Quelques anomalies liées à la conversion interne des rayons γ

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Quelques anomalies liées à la conversion interne des

rayons γ

M. Frilley, J. Surugue, San-Tsiang Tsien

To cite this version:

M. Frilley, J. Surugue, San-Tsiang Tsien. Quelques anomalies liées à la conversion interne des rayons

QUELQUES

ANOMALIES

LIÉES

A LA CONVERSION INTERNE DES

_{RAYONS 03B3}

Par M. FRILLEY, J. SURUGUE et TSIEN SAN-TSIANG.

Sommaire. 2014 On examine

un certain nombre de cas où les mesures d’intensité de photons 03B3 et d’élec-trons secondaires émis par les radioéléments naturels concordent mal avec la théorie du phénomène

de conversion interne. On souligne en _{particulier que, pour quelques} rares _{rayonnements,} la conversion interne est très inférieure aux _{prévisions théoriques, généralement} en accord avec _{l’expérience.}

Quelques difficultés résultant de l’étude des rayonnements X en relation avec _{l’émission 03B3} sont

également mises en évidence.

Introduction. - Les

_{rayonnements y}

_qui

_prennent

naissance au cours de la

_plupart

des transformations

radioactives

_peuvent

se manifester hors de

_l’atome,

soit sous forme de

photons,

soit sous forme

d’élec-trons secondaires.

_L’énergie

du

_rayonnement

est

transférée,

dans ce second cas, à l’un des électrons entourant _{le noyau. La}

_probabilité

de ce mécanisme

dépend

de

_l’énergie

du

_rayonnement,

du numéro

atomique

de

l’élément,

de la couche

électronique

à

laquelle appartenait

l’électron arraché et de la

symétrie

du

_rayonnement

considéré,

quand

on

regarde

le noyau émetteur comme un oscillateur

électrique

ou

_magnétique

di ou

_{multipolaire.}

On définit le coefficient de conversion interne

comme le

_rapport

de la

_probabilité

d’émission d’un électron à la

_probabilité

d’émission d’un

_photon.

Il

_peut

se calculer

_{théoriquement}

et l’on a tracé des courbes donnant sa valeur en fonction de

l’énergie

du

_{rayonnement y}

_[1].

Expérimentalement, plusieurs

méthodes se

pré-sentent _{pour l’étude} des _{rayons y}

émis,

essentiel-lement : diffraction

cristalline,

_absorption

sélective par des écrans

convenables,

photoélectrons

étudiés à la chambre de Wilson ou _par

_{spectrographie}

magnétique, comparaison

avec la structure fine des rayons a.

Certaines de ces méthodes donnent des mesures

relatives d’intensité et d’autres des mesures

absolues,

de sorte que l’on

peut

connaître,

avec une

_précision

plus

ou moins

bonne,

le nombre de

_photons

émis

par

désintégration

pour un

_grand

nombre de rayon-nements _y

_{[z r ].}

Les électrons de conversion interne sont

acces-sibles surtout _par la

_{spectrographie magnétique}

et aussi par la chamhre de Wilson.

On

_peut

donc,

par

recoupement

de ces diverses

méthodes,

arriver à une valeur au moins

approxi-mative des coefficients de conversion interne. La

comparaison

avec les calculs

_théoriques

conduit à considérer le

_plus

_grand

_{nombre de rayons v}

comme _{émis par} un oscillateur

_électrique

quadri-polaire.

La

_plupart

des coefficients

_{expérimentaux}

se

_rangent,

en

_effet,

au

_voisinage

des courbes

corres-pondantes,

et nous _{dirons que, dans la}

_majeure

partie

des cas, les coefficients de conversion interne sont normaux.

Néanmoins,

certains

_rayonnements

_y se

_présentent

différemment et

_peuvent

ainsi être considérés comme

anormaux, le nombre d’électrons secondaires, étant inférieur ou

_supérieur

au résultat des calculs théo-riques.

L’étude des

_spectres

de rayons X

qui

accompagnent

l’émission des électrons de conversion interne

_permet

encore un

_recoupement

avec les déterminations

d’intensité des électrons

secondaires,

puisque

l’arra-chement d’un électron d’une couche déterminée est

suivi d’un

_{réarrangement}

de l’atome

_{s’accompagnant}

de l’émission de _rayons X.

Conversion interne anormalement élevée.

-On connait

_{depuis longtemps,}

en radioactivité

naturelle,

des

_rayonnements

dont la conversion interne est

_{considérable,}

c’est le cas des

_rayonnements

de

1,415

MeV de RaC et de

_4o

ekV de

ThC,

donnant tous deux de fortes raies

d’électrons

de

conversion,

alors _que le

_premier

ne fournit _pas de

_{photoélectrons}

dans un radiateur extérieur

_[2]

et _{que le second}

n’apparaît

pas dans le

spectre

de diffraction cristal-line

_[31.

C’est aussi le cas d’un nombre relativement

grand

de

_rayonnements

_y de la famille de

l’actinium,

identifiés par leurs raies de conversion

_[!~];

en

parti-culier,

149,2

ekV,

60,6 ekV et 53 ekV de

RdAc,

~et

_{I I6,2}

ekV de

AcX,

qui

n’ont pas été décelés par diffraction

_[5],

bien _{que la} sensibilité de la méthode soit bonne dans ce domaine

_{d’énergie.}

Le même

_phénomène

s’observe

_fréquemment

avec des _noyaux

légers,

_pour les _{corps radioactifs}

artificiels,

et son

_explication

est relativement

_simple.

D’une

_part,

le coefficient de conversion interne croît très vite avec le

_degré

de

multiplicité

du

rayon-nement,

et,

d’autre

_part,

l’émission de certains

rayonnements

électromagnétiques

peut

être

351

quement

interdite,

spécialement

pour des transitions

correspondant

à une faible différence de moment

angulaire [6].

On se trouve alors dans le cas où seuls sont

_permis

des

_rayonnements

_{multipolaires}

d’ordre élevé à

_grande

conversion

interne,

et même où

_l’énergie

d’excitation est transmise en totalité

aux électrons

_{périphériques,}

sans

_apparaître

sous forme de

_rayonnement

_y.

Conversion interne anormalement faible.

-Les

_spectres

de diffraction ont révélé

_plus

récemment l’existence du

_phénomène

inverse. Certaines raies _y

apparaissent

comme très intenses et ne donnent lieu

_qu’à

des émissions très faibles ou même non décelables d’électrons secondaires. Ce

_phénomène

ne s’est encore

_présenté

_{nettement que dans} la famille de

_{l’actinium,}

_pour le

_rayonnement

de 5o ekV

présentant

une

_grande

intensité _par diffraction

cristalline,

mais dont les raies de conversion sont tout à fait faibles

_{r 5].}

Nous nous sommes

_{particulièrement}

attachés au cas du

_rayonnement

de 5o

ekV,

parce que les

coeffi-cients de conversion interne varient en sens inverse

de

_l’énergie

et _{que l’anomalie} est donc surtout

marquée

pour celui-ci.

D’après

les

_expériences

de diffraction

cristalline,

ce

_rayonnement

de 5o ekV

est,

de

loin,

le

_plus

intense dans ce domaine

_d’énergie

et l’intensité

mesurée,

soit o,03

photon

par

_{désintégration [7],}

peut

lui

être totalement affectée.

En ce

_qui

concerne l’intensité des électrons

secon-daires,

nous avons fait des mesures dans toute la

région

avoisinant les raies

_{correspondantes,}

en

uti-lisant deux méthodes différentes. En

_premier

lieu,

deux raies

intenses,

d’énergie

41,6

et

_{45,6 ekV,}

~

ont été mesurées en valeur absolue au _{moyen d’un}

dispositif qui

sera

_{publié prochainement.}

C’est un

spectrographe

magnétique

comportant

comme

récep-teur un

_cylindre

de

_Faraday

relié à un électromètre

Hoffmann. En second

_lieu,

_plusieurs

clichés ont été examinés au

_{microphotomètre enregistreur}

_pour déterminer les intensités relatives des autres raies. De ces mesures ont été déduits les nombres d’électrons de conversion émis par

désintégration

pour chacune des raies.

Pour le

_rayonnement

_{y de 5o}

ekV,

on _trouve, comme coefficient de conversion interne

(rap-. N électrons B , , . i .

r

électrons)

la leur 10-’ r le ive

port

.. - .20132013

la

valeur 7. 1 o-1

pour le niveau

L,,

p

N photons ’

va . pou n au

Ll,

très inférieure à la valeur normale

_qui

serait 200 à 30o fois

_plus

_grande.

L’un de nous avait mentionné un _autre

rayon-nement y

anormal,

de

₂₄₀

ekV

_[5],

mais nous n’avons

pas de données

_numériques

suffisantes à son

_sujet

et des raies du

_spectre

de conversion du radio-actinium _{ont pu} lui être attribuées

_{[8] ; de, sorte}

_que, s’il existe une

anomalie,

elle est certainement

beau-coup moins

grande

que celle du

_rayonnement

de 5o ekV.

Les

_{rayonnements ;}

de très basse

_fréquence

de Ra D semblent bien

_{présenter également}

une anomalie du même _genre. Leurs

_énergies

ont été mesurées _par diffraction cristalline

_[g]

et _{par les}

_{photoélectrons}

[10, z 5]

et leurs intensités au _moyen d’une chambre d’ionisation à xénon

_{rI 1] :}

Énergies

(en

ekV).

q6. 7 43 3~ 32 23,2 ;,3

Intensités _(en

pho-tons _{pour 100}

dé-sintégrations)...

2.5 0.? 0.2 o,fÍ. I,o 10

auxquels

il faut

_ajouter

deux raies faibles de 18 et

_{19 ekv}

_[I2].

Le nombre d’électrons de conversion du rayon-nement de

_46,~

ekV,

mesuré en valeur absolue au

moyen d’un

cylindre

de

Faraday [i3], indique

un

coefficient de conversion

normal,

en

_supposant

le

rayonnement

quadripolaire.

Pour les autres

_{rayonnements y}

plus

mous, on n’a

que des informations d’ensemble. Le nombre

global

d’électrons de

_conversion,

déterminé à la chambre de Wilson à basse

_pression

_{[ 14 J,}

est de l’ordre de 0,01

par

désintégration,

alors

qu’on

devrait

s’attendre,

d’après

les valeurs d’intensités de

_photons,

à 10 ou

20 fois

_plus.

En faisant la

_part

des erreurs

expéri-mentales,

il semble bien

_qu’il

_y ait donc là un

phénomène

de conversion interne anormalement faible.

Différences

_d’énergie

entre niveaux

électro-niques.

~--i

Lorsque

le

_phénomène

de conversion

interne a

_privé

une couche

_{électronique}

d’un

élec-tron,

le

_{réarrangement}

_qui

s’ensuit a _{pour effet de}

produire

un

_rayonnement

X;

on retrouve effecti-vement _{par diffraction cristalline les}

_longueurs

d’onde

habituelles,

émises dans les

_spectres

ordi-naires de rayons X ou

_interpolées

à

_partir

des

spectres

d’éléments voisins.

Par

_contre,

il semble exister une différence

systé-matique

si l’on considère les électrons secondaires des raies

_K,,

et

_{KY.9 :}

les différences

_d’énergie

entre

les électrons secondaires sont

_toujours

_supérieures

aux différences

_d’énergie

des _rayons X

_[i4L

soit,

en _moyenne,

3,o

au lieu de _~,3 ekV.

_Malgré

la

préci-sion limitée de ces mesures, les écarts individuels sont

_petits

et le sens de la différence est en tous cas

constant et

_paraît

bien

_{systématique.}

Cette différence est

_{trop grande}

_pour être due à des ionisations

_multiples

affectant

_l’énergie

des niveaux et aucune

_explication

n’en a encore été

donnée,

à notre connaissance.

Anomalies d’intensité des

_spectres

X de Ra D.

- En

ce

_qui

concerne les

intensités,

les examens de

352

Un

_premier

fait

_surprenant

est la

_présence

de la série de raies K de Ra D

_{(o,1 photon}

_pour 100

désin-tégrations),

puisqu’on

n’a trouvé aucun

rayonne-ment ; d’énergie supérieure

à

_~6,7

ekV

_[g,

_II].

Il semble bien

_qu’une

seule

_hypothèse

soit à

retenir,

celle d’un

_rayonnement

_~’

_d’énergie

très _peu

supé-rieure à celle du niveau K

₍₈₈

_ekV),

entièrement converti et donnant des électrons secondaires de très faible

_{énergie, interprétation qui s’impose}

égale-ment pour l’émission consécutiB e à la transforma-tion Ac X « An

_[5].

En ce

_qui

concerne la série

L,

on trouve

_qu’à

l’intérieur du

_spectre;

les raies

Ll

et

_LUI

sont

comparativement plus

intenses que dans le

spectre

X ordinaire par

rapport

à la raie _Li

_[17].

Cela

_pourrait

être

_expliqué

_{quantitativement}

_par l’existence d’un

nouveau

_type

d’effet

_Auger,

avec transitions

internes

LUI

[18].

D’autre

_part,

on

_trouve,

_pour l’ensemble des

raies,

l’intensité relativement très

_grande

de _o,3

_photon

par

désintégration

[11, 16j, qui

conduit,

compte

tenu du rendement de

fluorescence,

à une

proba-bilité d’excitation d’environ i, alors que celle

qui

résulte des électrons secondaires est seulement

la fois

_plus

faible.

Cette anomalie nous conduit à _supposer

_qu’il

doit exister une interaction directe des

_{rayons ~}

nucléaires de faible

_énergie,

_peu

_supérieure

à celle des diffé-rentes couches

~,

et

_provoquant

des arrachements

d’électrons de ces dernières sans intervention de

rayonnements

électromagnétiques.

Ce

_pourrait

d’au-tant

_plus

être le cas _{ici que les rayons i de Ra D}

sont très faibles en

_énergie

et en intensité.

Cette

_{hypothèse pourrait}

aussi rendre

_compte

d’une anomalie

_analogue

rencontrée avec Ac

_[ig].

Conclusion. ---- Les anomalies

que nous avons

indiquées

pour le

phénomène

de conversion

interne,

spécialement

le cas de coefficients très

réduits,

ne

_peuvent

trouver

_{d’explication théorique}

et

nécessitent,

de ce

_fait,

un

_{réajustement}

de la théorie. Sans aucun

_doute,

des cas

_analogues

se

_{présenteront}

lors de l’étude

_quantitative

des

_rayonnements

des corps radioactifs artificiels et

_permettront

_peut-être

d’éclaircir la

_question.

Les difficultés rencontrées dans la

_comparaison

des différentes méthodes de recherche avec les

spectres

de _{rayons X} donnent _{à penser que l’étude} des

_rayonnements

de faible

_énergie

doit conduire à des résultats intéressants. Ce domaine a encore été relativement peu

exploré jusqu’ici

en raison de la

complexité qui

résulte de la

_{superposition}

des rayons "’( mous et des _{rayons X.}

Ces discussions ont été

_exposées

au

_Congrès

de

Physique

tenu en

_{septembre 1945}

à l’Université de

Bristol

_{(Angleterre) [20].}

Manuscrit reçu le 22 _janvier

BIBLIOGRAPHIE.

[1] FISK, Proc. _{Roy. Soc., A, 143,} p. 674. 2014

HULME, MOTT, OPPENHEIMER et TAYLOR, Proc. _{Roy. Soc., A, 155,}

p. 315.

[2] J. THIBAUD, Ann. de _{Physique, 1946, 5, p. 73.}

[3] M. VALADARÈS, Ibid., 1934, 2, p. 197.

[4] J. SURUGUE, Ibid., 1937, 8, p. 484. [5] M. FRILLEY, J. de Physique, 1940, 1, p. 34. [6] J. SURUGUE, Ibid., 1942, 3, p. 71.

[7] TSIEN SAN TSIANG, Ibid., 1942, 3, p. 1.

[8] J. _{SURUGUE, Ibid., 1938, 9,} p. 439. [9] M. FRILLEY, C. R. Acad. _{Sc., 1944, 218,}

p. 505.

[10] TSIEN SAN TSIANG et C. MARTY, C. R. Acad. Sc., 1945, 220, p. 688.

[11] TSIEN SAN _TSIANG, C. R. Acad. _{Sc., 1944, 218, p. 503.}

[12] L. SALGUIERO, Thèse, Lisbonne, _1945.

[13]

OUANG TE _TCHAO, J. SURUGUE et TSIEN SAN

_TSIANG

C. R. Acad. Sc., 1943, 217, p. 535.

[14] H. RICHARDSON et A. LEIGH-SMITH, Proc. Roy. Soc., 1937, 160, p. 454.

[15] R. _ARNOULT, Ann. de _{Physique, 1939, 3,} p. 1.

[16] TSIEN SAN TSIANG et C. _MARTY, C. R. Acad. _{Sc., 1945,}

221, p. 177.

[17] M. FRILLEY et TSIEN SAN TSIANG, Ibid., 1945, 220, p. 144.

[18] COSTER et _{KRONIG, Physica, 1935, 15, p. 13.} - M.

VALA-DARÈS, communication _privée.

[19] M. LECOIN, M. PEREY et TSIEN SAN TSIANG, C. R.. Acad. Sc., 1943, 217, p. 146; Cahiers de Physique,

1944, 26, p. 10.

[20] Nature, 1945, 156, p. 543.