectre arrière

s’arrête à des énergies de particules « assez peu élevées et une fraction très importante peut être expliquée par évaporation. Cependant des alpha d’énergie supérieure à 30 MeV sont émis. Si l’on

compare le spectre

«

arrière

»

et le spectre

«

avant »

on peut estimer la part des alpha émis par un processus d’interaction directe, processus lié aux nucléons de cascade. Déduction faite de l’évapo- ration, on a donc tenté de tracer les spectres

des a d’interaction directe à toutes les énergies

incidentes.

L’explication qui vient à l’esprit pour ces frag-

ments a a été proposée il y a quelques années par Ostroumov et al [2] :

Les nucléons de cascade, avant de sortir du noyau pourraient rencontrer des sous-structures

alpha. Une diffusion élastique aurait alors lieu en

surface du noyau de bismuth et lorsque les condi-

tions cinématiques seraient satisfaites, les sous-

structures seraient projetées hors du noyau selon un processus de

«

knoçk-out ». Pour tenter de véri-

fier si cette hypothèse de cc knock-out » en quelque

sorte

«

indirect » est justifiée, nous avons procédé

à des calculs sur les bases suivantes :

a) Les fragments « préexistent dans le noyau et

disposent d’une certaine énergie cinétique W. Le nombre maximum de ces sous-structures peut être estimé en supposant que la densité nucléaire va

décroissant vers le bord du noyau et que dans cette

région les nucléons sont organisés en hélions de

façon à maintenir la cohésion du noyau.

Ces hypothèses ont déjà été utilisées par divers auteurs et en particulier par Ostroumov et al [2].

b) La distribution en énergie des nucléons de cascade à la surface du noyau est obtenue par les calculs de Montecarle du type Metropolis et al [3].

c) Ces nucléons heurtent les sous structures «

selon les lois de diffusion élastique des protons et

des neutrons sur l’hélium, mais on tient compte du puits de potentiel, de la quantité de mouvement

de la particule ce, du principe de Pauli excluant

tout choc à la suite duquel un nucléon est laissé

avec une énergie inférieure à l’énergie de Fermi.

On suppose de plus que tout « diffusé pour lequel

les conditions cinématiques sont remplies est émis,

c’est-à-dire que les processus de réabsorption, nou-

velle diffusion ou stripping sont négligés. On est

alors conduit aux calculs qui sont décrits avec quelques détails ici, et dont les résultats essentiels ont été donnés dans une note préliminaire [4].

1. Cinématique de la diffusion nucléon-alpha.

-

Dans l’approximation dite de

«

l’impulsion », la cinématique de la réaction de knock-out (p, oc) ou (n, «) est voisine de celle de la diffusion élastique (p, (x) ou (n, «) sur l’hélium ; elle en diffère cepen- dant par le fait que les particules ce dans lç cas

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01963002409066500

(3)

666

qui nous intéresse, sont dans un noyau, donc dans

un certain puits de potentiel.

Le calcul des ’sections efficaces de knock-out

(p, oc) ou (n, a) sur Bi peut se ramener au calcul

des sections efficaces de diffusion (p, a) ou (n, 03B1),

les particules cc étant placées dans un puits de potentiel d’environ 35 M5V. Ces sous-structures oc

FIG. 1.

-

Schéma des vecteurs vitesses de la particule

a

et du C de M

u :

vitesse

oc

dans C de M avant le choc.

u’ : vitesse

u

dans C de M après le choc.

uo : vitesse du C de M.

v : vitesse

cc

après choc dans le laboratoire.

peuvent donc avoir une énergie cinétique W comprise entre 0 et 35 MeV, profondeur du puits.

D’autre part, la particule a est liée au reste du

noyau par une énergie de liaison B qui dans le cas

du Bi est négative et égale à

-

3 MeV.

Considérons le choc élastique d’un nucléon

d’énergie E (dans le noyau) et d’une particule oc d’énergie cinétique W ; imposons en outre à la particule oc après le choc, d’avoir une énergie T à

l’extérieur du noyau supérieure à une certaine

valeur Ea.

L’énergie T de la particule oc est une fonction

des énergies E et W des particules incidentes, de l’angle rp de leurs vecteurs impulsion, de l’angle de

diffusion 0 dans le système de référence lié au

centre de masses, et de l’angle p des plans conte-

nant les vecteurs vitesse du C. M. et de la parti-

cule oc dans le C. M. avant le choc d’une part et les vecteurs vitesse de la particule « avant et après

le choc (dans le C. M.) d’autre part (fig. 1).

On peut montrer que la vitesse de la particule a

dans le système du laboratoire est :

avec l’angle s du vecteur vitesse de l’alpha après

le choc dans le système C. M.. et du vecteur vitesse

du centre de masse donné par :

cos

E =

cos e cos q; + sin 0 sin q; cos p

et l’angle 6 du vecteur vitesse de l’alpha avant

le choc dans le système C. M. et du vecteur vitesse

du centre de masse donné par

La particule « avant le choc dispose d’une éner- gie totale égale à la profondeur du puits moins

son énergie de liaison, ou encore de la somme

W + Ua si Ua est son énergie potentielle. Après le

choc l’énergie cinétique est devenue 2V2 et l’éner- gie totale 2 V2 + Ua. La rupture de la liaison néces- site l’énergie B et en sortant du puits de potentiel,

la particule oc perd l’énergie correspondant à la

profondeur du puits W + va, de sorte qu’à l’ex-

térieur du noyau on a

En remplaçant Vz. par l’équation (1) on obtient

la condition

(4)

A la borne inférieure Ea correspond donc une

borne supérieure p max pour l’angle des plans de

diffusion.

L’application du principe de Pauli revient

à imposer au nucléon après le choc une énergie

supérieure à l’énergie maximum de Fermi, Er

V2/2 :> Ef. (4) En explicitant la vitesse du nucléon Vn on obtient lorsque

ce qui revient à donner à g une borne minimum

min.

Compte tenu de ce que

-

1 cos 1, les inégalités 3 et 5 définissent le domaine de q et g

pour lequel la diffusion dans un angle 0 donné est possible, pour des valeurs de E, Ef, W et E..

données.

2. Section efficace de diffusion de nucléon de cascade sur un hélion.

-

La section efficace diffé- rentielle de production de particules oc d’énergie supérieure à E(1. est :

où S est le poids statistique des états pour lesquels

les conditions 3 et 5 sont satisfaites, daoldw est

la section efficace différentielle de diffusion des nucléons sur des particules ce libres, prises à partir

des résultats expérimentaux [5]. Cette section effi-

cace est une fonction de E, W, 0 et ep et elle dépend

de la nature du nucléon incident, ce que nous

avons pris en considération. Si l’on examine pour

une énergie donnée du nucléon incident la valeur de la section efficace de diffusion intégrée sur tous

les angles, on constate qu’elle est plus élevée pour les neutrons que pour les protons en dessous de

90 MeV et que les 2 sections sont identiques au

delà de cette valeur. Le rapport à diverses énergies peut être estimé d’après les résultats de Tannen- wald [6] et de Arnold et al [7] pour les neutrons,

et ceux de différents auteurs pour les protons [5].

Nous avons pris pour chaque dao/dco le rapport

déterminé pour la section efficace intégrée à une énergie donnée et ce rapport a été pondéré d’après

la proportion relative des neutrons et des protons de cascades dans la bande AE. Nous avons admis que la variation de dao/dw en fonction de E ne dépendait pas de la nature du nucléon.

Si nous admettons que la diffusion est symé- trique, c’est-à-dire qu’elle ne dépend pas de a,

nous pouvons écrire en normalisant :

En supposant la répartition des moments des particules oc isotrope, la probabilité S’ peut se cal-

culer comme suit : la probabilité totale dans tout

le volume est égale à 1, pour un angle dm dans la

direction o elle est de 4- 403C0 1 dw soit par p unité

Les angles g max et g min étant fonction de p

suivant les égalités (3) et (5).

FIG. 2.

-

Schéma du programme de calcul.

Organigramme pour Ep

=

150 MeV.

(5)

668

Nous avons calculé les sections efficaces diffé- rentielles da fd6) à partir des sections efficaces diffé- rentielles dO’o/d6) par intégration graphique sui-

vant la méthode des trapèzes à l’aide des machines IBM 7094 et 704, en prenant des intervalles de 10 et en interpolant linéairement le dO’o/dCJ) entre les

valeurs déduites des courbes expérimentales et

introduites dans la machine pour des 0 variant de 10 en 10°. Le diagramme simplifié est donné

dans la figure 2.

A partir des valeurs de dc/dw il est facile d’obte- nir la section eflicace intégrée pour une énergie de

nucléons E donnée :

3. Section efficace totale de « knock-out ». - Pour avoir la section efficaces totale de production

de particules ce de knock-out, il suffit de sommer

sur toutes les énergies possibles des nucléons de cascade en tenant compte du poids statistique des

nucléons dans chaque bande d’énergie considérée :

Nous obtenons le spectre énergétique des parti-

cules ce produites en calculant la section efficace totale O’tot(Ea) pour des énergies minimum des

particules « produites (J?oJ variant de 5 en 5 MeV.

Ce calcul a été fait pour des énergies cinétiques W

des particules « dans le noyau de 0, 5, 10, 15, 20

et 25 MeV et pour des énergies (Ep) des protons incidents de 82, 150 et 420 MeV.

Il est à remarquer que les sections efficaces obte-

nues dans le calcul tel qu’il est conduit jusqu’ici,

sont valables pour des noyaux lourds (dans la

limite de validité des puits de potentiel introduits)

ne contenant qu’une particule « à leur surface, pouvant être également vue par tous les nucléons de cascade. Il est évident que si le poids statis- tique des particules ce susceptibles d’être diffusées par les nucléons de cascade est P, la section effi-

cace réelle om (Ea.) de production de particules «

par le noyau de Bi sera celle calculée plus haut multipliée par P.

ha confrontation de la section efficace

«

réelle » et de la section eflicace observée expérimenta-

lement crexp(J?x) permet de déterminer le poids sta-

tïstiaue P.

D’autre part, soit lV le nombre maximum de

particules u pouvant être placées à la surface du noyau et W leur probabilité de présence à chaque

instant. Considérons en outre que le faisceau de

nucléons de c«scqde çst 1-,t somme de faisceaux

parallèles dont les directions sont comprises entre 0

et ce 0. Si l’origine des nucléons de cascade est à peu près également distribuée dans la matière

nucléaire, chacun de ces faisceaux traversera une

surface du noyau égale à la demi-sphère de rayon

égal au rayon du noyau. Chacun de ces faisceaux

est donc susceptible d’interagir sur (N /2). w parti-

cules (1..

Si dn est le nombre de nucléons par unité de surface pour chacun des faisceaux parallèles, et des

le nombre d’événements produits, nous avons :

d’où

ou

et en comparant (6) et (7)

ESTIMATION DE N. - La surface nucléaire dans

laquelle sont localisées les sous-structures oc est définie comme la couche de matière nucléaire de densité décroissante. Nous avons pris, comme

Ostroumov et Filov [2], pour exprimer la distri-

bution des densités de nucléons dans le noyau, la fonction indiquée par Elton [8] de la forme

Dans le cas du noyau de Bi, cette expression (c

=

6,48 f, a

=

0,575 f) conduit à une couche

diffuse d’épaisseur 3 fermis à p(r) Jp(0)

=

0,5, va-

leur compatible avec le libre parcours moyen des

particules a dans la matière nucléaire [9]. D’après

des calculs récents de Harada [10], la probabilité

de formation de structures oc à partir du modèle en

couche serait maximum aux environs de

P/Po

=

0,05. La couche à considérer serait de 2,5

à 3 fermis d’épaisseur.

Dans le plus favorable des cas, nous obtenons

alors, pour le nombre maximum de sous-struc- tures oc dans la surface nucléaire de noyau de Bi,

N = 20.

L’expression (8) devient

4. Comparaison avec les sections efficaces et les

spectres expérimentaux.

---

Les calculs précé-

demment exposés ont été effectués pour les éner-

gies incidentes de 82 à 155 MeV et de 420 MeV.

Il faut remarquer que l’on peut trouver dans la

littérature les sections différentielles de diffusion

proton-hélium même aux grands angles pour des

énergies de protons de 28, 40, 66, 95, 147 MeV [5].

Pour des énergies plus élevées, nous avons

extrapoler les courbes de da,,/dco en fonction des

(6)

669 et il en résulte une incertitude pour les calculs à

420 Me V.

Nous avons obtenu pour ch.aque valeur de W

variant de 5 en 5 MeV entre 0 et 30 MeV, d’une part des valeurs de sections efficaces totales des

particules oc de plus de 25 MeV, d’autre part les spectres calculés. Dans le domaine allant de 15 à 25 MeV, nous a.vons tenu compte de la pénétra-

bilité de la barrière de potentiel, la valeur de celle- ci étant évaluée à 26 MeV. Lla pénétrabilité a été

calculée selon Weisskopf [11].

En effet, cette relation rend très bien compte

de la fonction d’excitation de la réaction (oc, 2n)

sur le bismuth déterminée expérimentalement par

Kelly et Segré [12].

Nous avons ensuite examiné quelle valeur

nous devions donner à P dans l’expression 6 pour que la section efficace totale des oc de plus de

FIG. 3.

-

Spectres

ce

calculés pour W

=

0 et W

=

10, avec 15 structures

a

dans Bi.

Les rectangles hachurés correspondent aux valeurs expérimentales, compte tenu de l’estimation des erreurs.

Énergies incidentes : a) 82 MeV ; b) 155 MeV ; c) 420 MeV.

TABLEAU 1

SECTIONS EFFICACES DE FRAGMENTS

OC

DE PLUS- DE 25 MeV. CALCULS POUR DIFFÉRENTES VALEURS DE W.

ON A PRIS N

=

20 ET LA PROBABILITÉ DE PRÉSENCE DE 0,75.

LES VALEURS EXPÉRIMENTALES FIGURENT DASN LA DERNIÈRE COLONNE.

(7)

670

25 MeV coïncide avec la valeur expérimentale.

Nous avons préféré comparer pour des énergies de plus de 25 MeV pour éviter une incertitude dans la région 20-25 MeV qui pourrait provenir du

choix de la barrière de potentiel.

Pour W

=

0 et W

=

5 la valeur de la proba-

bilité de présence trouvée est supérieure à 1. Les énergies cinétiques qui semblent le mieux convenir

aux trois énergies incidentes se situent entre 10 et 15 MeV. Il s’agit de valeurs moyennes, la distri- bution des moments des oc n’étant pas accessible par cette méthode.

Cependant la comparaison entre les spectres expérimentaux et calculés, est nécessaire pour faire un choix définitif. On peut voir sur les figures 3 et 4, que les allures des spectres coïn- cident le mieux pour W

=

10 MeV. Dans ces con- ditions, la valeur de P est déterminée entre 7 et 8.

On peut donc choisir une probabilité de présence co

de 0,75 si N

=

20.

Le tableau 1 montre les valeurs de sections effi-

caces totales de particules oc de plus de 25 MeV

calculées ainsi. L’accord est excellent pour W = 10.

Dans ces conditions, on peut voir sur la figure 3

que les spectres expérimentaux et calculés se superposent pour des énergies comprises entre 21

et 50 MeV. Au delà de 50 MeV, la proportion de particules a diffusées est faible, comme on pouvait

d’ailleurs le prévoir qualitativement en considé-

dérant la décroissance rapide de la section efficace de diffusion élastique lorsque l’énergie croît. Cepen-

dant, il semble qu’une traîne de particules oc de grande énergie subsiste sur les spectres expéri-

mentaux. Si l’on ne peut distinguer de différence

FIG. 4.

-

Spectres

a

en coordonnées semi-logarithmiques.

l.es rectangles hachurés correspondent aux valeurs expérimentales, compte tenu de l’estimation des erreurs.

Énergies incidentes : a) 82 MeV ; bj 155 MeV ; c) 420 MeV.

(8)

671 entre calcul et expérience pour des protons inci-

dents de 82 MeV, celle-ci apparaît assez nettement

pour 150 MeV et devient importante et au delà de

toute marge d’incertit,ude à 420 MeV. Les spectres

tracés en coordonnées semi-logarithmique (fig. 4)

font apparaître très nettement ces particules oc que

nous ne pouvons expliquer, ni par le knock-out direct (protons incidents sur hélions), ni par le knock-out indirect.

Pour l’énergie incidente de 420 MeV, on pourrait

penser que les isotopes de l’astate que nous avons trouvés ne sont pas dus à des réactions secon- daires (a, xn), mais à des réactions secondaires

(7t+, -a-). Cependant, d’après les valeurs connues

de la section efficace de production de pions 7t+ et

de la section efficace (7t+, 7t-), on peut estimer que

ce type de réactions secondaires est au plus égal

au 1/100 de celles produites par les «,

De même on peut écarter les réactions (p, x- xn).

Une hypothèse qui semble plus difficile à écarter

est celle d’un pick-up multiple soit par des protons incidents, soit par les nucléons de cascade. Ce pick-

up conduirait alors à 3H, eHe et 4He et la pro-

portion He3/He4 deviendrait importante. Des indi-

cations dans ce sens ont été trouvées par Génin et al [13].

Dans ces conditions, la méthode même de tracé

des spectres expérimentaux serait erronée puisque

d’une part les particules lHe ou 4He pourraient disposer de la presque totalité de l’énergie du

nucléon (aux énergies de liaison près des nucléons

capturés dans le noyau et dans la particule formée),

et le spectre s’étendrait jusqu’à l’énergie maxi-

mum, d’autre part les isotopes attribués à une

réaction (4He, xn) pourraient être dus en partie à (3He (x

-

I)n). L’élucidation de la nature exacte de ce désaccord et la mise en évidence du pro-

cessus qui donne naissance aux isotopes légers (206, 207) de l’astate nécessite des expériences au

cours desquelles on pourra distinguer 4He et 3He.

On remarquera en conclusion qu’il s’agit cepen-

dant d’un phénomène de faible importance par rapport au knock-out, et que les expériences utili-

sant les émulsions nucléaires n’ont pu le mettre en évidence.

Il nous semble que les travaux que nous venons

d’exposer montrent clairement que l’existence de sous-structures alpha en périphérie des noyaux lourds paraît très probable. Ils confirment les con-

clusions des travaux effectués par Igo et al [14] à

915 MeV pour la réaction (oc, 2a) sur Pb, Bi et U.

Nous devons cependant faire participer à l’orga-

nisation en hélions une couche plus épaisse. Ces

hélions disposent obligatoirement de quantités de

mouvement et la valeur moyenne 10 MeV peut

être avancée. L’existence de ces sous-structures

alpha avec une probabilité de 0,75 est concevable

dans la mesure où le modèle de noyau à bord diffus est accepté. La diminution de la densité moyenne

de la matière nucléaire s’expliquerait par une orga- nisation en hélions, lorsque les nucléons ne sont

plus dans le coeur du noyau.

Les calculs ont été exécutés avec les ordinateurs 704 et 7094 de la société IBM. Nous sommes rede- vables au C. N. R. S. de nous avoir permis l’accès

du Centre de Calcul Blaise Pascal.

Mlle Samaran nous a rendu de grands services au

cours de la programmation et de l’assemblage. Nous

l’en remercions vivement.

Nous sommes très reconnaissants aux Profes-

seurs G. Friedlander et J. M. Miller qui ont discuté

certains aspects de ce travail.

Manuscrit reçu le 4 mai 1963.

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Références

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