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Émission de positons par les sources radioactives

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Émission de positons par les sources radioactives

A.I. Alichanow, A.I. Alichanian, M.S. Kosodaew

To cite this version:

(2)

ÉMISSION

DE POSITONS PAR LES SOURCES RADIOACTIVES

Par A. I. ALICHANOW, A. I. ALICHANIAN et M. S. KOSODAEW. Institut

Physico technique

de

Leningrad.

Sommaire. 2014 1. Les sources radioactives de Th (C + C") et de Ra C qui émettent des rayons 03B3 et des

particules 03B2, émettent des positons dont le nombre est 3.10-4 fois celui des atomes désintégrés. 2. Ces

positons paraissent avoir deux origines différentes : a) conversion interne des rayons 03B3, sur les niveaux

d’énergie cinétique négative; b) matérialisation de l’énergie cinétique des rayons 03B2, au moment de la

désintégration. 3. Avec cette hypothèse, les résultats expérimentaux s’accordent avec la théorie de la conversion interne des rayons y de Jaeger et Hulme. 4. Dans la répartition par énergies des positons pro-duits par les rayons 03B3 dans le Plomb, se révèle une asymétrie due à l’action du champ du noyau sur le

positon. La courbe expérimentale s’accorde bien avec celle prévue par Jaeger et Hulme. 5. Les résultats de l’étude du processus de formation des paires sont conformes aux calculs de Bethe et Heitler. 6. Nous n’avons pas réussi à mettre en évidence, par notre méthode d’analyse, la formation de paires par les particules 03B2 de Ra C.

1. Introduction. - Nous avons montré, dans un article

précédent (1),

qu’un

tube de verre mince con-tenant du Radon émet des

positons.

La méthode que

nous avons

imaginée

et mise en 0153uvre combine la

classique analyse magnétique

et

l’enregistrement

des coïncidences dans deux

compteurs

de

Geiger

et Müller. Le

spectre

d’énergie

de ces

positons

nous les a fait considérer comme dûs pour une

part

à la conversion interne des rayons ~, pour l’autre

(la principale),

à

d’autres

causes,

principalement

à la création de

paires

par

les électrons au moment de leur émission.

Le Radium C émet des rayons

[3

d’énergie

maxima

3250kVe,

et en même

temps

un

spectres

,,

complexe,

dans la

partie

dure

duquel

se détachent surtout les deux raies 1 780 et 2 ~20 kVe. Pour étudier

séparément

les deux effets

supposés,

il faudrait

utiliser,

d’une

part

des sources radioactives émettant seulement des

rayons ~

très

rapides,

de l’autre des sources

monochro-matiques

de rayons y

durs,

n’émettant que des

rayons

lents. Nous ne connaissons malheureusement pas de sources de la

première

sorte. Le Radium

E,

seul, a une

désintégration 8

sans rayons -,,, mais la limite de

son

spectre

est

trop

basse

(1

25U

kVe)

Les autres sub-stances à

désintégration X

- comme

par

exemple

les substances radioactives artificielles - ou émettent des

rayons y, ou ne

permettent

de

préparer

que des sources

très faibles. Le Thorium

(C +

C")

sa tioe lai

partiellement

à la seconde condition : il émet bien des rayons y durs

monochromatiques,

d’énergie 2620

kV. Mais son

spectre ~

de limite 2 220

kV,

est riche en électrons

rapides. Néanmoins,

comme cette limite est inférieure à

l’énergie

des rayons y, on

peut

s’attendre à une divi-sion assez nette de deux effets

imaginés.

L’émission intense des

positons

par le

dépôt

actif du

Thorium est

déjà

connue. J.

Chadwick,

P. Blackett et G. Occhialini ont observé à la chambre de Wilson 24

positons pour 2000 particules fi,

soit environ,

1 pour 100. ’

Thibaud (’),

a

trouvé,

par la méthode des

trochoïdes,

que le Ra Th émet des

positons

bien

plus

nombreux, que ceux que

produiraient,

dans du

plomb

entourant

source, les rayons y de Th C".

Dans ce

qui

suit,

nous étudions les

spectres

des po-situons émis par Th

‘C

-j-

C~)

et Ra

C,

nous mesurons

le

rapport

de leur nombre à celui des

particules ~,

et

nous examinons le

spectre

des

positons

produits

dans. une mince feuille de

plomb

irradiée par les rayons y de

Th C’ et de Ra C. Nos résultats sur les

positons

dus à l’action des rayons y sur la matière sont en accord avec ceux de nos

prédécesseurs ;

il n’en est pas de même

pour les

positons

des sources radioactives.

Nous ne retrouvons pas non

plus,

pour la formation de

positons

par passage des

particules p

à travers la

matière,

les résultats de D.

Skobelzyn

et E.

Stepa-nowa

(’).

Nous n’avons pas réussi à déceler la forma-tion de

positons

par passage des

rayons ~

de Ra Cà

travers des lames d’Al ou de Pb. Tout au

moins,

leurs nombre est

plusieurs

fois moindre que celui des

posi-tons

produits

dans la même lame par les rayons y de Ra-

C,

alors que

d’après Skobeizyn

et

Stepanowa,

leur

probabilité

de formation devait être cent fois

plus

grande.

2.

Appareil. -

Notre

appareil

d’étude des

spectres.

de

positons

et d’électrons se compose d’une

boiteplato-de laiton boiteplato-de 25 X 12 X 4 cm et de deux

compteurs

de-Geiger

et Müller

(fig.

1).

Les

trajectoires

ont 20 cm

(3)

Fig. 1. - S, source; 1, fente pour diminuer.la divergence du faisceau d’électrons; 2, roue avec des filtres;

C’ et C", compteurs; 3, le cylindre autour du compteur C" avec les filtres.

de diamètre, c’est-à-dire 30 cm de parcours

jusqu’à

la deuxième fente du

premier

compteur.

La

divergence

du

faisceau,

limité par 1 t écrans d’Al et les fenêtres des

compteurs,

et focalisé par le

champ magnétique,

Fig. 2. - Le

spectre de Th (B -~- C + C"). Sur la courbe sont

marqués les points (noirs) provenant des mesures de

Kao-Chang-Wang

est de 30° dans le

plan

de la

figure.

La

première

fente du

premier compteur

a 12mm de

large,

la deuxième 1 cm, alors que la section du faisceau n’a que 6 mm, la

fente du second

compteur,

2,6

cm, alors que le faisceau a

1,9

cm.

Perpendiculairement

au

plan

de la

figure,

les fentes des Il écrans d’aluminium et la

première

du

premier

compteur

définissant le faisceau ont 1 cm les deux dernières 13 et 18 mm.

D’après

ces

données, 1,4

millième des

particules

émises se

dirigent

vers les

compteurs.

Un

quart

est encore arrêté par une

grille

placée

à l’entrée du

premier

compteur qui

réduit à 90 mm2 la surface libre de la fente.

Dans notre

précédent

appareil

(1),

des électrons

pou-vaient pénétrer

dans les

compteurs

après

s’être réfléchis deux fois sur les

parois

de

l’appareil,

quand

le

champ

utilisé était faible. Les 1 i écrans d’Al et les

pièges

(fig. i)

remédient à cet inconvénient. Les

parois

de

l’appareil,

et le

premier

écran sont assez loin de la source pour que des

positons

arrachés ne

puissent

passer

dans

les deux

compteurs.

Une roue dentée mue

par un

rodage

porte

des filtres que l’on

peut

placer

devant la source. Les

compteurs

sont

séparés

du reste

de

l’appareil

par un film de nitrocellulose de

3 ~

d’épais-seur collé à la

picéine

sur les bords de la

première

fente,

et

appuyée

sur la

grille

(au

lieu de la feuille d’Al de

10 ~

du modèle

précédent).

La diffusion des

élec-trons,

importante

surtout aux

petites énergies,

est ainsi diminuée. De

plus, grâce

à

l’agrandissement

des fentes

ultérieures,

une

grande partie

des électrons diffusés dans le film sont tout de même

comptés.

Pour assurer

le fonctionnement normal des

compteurs,

le film de nitrocellulose est

légèrement argenté,

par

évaporation,

sur la face tournée vers le

compteur,

et les deux der nières fentes sont couvertes de deux lames d’Al

(4)

165

l’appareil

est de

O,O L

1 à

0,1

mm de mercure, dans les

compteurs

10 à 15 cm. Les

spectres

d’électrons et de

positons

donnés par notre

appareil

ne sont altérés

qu’au-dessous

de 1 i0 kV.

On

peut

limiter la

divergence

du faisceau au moyen d’une lame mobile de

plomb, épaisse

de 2 mm,

recou-verte de 1 mm

d’aluminium,

et

percée

d’un trou de 3 mm de

diamètre,

fixée à la

paroi

la

plus proche

de la

source.

3. Etude de

l’appareil

et de la méthode d’ob-servation. - Nous avons pu, par une série

d’expé-riences de contrôle : 1. Nous convaincre que presque tous les électrons traversant le second

compteur

sont

enregistrés

par la méthode des coïncidences. 2. Déter-miner l’intensité maxima des sources utilisables. 3. Voir comment le nombre de coïncidences

spontanées dépend

du nombre de

décharges

dans les

compteurs,

et

quelle

est

l’origine

de ces coïncidences. 4. Mesurer dans

quel

rapport

le

diaphragme

mobile diminue le nombre de

particules

reçu par les

compteurs.

5. Calculer le nombre absolu de

particules

émises par la source S et le comparer avec son activité déduite de la mesure

d’intensité de son

rayonnement

y.

1. On

place

en S une source faible de Ra E ou Th

(B

+

C

+

C").

On

compte

pour diverses valeurs du

champ

magnétique,

les

décharges

dans le

premier

et

dans le deuxième

compteur,

puis

le nombre des

coïn-cidences. Ce dernier nombre est de 10 à 15 pour 100 inférieur à celui des électrons

enregistrés

par le deuxième

compteur :

TABLEAU 1.

La

pression

dans les

compteurs

était 12 cm

Hg.

Le nombre des

décharges

dans le

premier

compteur

était de 50 pour 100

plus grand

que dans le

second,

parce

qu’il reçoit

les électrons diffusés par les

parois.

En l’absence de

pièges (cas

de notre

premier

ap-pareil)

on

peut

avoir 5 à 10 fois

plus

de

décharges

dans le

premier compteur

que dans le

second,

et ce

rapport

varie avec le

champ.

Cet effet a causé une erreur sur le rendement en

positons

de Ra

C,

que nous avons

trouvé,

avec notre

premier

appareil,

6 à 8 fois

supérieur

au rendement

réel (1).

2. Si le nombre des

décharges

dans les

compteurs

est

trop

grand,

les traversées simultanées des deux

compteurs

ne sont pas toutes

enregistrées :

elles

peu-vent se

produire pendant

que dure encore

l’impulsion

due à la traversée d’un seul

compteur.

Pour chercher

quel

nombre maximum de

décharges

on

pouvait

ad-mettre,

on irradiait directement les

compteurs

par des rayons y dont on variait l’intensité. On

comptait,

pour un nombre donné de

décharge

dans les

comp-teurs,

des

coïncidences,

accidentelles ou

provoquées

par le passage soit d’un électron de

recul,

soit d’une

particule

cosmique

à travers les deux

compteurs

lais-sant en

place

la source y. Puis on

appliquait

le

champ

magnétique,

on introduisait dans

l’appareil

une source faible de Ra

AB

et on

comptait

les coïncidences. On

recommençait, après

avoir enlevé la source y,

puis,

enfin, après

suppression

du

champ

magnétique,

ce

qui

donnait le nombre de coïncidences dues aux rayons

cosmiques.

Les résultats

figurent

au tableau II.

TABLEAU II.

1 ,

Quand

le nombre total de

décharges

est

grand,

30 pour 100 des

particules

ne sont pas

comptées.

On ne

peut

donc pas utiliser dans

l’appareil

une source

trop

forte. Le tableau II

correspond

à une source de

(1 ) Pour mesurer le rapport du nombre de positons au nombre

de particules ~ nous avons utilisé une faible source de RaEm. dont les positons pouvaient être mesurés pour 2 ou 3 valeurs du champ magnétique. En changeant le signe du champ magnétique, nous n’avons pas pu compter les électrons, parae que leur nombre était trop grand. Le nombre de coïncidences s’est trouvé mesurable seulement pour la fin du spectre

continu de RaC D’après les mesures dans cette région du

spectre ~ on a évalué le rapport entre le nombre de positons et le nombre d’électron émis par Ra C. Cependant, le nombre d’électrons diffus dépasse considérablement le nombre

d’élec-trons dirigés par le champ magnétique dans le premier et dans le second compteur. Cette circonstance a conduit à un si grand nombre de décharges dans le premier compteur et à une si

petite grandeur d’impulsions que la plupart des électrons

qui étaient passés à travers le premier et le second compteur

(5)

10 à 12 mg de Ra

équivalent séparée

des

compteurs

par un écran

(~).

Dans nos mesures

réelles,

les sources étaient de 1 à 3 mg, et ne donnaient pas

plus

de 150 à 230

décharges

par minute.

3.

L’origine

des coïncidences

produites

pendant

l’ir-radiation par les rayons Y, en l’absence de

champ

ma-gnétique,

a été déterminée en

disposant,

entre les

compteurs,

un filtre de

plomb,

porté

par un

rodage,

et

qui

arrêtait les électrons de

recul,

entre les deux

compteurs :

-. il ne reste alors que les coïncidences

.accidentelles ou dues aux rayons

cosmiques.

Les résultats ont été les suivants :

TABLEAU III.

Ils montrent que pour 800

décharges

dans

chaque

compteur

on a 13 coïncidences

accidentelles,

14 dues

eux électrons de recul et 3 aux rayons

cosmiques.

Le

pouvoir

séparateur

de

l’amplificateur

se calcule ,par la formule :

(n

nombre de coïncidences

spontanées, r

pouvoir

sépa-rateur,

A

3 nombre

de

décharges

dans le s

compteurs).

Il est de l’ordre de 10-4 secondes. On

peut

l’augmenter

~n diminuant le

potentiel

de

grille

de la

lampe

du

quatrième

étage,

mais on

risque

alors de manquer des coïncidences réelles. On diminuait le

potentiel jusqu’au

moment où le nomtre des coïncidences données par

l’appareil

en fonctionnement cessait

d’augmenter

ce

qui

a conduit à

adopter

180 V.

4. Pour

pouvoir

compter

les

particules #

émises par Th

(C +

C")

ou Ra

C,

il

fallait,

pour que les

compteurs

ne soient pas traversés par

trop

de

parti-cules,

diminuer le nombre des

particules

~,

ce que

l’on faisait de deux manières :

1° En

attendant,

après

avoir

compté

les

positons,

assez

longtemps

pour que la source se soit affaiblie 8suffisamment -,

2° En

plaçant

sur le

trajet

des électrons un dia-gamme

qui

divisait par 86 le nombre des

particules

parvenant

aux

compteurs.

Ce coefficient de réduction avait été déterminé ainsi : on examinait le

spectre

de

positons

d’une source de Th

(B

-~-

C + ~‘ )

de 1 mg,

(1) Boite de Cu à parois minces de hauteur 6 cm contenant des

morceaux de Tungstène et recouverte de plomb, correspondant

~, une densité moyenne de 16 g : cm3.

donnant un faisceau de

divergence

3(~°.

Après 24

h,

on

mesurait,

avec le

diaphragme,

le

spectre

~3.

Enfin

après

66

h,

on

répétait

cette dernière mesure sans

dia-phragme.

La

période

de

demi-désintégration

de Th B étant

10,6

h.. les activités lors des deux dernières mesures étaient

0,2:J

et

2,8.

10-3 mg. Le

rapport

des intensités

avec et sans

diaphragme

étant

1,15,

le coefficient de diminution de

diaphragme

est bien

75 X 1,15

~ 86.

5° Ces

données,

et les dimensions

géométriques

de

l’appareil

nous

permettent

de calculer le nombre de

particules

émises par une source en

déterminant,

avec

notre

appareil,

la courbe

expérimentale

des nombres de

particules

en fonction de leur

énergie.

L’intervalle

d’énergie

des

particules comptées

avec un

champ

donné était 3 pour 100 de leur

énergie

moyenne. Une

source de Th

(C

---

C")

donnait par minute 80

parti-cules d’énergie

moyenne 1000 kV

(comprises

dans un intervalle de 30

kV).

Pour l’ensemble on

comptait

5000

particules,

soit 5 000 X

0,71

X 103 X

1,35

-

4,8.

106

particules

émises au

total,

ce

qui

cor-respond

à une activité de

~,~3. IO-3

mg. La mesure par l’ionisation due aux rayons y a donné

20 pour 100

près) 2,8.10- 3

mg. Cela montre l’exactitude des mesures avec notre

dispositif.

Pour avoir une idée de l’altération des

spectres

d’électrons et de

positons

de

petite énergie,

nous avons

examiné avec notre

appareil les spectres ~

bien connus de Ra E et Th

(B +

C

+

C").

On observe

(fig. 2)

pour le

Th (B

+

C + C")

une

divergence

notable entre notre courbe et les résultats de Kan

Chang Wang

(1)

au-dessous de 170

kV,

divergence qui

semble due à la dif-fusion par le film

qui sépare

l’appareil

des

compteurs.

En

résumé,

notre méthode est valable pour des me-sures

quantitatives,

dans la

région

des

énergies

de 170 kV et au-dessus.

II. Résultats

expérimentaux.

4. Emission de

positons

par le

dépôt

actif du

Thorium

(’).

- La source S était une feuille d’Al

d’épaisseur

10 [1.,

longueur

1 cm,

largeur 1

à

1,5

mm,

recouverte de

dépôt

du

Thorium ;

son intensité ne

dépassait

pas 1 mg de Ra

équivalent,

et était mesurée par

comparaison

de son émission y avec celle de

0,2

ing de Ra Th.

Le nombre de

décharge

des

compteurs

était de 200 par

minute,

et l’on étudiait le nombre de

positons

en fonction du

champ

magnétique.

Ce nombre variait de 3 à 10 par minute. La mesure durait 20 min pour

chaque

valeur du

champ,

la durée totale d’utilisation d’une source ne

pouvant,

à cause de la faible vie moyenne du Th

B,

dépasse

6 à 8

h,

ce

qui

donnait au

plus

1 500

particules

pour toute la courbe de dis-tribution. La

figure 3, qui

résume les résultats de 10

expériences

de cette

sorte,

donne le nombre de

(i) Iiw Z. Physik., f 93Í,

87,

633.

(6)

167

positons (réduits

au même intervalle

d’énergie)

en fonction de leur

énergie.

On déduisait le nombre des coïncidPnces

spontanées

des lectures aux très

grandes

valeurs du

champ,

pour

lesquelles

il y a

probablement

peu de

positons

émis.

~ ig. 3. - I, le

spectre des positons de

Th (C

+ C"); II, le spectre dPs positons arrachés des parois; 111, la courbe théorique des

positons en cas de conversion internc- des rayons y 2 Ù20 kY

(selon Jauger et Hulme); IV, la partie des positons qui reste

après la soustraction de l’effet des rayons y.

Pour déceler les

positons

arrachés aux

parois,

et les électrons

réfléchis,

on

déplaçait

la source de

façon

à

ce que les

positons

directs ne

puissent

traverser les

compteurs.

On a obtenu

ainsi,

en utilisant deux

posi-tions

correspondant

à une irradiation des

parois

beau-coup

plus

intense que dans

l’expérience

réelle,

la courbe inférieure de la

figure 3, qui

donne une limite

supérieure

de la correction à effectuer. La courbe réelle du nombre des

positons

émis par le

dépôt

actif de Th se trouve certainement

comprise

entre la courbe 1 et

celle

qu’on

aurait en retranchant les ordonnées de la courbe de contrôle II.

Les

positons

arrachés par les rayons y à la feuille d’aluminium de

1 0 p qui

porte

le

dépôt

ne

comptent

pas ; en

effet,

en entourant la source d’une couche

épaisse d’Al,

nous avons

obtenu,

pour les

positons

arrachés à Al la

courbe,

figure

4. Le nombre des

posi-tons émis est un peu inférieur à celui de la source nue. Si nous admettons que les

positons

arrachés pros-viennent d’une couche de 1 mm

d’épaisseur,

le nombre de ceux arrachés au

support

de

10 ~

d’épaisseur

serait inférieur

à ~

du nombre des

positons

émis par la

100

source nue.

On mesurait le nombre des

pérticules ~

de Th

C + C’)

après

24 h avec le

diaphragme

puis

66 h

plus

tard

(c’est-à-dire

après

90

h)

en utilisant tout le faisceau. Connaissant la constante de

désinté-gration

(10,6 h)

nous trouvons comme rendement en

positons 2,5

X 50-’.

Dans une deuxième

expérience

on avait mesuré le

spectre

seulement avec le

diaphragme.

On a alors

obtenu ~.~.0-~ pour le rendement en

positons.

Mais dans ce cas, la source avait pu être un peu

déplacée

lors

de la mesure du

spectre [3.

Cette deuxième déter-mination nous

paraît

donc moins sûre.

Le

rapport

du nombre de

positons

au nombre de

particules ~

de Th

(C +

C")

est donc

compris

entre 2 et ~.10-’p.

Nous avons

employé

aussi une deuxième méthode. En

comparant

deux sources de même activité

20 pour 10n

près),

l’une entourée d’une couche

épaisse

de

plomb,

l’autre nue. nous avons déterminé le

rapport

du nombre de

positons

émis directement par la source,

à celui des

positons

émis dans la lame de

plomb

irra-diée par les rayons y : nous avons trouvé 4

(avec

une erreur relative inférieure à 25

pour 100).

En utilisant

une seule source, devant

laquelle

on

pouvait,

ou non,

placer

un filtre de

plomb épais,

nous avons, toutes cor-rections

faites,

trouvé pour le même

rapport

la valeur

4

(erreur

relative 1,’~ pour

1~0).

Fig. 4. - Le

spectre des positons arrachés par les rayons y de Th C" à une lame épaisse de plomb (l~ et d’aluminium (II).

L’ordonnée N pour l’aluminium est à une échelle 35 fois plus

grande que pour le plomb.

En admettant

qu’un

quart

de

l’absorption

des rayons

y de Th C" soit due à la formation de

paires,

et que la

couche utile de

plomb

ait une

épaisseur

d’environ

0,02

cm, nous trouvons que le nombre de

positons

émis par la lame de

plomb

est

Le nombre

.LVi

de

quanta

y émis

parTh

C" étant le

1/3

de celui des

particules ~

de Th

(C

-~

6’ )

on en déduit

(7)

Comme

d’après

nos

expériences

Ceci en

supposant

que les

positons

soient

projetés

seulement vers l’avant par les rayons y, ce

qu’indique

la théorie de Bethe et Heitler

(1).

Dans tout notre cal-cul nous avons admis des valeurs maxima pour le coefficient

d’absorption

anomale et

l’épaisseur

de la couche utile de Pb. Notre valeur du rendement en

positons

est donc un

Cette valeur de l’ordre de

2.i0"~

obtenue par deux méthodes entièrement

différentes,

est en forte contra-diction avec les données de la littérature.

Chadwick,

Blackett et Occhialini

1’)

ont observé pour

une source faible de

dépôt

du thorium

placée

dans une chambre de Wilson 2i

trajets

de

positons

pour ~ 000

d’électrons,

soit un rendement de

1,~.~U-2,

40 à 60 fois

plus

fort que le nôtre.

L’erreur

statistique probable

de ces

expériences

à la chambre de Wilson est de 20 à 30 pour

100,

insuffi-sante pour

expliquer

la

divergence,

dont nous ne com-prenons pas

l’origine,

d’autant moins que nos résultats

sur l’effet de matérialisation sont en bon accord avec

ceux des mêmes

auteurs,

Nos résultats ne concordent pas non

plus

avec ceux

que Thibaud

(3)

a obtenus par la méthode des

tro-choïdes. Cet auteur trouve que la source nue de Ra Th émet

plus

de

positons

que

quand

elle est entourée de Pb. Il en est de même pour la source de Em Ra. Nous

trouvons au contraire que le

dépôt

actif du thorium

émet 4 à 5 fois moins de

positons

nu

qu’entouré

de Pb. De

même,

comme on le verra

plus

loin,

nous trouvons pour un tube mince nu d’Em Ra une émission de

posi-tons de 20 pour 100 moindre que pour ce même tube entouré de Pb.

5.

Analyse

des

positons

de matérialisation.

- Nous avons examiné la

répartition

par

énergies

des

positons

émis par une lame

épaisse

de

plomb,

irradiée par les rayons y de Th C". La

figure 4

donne la courbe obtenue. Nous avons obtenu aussi le

rapport

du nom-bre de ces

positons

au nombre des électrons

produits

simultanément

(électrons

de

reculs,

photo-électrons,

électrons

provenant

de

paires) :

pour

cela,

nous

ana-lysions,

20 h

plus tard,

avec la même source la

répartition

des électrons dont le

spectre

est donné

figure 5 :

il montre deux fortes raies

correspondant

à celles à 606 et 2 620 kV du

spectre

y de

Th C",

et un

petit

maximum,

suivi d’une chute

brusque,

pour

l’éner-gie

3 200

kV,

qui correspond

à la

raie y

de Th C" de 3 200

kV,

due au passage direct du noyau excité Th D au niveau

principal.

Chadwick,

Blackett et Occhialini avaient observé à la chambre de Wilson un certain nombre d’électrons

d’énergie

voisine de 3 000 kVe.

(1) H. BE1HE et ~V. HEITLER. Proc. Roy. Soc. (A),

1934,146, 83.

cit.

cit.

La valeur que nous obtenons pour le

rapport cherché,

0,07,

est voisine de celle de ces derniers auteurs,

0,08.

Fig. 5. - Le

spectre des électrons de recul et des photoélectrons

produits par les rayons y de Th (C -~- C").

En réalité il

faudrait,

pour calculer le

rapport

entre le coefficient

d’absorption

anomale et celui de

l’absorp-tion

Compton,

ne tenir

compte

que des électrons pro-duits par la raie

y de 2

62U kV. On trouverait alors

0, 11

et,

en

rejetant

les électrons de

paires, 0,1~.

Comme le parcours des

positons

est environ

1,8

fois moindre que

Fig. 6. - I, le

spectre des positons produits dans Be + Pb 25 y

par les rayons y de Th C + Cn); II, le même dans le cas de Be.

celui des électrons de recul et

photoélectriques,

la couche efficace se trouve réduite pour eux dans le même

rapport,

ce

qui

donne pour le

rapport

du nombre de

positons

et d’électrons

(de

recul et

photo-électriques) produits

dans une même couche mince de Pb :

0,22.

Pour avoir

l’aspect

réel du

spectre

des

positons

de

matérialisation,

nous avons utilisé une couche de Pb

d’épaisseur

25 tt, assez faible pour que la

répartition

entre les

énergies

ne soit pas altérée par les différences

(8)

d’épais-169

seur destinée à absorber les

positons

émis par la

source elle-même

portait

d’un côté la lame de

Pb,

de l’autre la source de Th C". Les

positons

émis le sont d’une

part

par la lame

épaisse

de

glucinium,

de l’autre par la feuille de

plomb.

Ou

répète l’expérience

sans la

feuille de

Pb,

et l’on soustrait le nombre obtenu

(après

une

petite

correction pour tenir

compte

de

l’absorption

de la feuille de

Pb)

du nombre de

positons

donné par la

première expérience.

L’expérience

a été

répétée

deux fois : les résultats sont donnés

figure

7

(1).

On a

compté

pour

chaque

point

environ 150

particules.

Fig. 7. - II, le spectre des positons produits dans une feuille de

plomb (d’épaisseur 25 li) par les rayons y de Th C" ; I, le spectre théorique selon Jaeger et Hulme.

Il est intéressant de comparer l’intensité de l’émission de

positons

de matérialisation par

Pb,

Al et Gl. Comme les sources de rayons y utilisées étaient

identiques (à

20 pour 100

près),

cette compa-raison est donnée par les

rapports

des surfaces des courbes de

répartition

des

positons

par

énergies.

D’après

la

théorie,

la

probabilité

de formation des

paires

est

proportionnelle

au carré du numéro

atomique

de la substance irradiée.

Comme,

d’autre

part,

l’épaisseur

de la courbe utile est inversement propor-tionnelle au nombre d’électrons dans l’unité de volume on

prévoit,

pour la

probabilité

de formation des

paires,

une loi linéaire en Z. Pour le

plomb

et l’aluminium cela

correspond

au

rapport 6,3.

Les

expériences

nous ont

donné 5 ;

étant donné leur

précision,

la concordance est bonne. Elle l’est moins pour le

glucinium.

Nous avons obtenu

1,5

pour le

rapport

Al/Gl

alors que l’on

prévoit

3. De

plus,

les

expériences

avec la feuille de Pb mince nous

permettent

de comparer directement les

spectres

de

positons

du Gl

et du Pb : nous trouvons que, si la loi de

proportion-nalité à Z est

exacte,

on devrait supposer pour Gl une couche utile de 3 mm

d’épaisseur,

d’où les

positons

sortent sans ralentissement sensible. C’est au moins le double de ce

qu’on

pouvait

attendre,

pour des

positons

d’énergies

distribuées

symétriquement

autour du maximum de 800 kV.

Toutefois,

il nous semble encore

prématuré

de conclure.

6. Recherches avec la source de

Ra C (1).

- Il

était intéressant de les

reprendre

avec

l’appareil

amélioré,

et d’étudier les

positons

émis comme dans le cas de Th

(C

-~-

C’’),

en

particulier

de

diminuer,

par un

plus

grand

nombre de mesures l’erreur

statistique

sur la courbe de

répartition.

,

Fig. 8. - I, le

spectre des positons de Ra C; II et III, les spectres

des positons de la conversion interne de rayons y 9 i60 kV et 2 220 kV; IV, le spectre des positons qui restent après la

sous-traction de l’effet des rayons y.

La source était un tube d’émanation en verre très

mince,

d’activité 2 à 4 mC.

L’épaisseur

des

parois

ne

dépassait

pas 10 à i3 y. La

figure

8 donne la courbe de

répartition

des

positons.

Elle résulte

d’expériences

avec 3 sources d’intensités différentes. On a

compté

environ 1000

particules

pour

chaque point.

Le

spectre

était

mesuré,

sans

diaphragme,

44

jours après

l’expérience

sur les

positons :

il

passait

alors au

plus

fa à 20 électrons par minute dans les

compteurs.

Fig. 9. -

I, le spectre des positons produits dans une feuille de

plomb (d’épaisseur 25 par les rayons y de Ra C; II, la partie due aux rayons y de 1 760 kV; III, la partie due aux rayons y

de 2 220 kV.

Le

rapport

du nombre de

positons

au nombre de

particules

à été trouvé de

2,5

à ~.i0-~ pour Ra C. (i) aature, 1935,1.36, 719.

(9)

TABLEAU I~~.

Nous avons

trouvé,

pour le

rapport

entre les nombres de

positons

émis par le tube entouré de :

plomb épais,

et nu,

9 ,10.

: Le coefficient

d’absorption

dû à la formation des

paires

par les rayons y de RaC

(raies

dues 1 780

et 2 220

kV)

était

2,8

fois moindre que pour ceux de ThC",

L’épaisseur

de la couche utile de Pb était

1,6

fois moindre. Cela donne pour Ra C un rende-ment en

positons

de

2,4.10-4;

voisin de celui

de Th (C-+

C").

Nous avons

cherché,

par de nombreuses

expériences

à déceler l’émission de

positons

par Al sous l’action des

rayons ~

de Ra C.

D’après Skobelzyn

et

Stepanova,

cet effet est 50 à 100 fois

plus

intense que celui des rayons y de RaC. Nous utilisions alternativement des filtres d’Al

d’épaisseurs

0,~ ;

0,~ ;

i et 3 mm, et

différentes

valseurs de

Ho.

Les

résultats

figurent

dans le tableau IV.

D’autre

part

nous avons mesuré l’émission de

positons

par une source nue,

puis

par la même entourée d’une couche d’Al de

0,5

ou 1 mm : de nombreuses

expériences

nous ont montré

qu’un

filtre d’Al

d’épaisseur quelconque

diminue

toujours

le nombre des

positons.

Si donc l’effet de matérialisation de

l’énergie

des

rayons ~

a

lieu,

il est

plusieurs

fois moindre que celui des rayons

y de

RaC.

Nous avons

repris

l’expérience

en

changeant

la matière utilisée et les conditions

géométriques.

L’ampoule

d’émanation

(7

mC)

entourée d’une couche d’ébonite de

0,

5 mm

qui qui

arrêtait la

plupart

des

positons

était au fond de

l’appareil, placée

de

façon

que les

positons

restants ne

puissent

parvenir

aux

compteurs.

A

l’emplacement

normal de la source, nous

placions,

inclinée à ~~° sur la direction moyenne du faisceau

utile,

une lame de

plomb d’épaisseur

25 (1.,

largeur 3

mm. Cette feuille était irradiée par les rayons y

et ~

de

l’ampoule,

filtrés par les

0,5

mm

d’ébonite. Les

positons comptés

sont ceux

qui

font

avec le

rayon ~

primaire

un

angle

voisin de

90",

et les conditions sont favorables pour observer les

positons

de

petite énergie

(particulièrement

nombreux

d’après

les résultats de

Skobelzyn

et

Stepanova).

En effet, les

positons

de

petite

on

grande

vitesse sortent aussi facilement de la feuille mince de

plomb,

tandis

qu’avec

un filtre

épais

d’Al entourant la source, la couche utile

est bien

plus

importante

pour les

positons rapides

des-rayons y, que pour ceux,

lents,

produits

par les. rayons

P.

Fig. 10. - Le

spectre des positons produits dans une lame épaisse-de plomb par les rayons y de Ra C.

On observait dans ces

conditions,

un nombre très faible de

positons

(5

env. par

minute)

dont le

spectre,

assez peu exact

(150

positons

par

point),

est donné

figure

10. Il

présente

deux chutes de 700 et 1 100 kV. De

plus

en entourant la source de 2 mm

d’Al,

qui

arrête les

rayons ~,

le nombre de

positons

ne

change

pas notablement. Ils sont donc bien dus au rayonne-ment y.

Donc,

toutes nos

expériences

pour mettre en évidence l’émission de

positons

par l’action d’un faisceau de

rayons 5

ont échoué. C’est le second cas de contradiction

entre nos

expériences

et celles faites à la chambre de Wilson.

Bethe et Heitler ont

prévu

théoriquement

que les

probabilités

de formation de

paires

pour les 3

raies y

2 620;2 220

et t 780 kV sont entre elles comme

5,2;

3,3

et

1,25.

En

supposant

que tous les

positons

émis par la feuille mince de

plomb

sont dus aux rayons 1 de RaC et en tenant

compte

du rendement en

positons

du

plomb

épais

irradié par les rayons ¡ de Th C" nous pouvons déduire de nos

expériences

ces

rapports

de

(10)

171

les tirons de la courbe

figure

10,

que nous divisons en deux

parties.

Connaissant le

rapport

des intensités des deux

raies,

nous trouvons

Le

rapport

de la

probabilité

pour la raie

y 2

620 kV de Th C à celle pour l’ensemble des deux raies 2 210

et 1 780 kV de Ra C se déduit des

expériences

avec les écrans

épais

de

plomb,

connaissant le

rapport

des activités des sources de Th

(C

-~-

C")

et de

Ra C’,

le nombre des

quantas

de

désintégration

et enfin le

rapport

des

épaisseurs

utiles de

l’écran,

dans les deux cas. Nous avons trouvé

Ces

rapports

concordent assez bien avec les

prévisions

théoriques.

7. Discussion des résultats. - Les

spectres

de

positons

directement émis peu les sources radio-actives

présentent

des chutes

brusques

correspondant

aux

énergies

hv - 2

mc5l,

ou lzv est

l’énergie

des rayons y de ces sources. On en observe une à la fin

du

spectre

de

positons

de Th

(C

-~-

G")

pour

l’énergie

1 600

kV,

dans celui de Ra C pour les

énergies

760 et 1 200

kV,

énergies

mesurées à 2 ou 3 pour 100

près.

La chute du

spectre

de Th

(C

-}-

C’)

currespond

à la raie h v == 2 620 kV du

rayonnement

y, celle du

spectre

de Ra C aux raies y de 1 780 et 2 220 kV. Une

partie

au

moins des

positons

émis est donc due à la conversion interne des rayons y sur les niveaux

d’énergie

cinétique

négative

des électrons.

Il est intéressant de comparer les

spectres

de

positons

directement émis à ceux des

positons produits

par les rayons y dans la feuille mince des Pb.

Ces derniers

présentent

une

asymétrie

très nette :

le nombre de

particules

de

grande

énergie

est

beaucoup

plus

grand

que celui des

particules

de faible

énergie,

et la

partie

droite de ces

spectres

présente

des chutes

brusques,

moins tranchées que dans les

spectres

di-rects,

mais nettes néanmoins.

Cette

asymétrie

tient à ce que les

pai res

se

produisent

dans le

champ

électrique

intense du noyau

4e

Pb,

de

charge positive

82,

qui

tend à ralentir l’électron et à accélérer le

positon :

ce dernier

acquiert

de ce fait un excès

d’énergie ;

au

contraire,

pour les

paires produites

dans un

champ

faible,

l’énergie

du

quantum

(diminuée de 2 ni c’)

se distribue

symétrique-ment entre les deux

composants.

Cet effet

explique,

dans la courbe des

positons,

une

asymétrie

favorable

aux

grandes

énergies,

dans celle des

électrons,

au contraire une

asymétrie

favorable aux faibles

énergies.

Il en est de même en cas de conversion

interne,

puisque

les

charges

des noyaux de Th C" ou de RaC

sont

pratiquement

les mêmes que celles du noyau

de Pb. La seule différence est que nous avons alors à faire à une onde y

sphérique.

Les consirlérations

exposées

ci-dessus sont une illus-tration

simple

et assez

grossière

de la théorie de

Jaeger

et Hulme

(1),

qui permet

de calculer la

probabilité

de formation de

paires

par conversion interne des rayons y. Elle

indique

comment cette

probabilité dépend

de

l’énergie

du

quantum y

et donne la

répartition

des

positons

par

énergies

pour les différents

quantas

y.

Les courbes

théoriques

de

répartition

des

positons

de conversion interne

;fig. 4

et

7)

présentent

une chute

brusque

pour les valeurs et décroissent gra-duellement en même

temps

que

l’énergie

des

positons.

Jaeger

et Hulme ont aussi calculé la

répartition

par

énergie

pour la matérialisation dans le

plomb (2).

La courbe

théorique

est donnée pour Th C" avec la courbe

expérimentale

sur les

figures

3

(III)

et 8

(III

et

IV).

Nos résultats confirment donc directement cette

théorie,

par la

présence

des chutes

brusques

aux

éner-gies

h v - 2 et par la

dissymétrie

de la courbe de la feuille mince de Pb. Mais en même

temps,

l’aspect

gé-néral du

spectre

des

positons

directement émis ne s’ac-corde pas avec les

prévisions théoriques :

les

spectres

de Th

(C

-E-

C")

et Ra C sont riches en

positons

de faible

vitesse,

avec

même,

dans ce dernier cas, un

léger

maximum pour 600 kV. Cela ne

peut

pas

provenir,

pour

beaucoup

de

raisons,

de la

présence

de raies molles dans le

spectre - :

les deux raies 1600 et 1800 kV de Th C sont très faibles et la

probabilité

de formation de

paires

doit être

beaucoup

plus petite

pour elles que pour la raie

principale

intense de ~ 6~0 kV. La raie inférieure à 1 780 kV la

plus

dure et la

plus

in-tense de Ra C a

l’énergie

1 420 kV et ne

peut

pas créer de

positons d’énergie supérieure

à 400 kV. Les raies molles de Th C

n’apparaissent

d’ailleurs pas dans le

spectre

de matérialisation de la feuille mince de Pb.

Le rendement en

positons

des rayons y de Th

(C-I- C")

est

4,5

fois

plus grand

que

pour Ra C,

dans le cas de l’irradiation du

Pb,

alors que pour l’émission

directe,

r les rendements sont à peu

près égaux,

le

rapport

20132013

1

Pb étant

0,2)

pour Th

(C

+

C)

et voisin de 1 pour Ra C.

Or,

si les raies y

~ 6J~0,

2 220 et 1 780 kV sont

d’origine

quadrupole,

les rendements doivent être

théorique

-ment les mêmes

(les

raies molles n’intervenant

prati-quement

pas)

dans le cas de la matérialisation dans le Pb que pour la conversion interne. Si nous admettons que les

positons

directement émis

proviennent

tous de la conversion

interne,

nos résultats sont en désaccord

complet

avec la théorie de formation des

paires,

qui

s’appuie

sur les mêmes

principes

dans les cas du

plomb

et de la conversion interne.

Or,

toutes les données

expérimentales

obtenues

jusqu’à

ce

jour,

sur la

proba-(i) J. G. JAE&ER et LI. R HIILME. PROC. Roy. Soc., A, 1935, ’148, Les courbes théoriqiies pour les rayons y de ThC" nous

ont été aimablement communiquées par H. R. Hulme, que nous

(11)

bilité de formation des

paires

par les rayons ’Y de Th C" a

et Pb

+

Be en

particulier.

sont en accord excellent s avec la théorie de Bethe et Heitler. De même la loi de r

dépendance

entre le numéro

atomique

Z et le nombre 1 de

paires

formées s’accorde avec

celle,

prévue,

de pro- s

portionnalité

à Z2.

Enfin,

la

façon

dont la formation des i

paires dépend

de

l’énergie

des rayons y, par Crane et t

Lauritsen

(1)

et

nous-même,

ainsi que nos résultats (

sur

l’asymétrie

des courbes de

répartition

des

positons

« confirment

également

la théorie : il semble

paradoxal

que la conversion interne des mêmes rayons y soit

en contradiction absolue avec elle. ,

Nous sommes donc amenés

à supposer

qu’une

partie

seulement des

positons

directs est liée aux rayons y. Si nous

séparons

cette

partie,

déduite de

l’importance

des chutes

brusques

des

courbes,

1

interprétation

des faits devient aisée. Aux

raies 2620, 2220

et 1 780 kV

correspondent,

lors de la conversion

interne,

des ren-dements

proportionnels

à

3, 2 ;

2,7

et 1 en bon accord

avec les calculs

théoriques

de

Jaeger et

Hulme

qui

don-nent

3,5 ; 2,5

et 1. Pour la valeur absolue du

rende-ment,

nous obtenons

4,5

à

5,5

X

10~,

Jaeger

et Hulme

prévoyant

4,6.10-4.

La

partie

résiduelle du

spectre

de

positons

a, dans

le cas de Th

(C

-~-

C") l’aspect

d’un

spectre continu,

avec maximum vers 350-400 kV limité à 1000 kV. La

limite du

spectre 8

étant 2220kV,

il semble

possible

de supposer

qu’une partie

de

l’énergie

cinétique

des

rayons 8

se transforme en

paires

pendant

la

désinté-gration.

S’il en est

ainsi,

la limite

d’énergie

du

spectre

de positons ne doit pas

dépasser

E -

M C2

repré-sente

l’énergie

limite du

spectre :

: c’est ce

qu’on

observe aussi bien pour Ra C que pour Th

(C

-+-

C").

Le

spectre

résiduel de RaC

est,

en

effet, continu,

avec maximum entre 300 et 350

kV,

et une extrémité à décroissance lente

jusqu’à

1700 kV. La fin du

spectre

(1) H. R. CRANE et C. C. LAURITSEN. Intern. conf. on

Physics,

Londres, i93~.

Lprès

la dernière chute

brusque

à 1200 kV est intéres-ante : si elle était due à des rayons y

d’énergie

supé-rieure, les ordonnées devraient rester constantes

quand

’énergie

eroît,

puis

tomber

brusquement.

D’autre

part,

¡ïl y avait une

raie y

assez intense

d’énergie

supé-rieure à 2220

kV,

elle se manifesterait encore

plus

net-;ement dans le

spectre

de

positons

de la lame de

plomb,

lui

ne montre dans cette

région qu’un

nombre

insi-gnifiant

de

particules.

Nous avons

déjà

examiné,

dans notre

premier travail,

deux

origines possibles

pour les

positons

résiduels : t° L’existence dans la famille du Radium d’une sub-stance

qui

se

désintègre

avec émission de

positons ;

1

2° La création d’une

paire

par

particule g

au moment de la destruction du noyau. On

imagine

difficilement

une chaîne de

désintégrations compatible

avec la pre-mière

hypothèse.

Herzfinkiel et Herzhaft

(1)

ont d’ail-leurs établi

expérimentalement

que la

désintégration

de Ra Cavec émission de

positons correspond,

si elle

existe,

à une activité 10-5 fois

plus

faible que la

désintégration

normale.

La deuxième

hypothèse

nous semble

plus acceptable,

malgré

des

objections théoriques

sérieuses,

et bien

qu’il

ne se

produise

rien

d’analogue

dans l’action des

rayons ~

sur les noyaux

étrangers ;

il est

possible

que l’effet soit lié au processus

global

de

désintégration

~,

et ne

puisse

être

compris qu’avec

une solution

générale

du

problème

de la

désintégration ~ .

En admettant cette deuxième

hypothèse,

nous

rapporterons

le nombre de

positons

résiduels directement émis à celui des

parti-cules ~

d’énergie supérieure

à 2 mc2. Dans le cas de Th

(C

+

C’’)

le rendement ainsi calculé est de l’ordre de

~,4.

10-1,

dans le cas de Ra

C, 2,5

à 3.10-4. Cette

analogie

des rendements pour les deux corps est natu-relle, car leurs

spectres

diffèrent peu.

~1~ H. lIERzpnKIEL et J. HERZHAFT. Roczraikozo

Cheniji,

Warszawa, 1934~ 44.

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