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Sur le principe de Pauli dans les noyaux - III.
W.M. Elsasser
To cite this version:
SUR
LE PRINCIPE DE PAULI DANS LES NOYAUX. III(1)
Par W. M. ELSASSER.
Sommaire. 2014 Les nouvelles mesures d’Aston sur la composition isotopique des terres rares ont
permis de compléter le système des couches neutroniques indiqué dans Il, de sorte qu’il comprend maintenant tous les noyaux. Une étude des énergies des désintégrations 03B1 dans le domaine des corps
radioactifs rend quantitativement compte du fait que sur certaines droites N = const. et P = const. les
énergies de liaison subissent un changement discontinu. On vérifie l’existence d’une discontinuité pour
les droites N = 126 et P = 82. 2014 On examine la variation que subit la répartition des isotopes quand,
en partant des éléments légers, on progresse vers les éléments plus lourds. On est alors conduit à sup-poser l’existence d’un changement du type de la structure intérieure des noyaux.
1. Continuation du
système
des couches(2).
-L’identification des couches de neutrons effectuée dans II devait s’arrèter au
voisinage
de P --- 60(P désigne
toujours
le nombre deprotons
= charge,
A le nombre deneutrons)
faute d’un matérielexpérimental
suffi-sammentprécis.
Cette lacune a dernièrement étécom-blée
par les
nouvelles mesuresd’Astan (3)
qui
aréussi à obtenir les
spectres
de masses des terresrare. Cette recherche a donné les
espèces
d’isotopes
existant dans ce domaine avec leurs
proportions
rela-tives,
elle a ausurplus
montré que lespoids
atomi-ques
chimiques
des terres rares admis par leschi-mistes
sont presque tousplus
ou moins en défaut. Des =écartsparticulièrement grands apparaissent
pour lenéodyme (143.5,
chim.144.27)
et le holmium(164.9,
éhim.
163.5).
D’ailleurs,
il existeégalement
deux élé-mentsqui
ne sont pas des terres rares et pourles-quels
l’écart entre les valeurs des chimistes(*)
et les mesures d’Aston(5)
est considérable. Ce sont le tantale(180.89 :
chim.181.4)
et l’osmium(190.31; chim. 190.8),
En
admettantpartout
les valeurs d’Aston on obtientla
courbe de lafig.
1qui
est la continuation de labourbe
donnée dans11,
fig.
3 etqui
montre bien quele caractère
général
de cette courbe observé pour leséléments légers
se continuejusqu’aux
éléments lesplus
lourds. La courbe se compose deplusieurs
sec-tions très
approximativement
rectilignes interrompues
par des endroits où ces sectionschangent plus
oumoins
de direction et sont décalées chacune parrap-port
à laprécédente
dans le sens des P croissants.Tandis
que lechangement
de direction devient moins sensible pour les élémentsplus lourds,
ledécalage
est(1) Voir J. Phys., 1933, 4, ~!~9, et 1934, 5, 389, cités comme
1 et !i.
1
(2; L’existence de périodicités du genre faisant l’objet de il a
indépendamment été signalée par Gamow
(Rapport
du Congrès Internattonal de Physique, Londres 193.4, sous presse) qui conclut également sur la présence de couches nucléaires, sans cependantqq ) préciser les limites.
(~) F. ’V. Proc. Roy. Soc. 1934, 146, 46.
’
(4) F. HAHN, Ber. deutsch. chem. Ges, 1933, 22.
(~) F. ~V. ASTOY. Mass Spectra and Isotopes, London, 1933.
encore suffisamment accentué pour
indiquer
la limited’une couche de neutrons. Les flèches
portées
dans lafigure signalent
des fins de couches pour ~V= 98 etFig 1. - Poids
atomiques chimiques (continuation) é éléments impairs, --- éléments pairs.
1 pour N On
peut
d’abord se demander, si lesdroites ..BT = 100 et LV ~ i18 ne
pourraient
servir
aussi
bien;
la décision se fait par desarguments
reler
vant de l’abondance desisotopes.
Nous avons constatédans II que les
isotopes
lesplus
fréquents
ont une636
tendance à se grouper sur certaines droites const.
(règle
deHarkins)
et que ces droites sont presquetou-jours identiques
à cellesqui correspondent
à la fin des couchesneutroniques, Or,
ledysprosium
montre uneaugmentation
de l’abondance desisotopes
de bas enhaut ;
l’isotope
leplus
lourd étant leplus fréquent
estsitué sur la droite IV = 98.
L’erbium,
par contre, pos-sède unerépartition
desisotopes,
où laproportion
diminue de bas enhaut ;
l’isotope
leplus léger
étant leplus
fréquent
estégalement
situé sur N = 98.L’os-mium montre une
augmentation
continue de lapro-portion
desisotopes
de bas enhaut;
l’isotope
leplus
lourd
qui
est en mêmetemps
leplus
fréquent est
situé sur 1V = it6. La série des
isotopes
du mercures’étend assez loin vers les
isotopes
légers, l’isotope
leplus
léger
est situé sur 7V = 116. Dans lafigure t,
une
paire
de flèches se trouve sur la droite lV = 126qui
a été identifiées comme droite de discontinuité parl’étude des
désintégrations
radioactives donnée dans leparagraphe
suivant. Dans lafigure
1,
sontégale-ment
disposés
depetits
carrés comme dansII, figure
3;
ces carrés arbiÜ’airenlent choisis sur les droites 1%’- const. sont
arrangés
de telle manièrequ’ils
per-met’tent uneprojection
sur l’axe desprotons
desdis-continuités
provenant
des couches des neutrons(~ ).
11’jg. 2. -
Pourcentage des isotopes impairs
,
dans les éléments pairs et excentricité (continuation;.
Notre
figure 2
est une continuation desfigures 4
et 5 deII,
nous nous passons donc ici d’uneexplication
détaillée
~2).
Cesfigures
montrent ainsi que lafigure 2
de II que lespropriétés
considérées comme étantcaractéristiques
despériodes
des neutrons sedessi-(1)
Pour simplifier, le carré qui se trouve à P = 56 dans la figure 3 de II a été supprimé dans la partie correspondante de lafigure i ci-dessus. Les flèches situées à P = 56 dans les figures 4
et 5 de II ont été transportées à P = 58 dans la figure 2
ci-des-sus.
(2) Les valeurs du Hf inàdites, m’ont été aimablement
com-muniquée5
par Aston.nent encore assez distinctement dans la
période qui
finit avec N-- 98,
tandisqu’ils
ne sontguère
recon-naissables dans les
périodes
ultérieures.Nous allons essayer maintenant
d’interpréter
cesphénomènes
à l’aide de notre modèle des couches. Entre N = 82 et N = 98 se trouvent 16neutrons ;
onpourrait
les attribuer parexemple
à une combinaisond’un
terme s,
d’unterme p
et d’un terme d. Une autreinterprétation
estplus
probable.
Nous avons vu queles couches « intérieures » sont moins stables que les
autres.
Ainsi,
les termes2 s et 3 p sont
absents et leterme
4 d (entre
~V= 50 et 7V=60)
montre unestabi-lité
diminuée (’).
Si l’on admet que la couchecorres-pondant
au terme 4 d est moins stable dans lesnoyaux lourds
qu’une
couche dont lesparticules
setrouvent
plus
à l’extérieur et que la couche 4 dpeut
être dissoute en faveur d’une couche
extérieure,
ondispose
d’un ensemble de 10+
16 = 26particules,
remplissant justement
une couche 7 i(avec
1 =6).
Cette couche se rattacherait alors immédiatement à la
précédente
6 hqui
finit avec N = 82. Les neutronsentre N = 98 et IV =1 ~ 6
peuvent
être attribués à unecouche
6 g,
cependant
dans ce domaine les indicationsexpérimentales
sont tellement réduitesqu’une
inter-prétation théorique
repose sur des bases si douteusesqu’elle
neprésente guère
d’intérêt.2. Discontinuités des
énergies
de liaison.-Dans tout ce
qui précède,
l’existence des couches de neutrons et deprotons
a étédégagée
del’expérience
d’une manièreplus
ou moins indirecte. Pour avoir unepreuve
directe,
il faut connaître lesénergies
de liaison des neutrons et desprotons
à l’intérieur du noyau. Sil’on étudie les
éneigies
de liaison en fonction de N et P elles doivent montrer des chutesbrusques
à l’en-droit de certaines l’en-droites !V = const. et P = const. Les discontinuitésqui
interviennent sur une droite N = const. doivent enpremière
approximation
êtreindépendantes
du nombre P et vice versa; c’est unpoint
surlequel
a insistéGuggenheimer (2).
Nous pouvons vérifier ces idées dans le domaine des éléments radioactifs en étudiant les
énergies
desdésin-tégrations
a. On obtientl’énergie
d’une telledésinté-gration
ensoustrayant
del’énergie
intrinsèque
d’uneparticule
xl’énergie
de liaison d’unepaire
de neutrons et d’unepaire
deprotons
liés à l’intérieur du noyau. Parconséquent,
une diminution del’énergie
dedésin-tégration
correspond
à uneaugmentation
del’énergie
de liaison et vice versa. La
figure
3 contient toutes lesdésintégrations
a connues. Lesénergies
sontportés
enordonnées et sont
exprimées (comme
toutes leséner-gies
dans ceparagraphe)
en millions d’électron-volts(e.m.v.).
Les abscissesreprésentent
le nombre de neutrons du noyauproduit.
Les courbes relient entreeux des noyaux
isotopes
et les chiffresapposés
indi-(1) Cf. par exemple II, figure 3. Aussi, la courbe des défauts de masse d’Aston montre-t-elle à cet endroit un abaissement irrégulier.
-quent
le nombre deprotons
du noyauproduit.
Quand
nous considérons d’abord les
points
dudiagramme
qui
ont
N ~
126 etP ~
82,
nous pouvons constater quepour ces corps,
l’énergie
dedésintégration
varie d’unefaçon
trèsapproximativement
continue et monotoneenfonction de N et de P.
(Seul,
lepoint (’) (86, 133)
fait,exception, étantdéplacé
en bas d’environ0,5
e. m.v.).
On
peut
en conclure que lesénergies
de liaison desparticules primitives
varientégalement
d’unefaçon
continue etmono-tone à l’intérieur du domaine
indiqué.
Ona pu construire un tableau
(2)
desénergies
de liaison pour les noyauxpairs
qui
mon-tre en effet la variation
prévue.
Maissi, ,
1~en
descendant,
on franchit les droitesN = 126 et P =
82,
lesénergies
dedésin-tégration
diminuent,
c’est-à-dire leséner-gies
de liaisonaugmentent.
Nous allons évaluer cet effet de manièrequantitative.
Parlons,
poursimplifier
lelangage,
d’une
1couche inférieure et d’une couche
supé-rieure de
protons
et de neutrons.La courbe P = 8i sur la
figure
3 estdéplacée
parrapport
aux autrescourbes.
Pour l’élever à une
place
obtenue par uneextrapolation
des autrescuurbes,
il faudraajouter
uneénergie
d’environ e. m. v.Un des
protons
de laparticule a
émise dans la transformation conduisant aP = 81,
appartient
à la couchesupérieure.
Cette
énergie
représente
donc lechange-ment que subit
l’énergie
de liaison d’un seulproton
lors du passage d’une couche"à l’autre.
Remarquons
d’ailleurs que la courbe f’ = 81 estapproximativement
parallèle
aux autrescourbes,
cequi
signi-fie que le
changement
d’énergie
nedépend
que de P
et non de Fia. 3. -Ener
Considérons les neutrons. Le
point
(h2,
noyau produil Considérons les neutrons. Lepoint
(b9 ,
de
125)
a subi undéplacement
parrapport
àle nombre de
la situation
qu’il
aurait sur la branchedroite
extrapolée
de la courbe P = 82. Ladépression
s’évalue à environ
2,2
e. m. v. Un des neutrons de laparticule a correspondante
appartient
à la coucheinfé-rieure,
l’autre à la couchesupérieure.
C’est donc la discontinuité enl’énergie
de liaison d’un seul neutronque
représente
ce chiffre. Lepoint (82, 124)
a subi unedépression
parrapport
à sa situationextrapolée qui
est d’environ
5,3
e. m, v. Dans ce cas, les deuxneu-trons
appartiennent
à la couche inférieure. Si lesneu-trons étaient
indépendantes
l’un del’autre, chaque
neu-tron subissant la même
discontinuité,
le dernier chiffre devrait être le double dupremier,
tandis que lerapport
actuel est de2,4.
Aux
points signalés
dans lafigure 3,
on devrait(1) Nous utilisons pour un noyau le symbole (P, N;, introduit par Guggenheimer.
(2) W. M. ELSASSER, C. R., 1934, 199, 46.
ajouter
unautre
qui correspond
àl’isotope
(81,
124)
du thallium. La
particule a
correspondante
doit êtreémise par le noyau
(83, 126)
du bismuth. Ce noyauest sans douté
expérimentalement
stable. Si l’onex-trapole
la courbe P =81jusqu’à
l’abscisse N=124,
on trouve une
énergie
dedésintégration
de 8 e. m. v.Les deux neutrons émis
appartiennent
à la couche;ies des désintégrations «. En abscisses nombre de neutrons du
t. Les courbes relient des noyaux isotopes (le chiffre apposé indique
protons du noyau produit).
inférieure. En retranchant de ce chiffre la valeur de
5,3
e. m. v. trouvée tout à l’heure pourdeux
neu-trons,
on aboutit à uneénergie
dedésintégration
de2,7
e. m. v.D’après
la loi deGeiger-Nuttall,
celacorrespond
à une durée de vie d’environ 1025 ans. Unetelle
désintégration
peut
être considérée comme inob-servable.Signalons
maintenant les énoncés suivantsqui
ré-sultent de notre exemen desénergies
dedésintégration :
1. La discontinuité pour lesprotons
estapproxima-tivement
indépendante
du nombre des neutrons etvice versa - et en
particulier
2. Les effets des couches
neutroniques
etprotoniques
se
superposent
enpremière approximation.
3. Les discontinuités dues aux couches de neutrons
est sensiblement
plus grandes
que celles dues aux638
1 Faisons une remarque sur le dernier
point.
La dis-continuitéd’énergie
due aux neutrons dans notre casest environ
1,5 fois
plus grande
que celle due auxpro-tons. Mais les deux couches ne sont pas immédiate-ment
comparables.
La coucheneutronique
entre== 116 et N = 126 est
probablement
une coucheintérieure,
peu stable et donnant lieu à une disconti-nuité relativementfaible, comparable
parexemple
à celle observée pour N = 60. Parcontre,
le chiffre 82correspond
pour les neutrons à une discontinuitéqui
est de loin laplus
forte de toutes. Paranalo-gie,
onpeut
admettre que P - 82représente
unediscontinuité
protonique
relativement assez forte etque les autres discontinuités
protoniques
sont engénéral
moinsgrandes.
Onpeut
donc estimer que laquantité
d’énergie
représentant
une discontinuiténeu-tronique
estplusieurs
foisplus
grande
quel’énergie
de la discontinuitéprotonique correspondante.
Il est intéressant de comparer les chiffres
précédents
à ceux que l’on obtient à
partir
de notre modèle dupotentiel
nucléaire. Dans cemodèle,
lagrandeur
des valeurs propresdépend
du rayon du noyau.Supposons
comme on
peut
le faire que la densité moyenne de lamatière nucléaire soit constante. Soit donc le rayon du noyau Ro : où
1V1= P -f- N
est le nombrede
partieules
et p une constante. Une valeur de p = 1.5.10-i3 cm est en assez bon accord avec lesexpé-riences. On a d’abord
où
Xn,
Xm
sont des zéros des fonctions de Bessel(cf.
I,
tableau
III).
Si lesénergies
sontexprimées
en e. m. v.,on a alors
numériquement
Le tableau suivant donne la
grandeur
de la disconti-nuité en e. m. v. due au passage d’une coucheneutro-nique
à lasuivante,
évaluée pour certains noyaux choi-sis(ce
sont les noyauxmarqués
par un carré dansII,
fig. 3).
Pour les discontinuités desprotons
on obtientdes résultats
analogues.
Le tableau montre que
pour les
noyauxlégers
les dis-continuités ainsi calculées sontbeaucoup trop
grandes
pour être réelles. Cela
signifie
que notre modèle du po-tentielglobal
et des couches donne une assez mauvaiseapproximation
pour les noyauxlégers.
D’autrepart,
pour les noyaux moyens, p. ex. pour les discontinuitésl~
-’50,
li~ --- 60 et ~l’ ‘82,
les chiffres du tableauparaissent
représenter
uneapproximation raisonnable ;
dans ce domaine notre modèle décrit suffissamment
la
structure des noyaux. Pour les
protons,
lesvaleurs
cal-culées sont
toujours
plusieurs
foisplus grandes
que le,s
valeurs que l’onpeut
estimerd’après
lesexpériences.
Comme nous l’avonsdéja
dit,dans
II,
on doitsupposer
que lesprotons
sont surtout soumis à des liaisonsindi-viduelles
(sous-groupes~,
l’actionglobale
desautres
particules
sur eux étant moinsimportante.
~ ~
3.
Regroupements. -
Unregard
surlafigureJ
de-II nous montre tout de suitequ’on
peut
distinguer
deux
domaines différents de stabilité. Le
premier
estcelûk
des noyaux
légers
et «diagonaux
»(P
=7V),
l’àutre
l’e
domaine où se dessinent dans le
diagramme
lesgrandes
couchesneutroniques.
Il n’est que naturel deconélure
que cette distinction
d’apparence correspond
à unedif-férence dans la structure intérieurc des noyaux. 1 1
4.
_
Dans le
premier
domaine larépartition
des noyauxest très
régulière.
Les noyaux situés sur ladiagonale
sont
toujours
beaucoup
plus
fréquents
que lesautres,
fait
qui indique
que la structure intérieure reste sensi-blement la même lelong
de cette série. Il est difficiled’interpréter
plus
exactement cephénomène
étant donné notre connaissance restreinte des forcesagissant
entre les constituants du noyau. Il est
cependant
quatre
classes selon leur abondance relative dans la série desisotopes
d’un élément. Lafigure
contient seu-lement les noyauxpairs.
Dans lapartie
inférieure onreconnaît la fin du domaine
diagonal.
Dans lapartie
supérieure,
la couche entre 1V = 3 ~ et :1r ~ 50possède
déjà
unarrangernent
trèsrégulier
avec concentrationdes
isotopes fréquents
sur aV = 50. Mais la coucheintermédiaire,
entre V’ = I8 et lV =là2,
montre unaspect
assezirrégulier,
cequi
isignale
laprésence
de fortesperturbations
duesprobablement
à un «regrou-pement
» desparticules
constituantes.Remarquons
le cas du calcium(20, 20).
On observequ’à
partir
de P = 18 les noyaux lesplus fréquents
s’arrangent
depréférence
sur la droite P+
4. Le calcium faitexception,
sonisotope
leplus fréquent
setrouve sur la
diagonale
et ce noyau est même le dernier pourqui
P = IV.Rappelons
d’autrepart
que,d’après
notre modèle du
potentiel,
la couche ;id finissant avecA~= 18 devrait ètre suivie d’une couche 2s. Il est
plau-sible
qu’une
couche fermée 2s deprotons
et deneu-trons existe dans le calcium
(20,
20) produisant
lagrande
stabilité de celui-ci. Dans les noyauxplus
lourdscette couche sera ensuite
dissoute,
étant moins stable que les couches extérieures suivantes. Nous rappro-chons cettesuggestion
de celle que nous avons donnée dansle ~
1 où nous avons admis commeprobable
quela couche 4d formée entre ~1~’= 50 et 1V= 60 se dissout dans les noyaux
plus
lourds.4.
Remarque
sur lepotentiel global.
-Reve-nons encore un instant sur le
problème
des « couchesintérieures ». S’il
n’y
avait pas en faveur de l’existence de la courbe .4 d mentionnée tout à l’heure des indica-tions nettes et d’autres indications en faveur d’uneexistence
passagère
d’unecouche 2s,
la succession des couches nucléaires seraitsimplement réglée
par la suite des nombresquantiques
azimutaux. La structure du noyau serait t alors semblable à celle d’unoignon
dont chacune desenveloppes
successives s’attache à l’extérieur de laprécédente.
Nous avons étudié dansII,
quelle
forme dupotentiel
global
correspond
à cette succession. Afin que les niveaux intérieurs soientdéplacés
au delà de la succession des niveauxprofond s,
lepotentiel
doitcomporter
un relèvement au centre etil doit méme y atteindre des valeurs positives assez
considérables. Le
potentiel
prend
donc une formeannulaire. Bien que ce résultat soit un peu
surprenant,
il semble valoir la
peine
del’interpréter
telquel
et d’en déduirequelques
conclusions.D’après
cetteimage,
uneparticule
qui pénètre
dans larégion
centrale du noyau y subit une forterépulsion.
Aquoi
attribuer cettefor-ce ? Elle
provient peut-être
des couches fermées et enparticulier
despremières
couches où ~1l = P et où les liaisons sont très stables. On sait que des moléculeschimiques
aux valences saturées exercent t une tellerépulsion
sur un atome assezvoisin,
mais que larépul-sion se
change
en attraction(de polarisation
ou de van derWaals)
pour des distances un peuplus
gran-des. Nos connaissances actuelles ne nous
permettent
pas d-affirmer que cette
image
d’une forcerépulsive
aucentre est
exacte;
il semblecependant
utile de lapré-senter comme une déduction
simple
et assez directe desexpériences.
5. Abondance naturelle des noyaux. - Pour
terminer,
il convient designaler
certainsrapports
entre les recherches actuelles et un travail récemment paru de
Guggenheimer
(’)
sur l’abondance des noyaux. Eneffet,
presque toutes lesrégularités
que nous avonspu trouver, surtout dans
11,
relèvent de l’abondance des noyaux et seraientprofondément
changées,
si larépartition
des noyaux de différentescatégories
était différente.Or,
Guggenheimer
a montréqu’on
peut
dégager
desrégularités
assez nettesquand
on cherche comment l’abondance des noyauxdépend
de P et de 1V. Il ainterprété
cesrégularités
en les termes d’unéquilü
bre
thermodynamique ;
même dans le cas où l’on devaitmodifier
quelque
peu cetteconception,
il reste désor-mais certain que larépartition actuelle
des noyaux apris
naissance sous des conditionsphysiques,
où il existait une relalion étroite et très sensible entre les abondances relatives des noyaux et leur stabilitééner-gétique. Guggenheimer
aremarqué
que si l’ondécou-vrait un
grand
nombred’isotopes
jusqu’ici
inconnus,
ils devraient être extrêmement rares et ne
changeraient
rien à nos considérations. De telle
sorte,
leprocédé qui
consiste à étudier des valeurs moyennes oùchaque
noyau est
pesé
avec safréquence
relative(p.
ex.poids
atomique chimique, excentricité, etc.~
sembleentière-ment
justifié.
Certains auteurs ontessayé
deprédire
de nouvelleespèces
d’isotopes.
De telles tentatives pren-draient leur vraie valeur au moment où l’on seraitca-pable
de direquelque
chose sur lesproportions
enlesquelles
cesisotopes
peuvent
exister.(1) K. GUGGEHEIMER, J. Phys., 1934, 5, 475.
Institut Henri Poincaré.