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Étude de la collision élastique d-4He par la méthode des groupes de résonance

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(1)

HAL Id: jpa-00206665

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00206665

Submitted on 1 Jan 1968

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Étude de la collision élastique d-4He par la méthode des groupes de résonance

W. Laskar, R. Le Maitre

To cite this version:

W. Laskar, R. Le Maitre. Étude de la collision élastique d-4He par la méthode des groupes de résonance. Journal de Physique, 1968, 29 (5-6), pp.409-418. �10.1051/jphys:01968002905-6040900�.

�jpa-00206665�

(2)

409.

ÉTUDE

DE LA

COLLISION ÉLASTIQUE

D-4He

PAR LA

MÉTHODE

DES GROUPES DE

RÉSONANCE

Par W. LASKAR et R. LE MAITRE

(1),

Centre de Physique Théorique, Faculté des Sciences de Nantes.

(Reçu

le 6 novembye

1967.)

Résumé. 2014 La collision

élastique

D-4He a été étudiée pour des

énergies

du deutéron incident

Ed(Lab)

= 0,2 ; 0,933 ; 1,053 ; 1,073 ; ;1,093 ; 3 et 10,3 MeV. Le

potentiel

d’interaction nucléon- nucléon est un

potentiel

central

gaussien

avec forces

d’échange.

L’étude a

porté

sur trois

types

de forces

(Serber,

WMBH,

Biel)

et

permet

de retrouver l’ordre de

grandeur

et la forme

des distributions

angulaires,

en

particulier

la résonance dans l = 2 pour

Ed(Lab)

= 1,07 MeV

qui correspond

au niveau excité de 2,19 MeV

( J

= 3+, T =

0)

du 6Li.

Abstract. 2014 The elastic

scattering

D-4He has been studied for

énergies Ed(Lab)

= 0.2, 0.933, 1.053, 1.073, 1.093, 3 and 10.3 MeV of the incident deuteron. The

potential

used is

a two

body

central interaction with

exchange dependence

and

gaussian shape.

Serber, WMBH and Biel

types

of

exchange

have been

investigated.

Numerical results have been obtained and

agreement is found in the

shape

and order of

magnitude

for

angular

distributions, and also the

résonance for l = 2 and

Ed(Lab)

= 1.07 MeV

corresponding

to the first excited level of 6Li

(J

= 3+, T =

0)

at 2.19 MeV.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE TOME 29, MAI-JUIN 1968,

I. Introduction. - La forme

générale

du modele

considere ici

(structure

en groupes de

resonance)

a

ete

expos6e

dans un article fondamental

[1]

par

J.

A. Wheeler en 1937. Dans cette

th6orie,

on considere

qu’au

moment de la collision du noyau

projectile

avec

le

noyau-cible

il y aurait formation d’un noyau inter- m6diaire dont tout 6tat peut 8tre considere comme la

superposition

de groupes de nucl6ons continuellement bris6s et reform6s de maniere

différente, 1’6change

des

nucl6ons entre les groupes 6tant

responsable

des forces

de liaison.

En vue de rendre les calculs

r6alisables,

on ne

consid6re que deux groupes, et la distance r entre

leurs centres de

gravite

est la variable

principale

du

probleme. Apres

un

6change

de nucl6ons entre les deux groupes, r devient r’.

Dans le cas

particulier

de la collision

D-4He, on

est

ainsi conduit a

distinguer

deux sortes

d’6changes, simples

et doubles. On

peut

montrer que,

quel

que soit le type

d’interaction,

on obtient une

equation intégro-différentielle

de la forme :

en

d6signant

par

F(r)

la fonction de diffusion.

Le

principe

de conservation de

1’energie

entraine

que :

II. Le

potentiel

d’interaction nucleon-nucleon et les fonctions d’onde des noyaux. - A. LE POTENTIEL

D’ECHANGE NUCLEON-NUCLEON. - Les notations utili- s6es sont celles de

Buckingham

et

Massey [2].

L’in-

teraction nucléon-nucléon est

suppos6e purement

cen- trale et de la forme :

ou :

et :

Wij

est

l’op6rateur

identite de

Wigner, Mij, Bij, Hij

sont les

op6rateurs

usuels de

Majorana, Bartlett, Heisenberg, qui 6changent respectivement

les coor-

donn6es

d’espace,

de

spin, d’espace

et de

spin

des

deux nucléons i

et j.

Ces

opérateurs

sont tels que :

D’apres

le

principe

d’exclusion de

Pauli,

la fonction

d’onde totale doit être

completement antisym6trique

par

rapport

aux coordonn6es

d’espace,

de

spin

et de

spin isotopique;

en

d6signant

par :

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01968002905-6040900

(3)

l’op6rateur qui 6change

les

spins isotopiques

des deux

nucl6ons i

et j,

on obtient :

d’où l’on tire :

comme :

on en deduit ais6ment :

Les constantes w, m,

b,

h determinent

l’importance

relative de

chaque type d’6change,

elles sont choisies

en fonction des differentes theories des forces nucl6aires

et satisfont a : :

x =

0,6

est le

rapport

des interactions

singlet

1S et

triplet

3S

(Motz

et

Schwinger, 1940).

La resolution de

1’6quation

a ete effectuee en consi- d6rant successivement trois

types

de forces :

1)

Forces

empiriques

de Serber :

2)

Forces

sym6triques

WMBH :

3)

Forces de Biel :

Ce

melange

d’interaction Serber et WMBH a donne de bons resultats pour

1’energie

de liaison des

premiers

noyaux du

type

4n et la collision oc-cx.

Le fait que le deut6ron

possede

un moment

quadru- polaire implique

que la force n’est pas purement

centrale,

mais

1’hypothese

d’une force centrale comme

premiere approximation

permet d’obtenir des resul-

tats

pr6liminaires

dans un delai

raisonnable,

en consi-

d6rant le

spin

total S du

systeme

et le moment orbital l

comme de bons nombres

quantiques.

D’autre part, du fait que le

spin

total ne

prend

ici

qu’une

seule

valeur,

on aura une seule

equation

a 6tudier

[3].

Le

potentiel

utilise ici est un

potentiel

central

gaussien :

avec :

MeV, profondeur

du

puits

cm,

port6e

des forces.

Cette

port6e

po est

sup6rieure

a la normale et permet de tenir

compte,

dans une certaine mesure, des forces

non centrales.

Rappelons

en outre que, aux basses

energies,

les resultats ne

dependent

que de la

profon-

deur et de la

portee

du

puits,

et sont

independants

de

sa forme

(formule

de Blatt et

Jackson).

B. FONCTIONS D’ESSAI ET PRINCIPE VARIATIONNEL. -

En

d6signant

par T

l’op6rateur d’6nergie cin6tique,

l’hamiltonien s’6crit :

les fonctions d’onde pour les noyaux dans leur 6tat fondamental sont les solutions exactes de

1’6quation

de

Schrodinger :

E

d6signant 1’energie

de liaison

correspondante.

Comme il est

impossible

de resoudre cette

equation

en utilisant un

potentiel gaussien,

et

d’exprimer

les

fonctions propres sous forme

analytique,

on choisit

une fonction d’essai pour la

partie d’espace.

La fonction d’onde totale 6tant

completement

anti-

sym6trique,

on

peut

choisir une fonction

d’espace sym6trique

par

rapport

aux

permutations

des nu-

cl6ons. En

effet,

le

produit

des

parties

de

spin

et de

spin isotopique

peut 6tre

antisym6tris6

pour un nombre de nucl6ons inferieur ou

6gal

a 4

[3].

Parmi cette

classe de

fonctions,

une forme

gaussienne

a ete

adoptee :

- pour le deut6ron :

- pour le noyau 4He :

ou

ND

et

N ex d6signent

les facteurs de normalisation

correspondants. (x, P,

X et c sont des

parametres

dont

les valeurs

num6riques

ont ete calcul6es

[3].

Ils sont determines par la m6thode variationnelle de

façon

que :

pour des variations

aXi arbitraires, Ài d6signant

ici l’un

quelconque

des

parametres

ci-dessus et

1’energie

de liaison

correspondante.

(4)

411

On sait que la valeur moyenne

Emin

ainsi obtenue

est une limite

sup6rieure

pour

1’energie

de liaison E

et v6rifie

1’equation :

Cette

equation integrale,

satisfaite par la fonction d’onde

nucl6aire,

est utilis6e par la suite pour

simplifier 1’6quation

de la collision.

Dans la collision

D-4He,

on 6tudie la collision de deux groupes de

particules D(56)-4He(1234).

En utilisant le

changement

de variable

indique

dans

[3],

on

peut

écrire successivement :

1’energie

de liaison de 4He s’obtient en faisant A = 4 dans

1’6quation (41)

de

[3]

que nous

reproduisons

ici :

avec les valeurs

indiqu6es

dans

[3]

pour les divers

parametres,

on trouve :

les constantes du deut6ron 6tant

toujours

celles utili- s6es dans les

precedents probl6mes

D-D

[4]

et

D-T [5].

III. La fonction d’onde totale et

l’équation

de la collision. - En

d6signant

les protons par des nombres

pairs

et les neutrons par des nombres

impairs,

une

fonction d’onde de

sym6trie

correcte

qui

traduit la

structure en groupes de resonance de

J.

A. Wheeler du

systeme (56, 1234)

s’6crit

[3] :

-

p(56)

et

y(1234) d6signant respectivement

les

fonctions d’onde

gaussiennes,

double pour le deu-

t6ron, simple

pour le noyau

4 He ;

-

F(56, 1234)

est la fonction de diffusion du

systeme qui

sera d6termin6e par la m6thode

classique

des

ondes

partielles

d6crite dans Mott et

Massey [9]

et

Pi,

un

op6rateur d’6change

du

type Heisenberg;

-

G(56, 1234)

est la fonction de

spin

du

systeme.

Comme dans le cas d’un faisceau incident non

polarise

la section efficace est

ind6pendante

de m,

on a utilise la fonction de

spin :

La m6thode

g6n6rale

pour d6duire

1’6quation

de

la collision a

partir

du

principe

variationnel est d6crite dans l’article fondamental

de J.

A. Wheeler

[1].

Cette m6thode variationnelle conduit a

l’int6gration

sur des variables internes et 1’element différentiel de volume

appropri6

est :

La variable de base est la variable de

separation intergroupes :

l’op6rateur Pij remplace

ensuite r par r’.

Pour le ler

type d’échange (Simple I’)

:

et pour le 2e

type d’échange (Double II) :

Parmi les 15 interactions a

considérer,

il y a 8

6changes

du 1 er

type

et 6 du 2e type.

Les noyaux

correspondants

seront

désignés

suivant

les notations utilis6es

pr6c6demment [3].

On posera en outre :

ou

Emin(D)

et

Emin(a.) d6signent respectivement

1’ener-

gie

de liaison du deut6ron et du noyau

4 He,

et

Ed 1’6nergie cin6tique

du deut6ron incident dans le sys- t6me du centre de masse. D’autre

part :

avec :

N

d6signera

le noyau issu du

produit

des fonctions d’onde avec et sans

échange.

Apres prémultiplication

par les fonctions cp et 6

appropri6es,

sommation sur les

spins

et

integration

sur les variables

internes,

et en utilisant

1’equation

integrale :

(5)

satisfaite par chacune des fonctions d’onde nucl6aires pour

simplifier 1’6quation

de la

collision,

on obtient

[3]

1’equation intégro-différentieHe

du

probleme

sous la forme :

Dans cette

equation,

les

jacobiens J’

et

JII

sont

inclus dans les noyaux. Les coefficients d’interaction du type

(cow

+ ym +

Pb

+

th)

sont obtenus a

partir

des

propri6t6s

de

sym6trie

de l’hamiltonien et de la fonction

d’onde, apres

avoir effectu6 correctement tous

les

6changes, simples

et doubles.

L’intégration

sur les variables

angulaires

est effec-

tu6e de

faqon classique

en posant :

0

d6signant l’angle

de diffusion dans le

systeme

r . r’

du centre de masse

et u = rr,

= cos

0,

ou 0 est

1’angle

entre les vecteurs r et r’.

On obtient ainsi une

equation intégro-différentielle

pour

chaque

valeur de

1’energie

et pour

chaque

valeur

de I sous la forme reduite :

U(r) d6signe

la combinaison lin6aire

appropri6e

des

termes directs nucl6aires et coulombiens. Le noyau

Kl (r, r’)

est la somme de la combinaison lin6aire ind6-

pendante

de

l’énergie

et de termes

dependant

de

l’énergie.

IV. La formulation

gaussienne

des différents termes.

- A. LE TERME DE POTENTIEL DIRECT. -

Compte

tenu de la

propriété

des fonctions d’onde :

il ne subsiste que des interactions nucl6aires du type V15 ou coulombiennes du type

v62.

On obtient alors successivement pour ces interac- tions :

Cette derniere

int6grale

est calcul6e

num6riquement

par une m6thode

appropri6e :

formule de Gauss a 6

points

par

exemple.

B. LES NOYAUX DU TYPE NUCLEAIRE. - En utilisant pour les noyaux le

d6veloppement

en

harmoniques sph6riques

6crit

precedemment,

on a :

D’autre

part,

si on considere le

d6veloppement

bien

connu :

en posant kr = ix et

compte

tenu de la

propriété :

(6)

413

on en tire aisement :

en définissant la fonction de Bessel

hyperbolique sph6rique :

Les deux

premi6res

fonctions sont :

Les suivantes sont obtenues par la relation de r6currence :

Pour certains noyaux, il est int6ressant d’utiliser les relations de

parit6 :

ainsi que la relation entre fonctions et d6riv6es :

Ce

qui fournit,

pour les noyaux du type

nucl6aire,

95

expressions

de la forme :

les coefficients

correspondants

sont donnes dans le tableau III

(r6f. [3],

tableau AA pour A =

4).

C. LES NOYAUX DU TYPE COULOMBIEN. - La

prin- cipale

difficult6

provient

du noyau

(1/15),,

mais des

développements appropri6s

ont ete donnes

pr6c6dem-

ment

[3], qui permettent

d’écrire ce type de noyau sous la forme

g6n6rale :

ou

cpk(r, r’)

est un

polynome

en r et r’ et

B(l)

un d6ve-

loppement

sur les fonctions de Bessel

hyperboliques sph6riques.

En

posant

ces

d6velop-

pements s’6crivent :

On peut

egalement

ramener ce

type

de noyau a des sommes

d’expression

de la forme :

où I> est la fonction erreur :

les coefficients

correspondants

sont donnes dans le tableau III.

V. Solution de

l’équation

et calcul des sections eflicaces. -

L’équation intégro-différentielle

a r6sou-

dre s’6crit donc :

En utilisant la m6thode

classique

des differences finies pour les d6riv6es et la formule de

Gregory

pour les

(7)

int6grales [10],

on ramene cette

equation

a un sys- t6me lin6aire ordinaire :

ou les inconnues

f.

sont les valeurs de

fl(r)

aux

points rn

consid6r6s.

La forme

asymptotique

de la solution s’écrit :

ou :

mi = arg

r(l

+ 1 +

in)

est la

phase

coulombienne

avec :

Les conditions

impos6es

aux solutions sont en outre :

La resolution

num6rique

de

1’6quation

a ete effec-

tu6e entierement sur 1’IBM 1130 du Service de M. Brulez aux Chantiers de

l’Atlantique

a Saint-

Nazaire.

Les noyaux ont ete tabul6s pour 40

points

avec un

pas H =

0,4.

La tabulation a ete effectu6e pour les trois valeurs de I et les resultats

num6riques enregistr6s

simultan6ment sur

disque

et sur bande

perfor6e.

Les différentes combinaisons lin6aires

(Serber, WMBH, Biel)

ont ete ensuite constituées a

partir

de ces

enregistrements

pour I =

0,

1 = 1 et 1 =

2, puis

enfin les combinaisons lin6aires définitives

dependant

de

1’energie, qui

permettent de r6soudre

1’6quation.

Cette

equation

est ensuite r6solue

num6riquement

par une m6thode

type Gauss-Jordan

pour une

energie donn6e,

pour trois

types

de forces et trois valeurs de

l,

une fois constitués les coefficients

Bmn

a

partir

du

terme direct total et de la combinaison lin6aire des noyaux

dependant

de

1’energie.

Il ne reste

plus qu’a

determiner les

phases

coulom-

biennes mi et, une fois les fonctions coulombiennes

r6guli6res

et

irrégulières

tabul6es par une methode

appropri6e,

on determine imm6diatement les

phases

nucl6aires

S.

La table des fonctions coulombiennes

r6guli6res

et

irr6guli6res

et de leurs d6riv6es est

disponible

au

Laboratoire de

Physique Th6orique

de la Faculte des Sciences de

Nantes,

chez les auteurs.

En fin de programme, on utilise les formules clas-

siques

donnees par Mott et

Massey [9]

pour calculer les distributions

angulaires.

Dans le tableau

I,

on donne une

correspondance

entre la valeur de k et celle de

1’energie Ed(Lab)

du

deut6ron incident dans le laboratoire.

Dans le tableau

II,

sont donnees les

phases So, 81, $2 exprim6es

en

radians,

pour chacune de ces

energies

et

pour les diff6rents

types

de forces etudies.

TABLEAU I

TABLEAU II

(8)

415

TABLEAU III

TYPE [I KE]

TYPE [II KE]

TYPE [II ) pq] NUCLfAIRE

TYPE [I pq] NUCLfAIRE

(9)

TABLEAU III

(suite)

TYPE [I pq] COULOMBIE--N

TYPE [III. pq] COULOMBIEN

VI. Discussion des rdsultats. - Ce travail termine la s6rie

D-N (A, Z)

avec

A 4,

s6rie

qui

a 6t6

entierement 6tudi6e avec les m6mes valeurs des para- metres

qui

interviennent dans les fonctions

d’espace

des noyaux et pour les memes

types

de forces

[3].

La resonance

qui correspond

au niveau excite de

2,19

MeV

( J = 3+,

T =

0)

de 6Li a ete discut6e

dans un article

precedent.

Rappelons cependant qu’elle

se situe dans la

phase

1 = 2 pour

Ed(Lab)

=

1,07

MeV et que sa

largeur

est de 35 keV

[12, 13].

FIG. 1.

6Li est considere ici comme un

groupement

(D-4He)

et

1’6quation intégro-différentielle

de la colli- sion a ete r6solue sans

approximation.

Contrairement a Wackman et Austern

[18],

nous avons considere le

probleme

a 6 nucl6ons en tenant

compte

de tous les

FIG. 2.

6changes possibles, simples

et

doubles,

les seuls para- m6tres dont

d6pende

le

probleme

sont la

profondeur

du

puits Vo,

la

port6e

des forces

po

et le

type d’6change.

Il y a deux conclusions essentielles a tirer de cette

etude : la

premiere,

c’est que l’interaction du

type

Serber donne le meilleur accord avec les resultats

expérimentaux

et permet de

pr6voir

leur

aspect quali-

tatif et, dans une certaine

mesure, l’ordre

de

grandeur

des distributions

angulaires.

La

deuxieme,

c’est

(10)

417

qu’aux

tres basses

energies

la collision est

pratique-

ment

independante

du type de forces.

Nous avons

reproduit

les resultats obtenus a basse

energie (Ed(Lab)

= 3

MeV)

sur la

figure

3. L’accord

avec

1’experience

n’est pas tres

satisfaisant,

ceci peut

FIG. 3.

s’expliquer

par le fait que

1’energie

n’est pas assez 6lev6e pour procurer un test

significatif

pour les forces

d’6change.

Par

exemple,

selon Blair et al.

[20],

pour

Ed(Lab)

=

1,42

MeV et 6 =

30°,

la section efficace observ6e ne differe de la section efficace coulombienne que de 14

%,

alors que 1’effet de la force nucl6aire domine aux

grands angles.

En tout cas, 1’effet de resonance de 6Li se fait sentir autour de 1 MeV et

les sections efficaces restent 6lev6es. Le fait que les valeurs calcul6es soient

superieures

aux valeurs mesu-

r6es est en accord avec les observations faites pour d’autres collisions de noyaux

16gers [8].

Aux environs de

Ed(Lab)

= 3

MeV,

on n’obtient

pas

d’augmentation

sensible de la section

efficace,

ce

qui

est bien en accord avec les resultats

expérimentaux

de

Galonsky et

al.

[12]

et reflète le fait que la conser- vation du moment

angulaire

et du

spin isotopique

interdit de trouver un 6tat

J = 0+,

T = 1 au cours

de la collision

D-4He,

seuls les 6tats T = 0

peuvent

influencer cette

collision,

le

spin isotopique

6tant un

bon nombre

quantique.

Les fonctions d’onde

gaussiennes peuvent

6tre cri-

tiqu6es

pour avoir une

port6e trop faible,

mais cet

effet ne

joue qu’aux petits angles,

et on sait que dans

tous les cas 1’effet coulombien est dominant pour des

angles

inferieurs a 200.

L’effet de

spin-orbite joue egalement

un role

impor-

tant aux basses

energies,

c’est-a-dire

quand 1’energie

du deut6ron incident est

comparable

a

1’energie

du

couplage,

en

particulier

dans le cas de la

resonance l = 2.

11 reste evidemment que

l’approximation

des forces

centrales ne tient pas

compte

de 1’effet des forces

tensorielles,

mais l’inclusion d’une

composante

tenso- rielle accroit considérablement le travail

requis

pour faire aboutir les calculs.

Pour des

energies plus élevées, l’accord

est meilleur

( fig. 4)

surtout dans son

aspect qualitatif,

notamment

l’apparition

dans la courbe des distributions

angulaires

FIG. 4.

de deux minima aux environs de 650 et 1300 et d’un maximum aux environs de 1000

deja soulignes

par

Burge et

al.

[21]

et nettement caractérisés sur les courbes de

Brolley et

al.

[14].

..

Les conclusions de ce

probleme

sont en accord avec

les resultats obtenus

pr6c6demment

au cours des

diverses 6tudes de collisions de noyaux

16gers [3].

I

FIG. 5.

La m6thode des groupes de resonance

de J.

A. Whee-

ler,

si elle ne

permet

pas

toujours

de

pr6voir

exacte-

ment les resultats

quantitatifs,

donne souvent de bons

resultats

qualitatifs

et permet en outre de couvrir un

grand

nombre de resultats

expérimentaux

pour les collisions de noyaux

16gers

avec seulement trois

param6tres.

(11)

BIBLIOGRAPHIE

[1]

WHEELER

(J. A.),

Phys. Rev., 1937, 52,1083 et 1107.

[2]

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