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Mesures concernant le rayonnement gamma diffusé
H. Ketelaar
To cite this version:
MESURES CONCERNANT LE RAYONNEMENT GAMMA
DIFFUSÉ
Par H. KETELAAR
(1).
Sommaire. 2014 Grâce à l’emploi de 7 g de radium on a pu étudier le rayonnement diffusé par des
écrans minces de plomb, dans des conditions très favorables.
La méthode d’absorption permet une analyse du rayonnement diffusé. On trouve une composante dure
intense dont le coefficient d’absorption est voisin de 0,4/cm de Pb. La proportion de cette composante dans le rayonnement diffusé total varie en fonction de la composition du rayonnement primaire. En filtrant le
rayonnement direct du radium avant qu’il atteigne les écrans diffusants, par des écrans de zéro; 1,35
et 3,0 cm de plomb, on a trouvé que la proportion de cette composante était respectivement égale à 6,6 ; 12,3 et 14,4 p. 100 du rayonnement diffusé total. Ces valeurs se rapportent à une composition du
rayonnement diffusé non altéré par son absorption partielle dans l’écran diffusant lui-même.
D’autre part le rayonnement de diffusion total présente un excès par rapport au rayonnement diffusé par effet Compton, qui est pour les mêmes filtres de 24, 48 et 53 pour 100 du Compton à 120°.
On sait que le
rayonnement
gamma diffusé par des corps de faible nombreatomique
obéit aux lois de ladiffusion par effet
Compton,
et que les formules lesplus
complètes
sur ces lois ont été établies par Klein etNishina (2).
D’autre
part
lerayonnement
diffusé par des corps de nombreatomique
élevécomprend
en outreun
rayonnement
plus
dur dont lacomposition
et l’inten-sité varient peu en fonction de la direction danslaquelle
on observe le
rayonnement
diffusé.En vue d’une discussion sur la nature de l’interac-tion entre les gamma et la matière des
écrans,
il était lcintéressant de déterminer avec la
plus grande
précision
possible
lacomposition
durayonnement
diffusé et l’intensité relative descomposantes
dures parrapport
au
rayonnement
diffusé par effetCompton.
Par unetechnique
améliorée,
etgrâce
àl’emploi
deprépara
tionsimportantes
de radium(jusqu’à
7gr), j’ai
cherché àpréciser
les données antérieures sur le mêmesujet.
,Intensité du
rayonnement
diffusé. - Le rayon nement étant diffusé par lesélectrons,
son intensitépour un métal donné est
proportionnelle
au nombred’électrons de l’écran. Pour des écrans d’un même métal et de même surface l’intensité est
proportionnelle
àl’épaisseur,
c’est-à-dire au nombre d’électrons par em2. C’est ce que vérifiel’expérience,
tant que lerayonnement
diffusé n’est pas absorbéappréciable-ment dans la substance même de l’écran. Tant
qu’il
en est ainsi on dit que l’écran est mince.Si donc on soumet au
rayonnement
incident desécrans « minces» d’aluminium et de
plomb
de mêmeforme,
onpeut
déterminer l’intensité durayonnement
(1) Aspirant du Fonds National de la Recherche Scientifique
de Bolgique.
(2) MEITNER et HUPFELD, Z. 1931, 146, 67. - GRAY
et
TARRANT. Proc. lloy. Soc., 1932, 223, 135. - STAHEL et KETELAAR.
J. de
Physique,
1934, 512, 10.diffusé par chacun
d’eux,
etrapporter
cette intensité à un électron par cm~. Pour arriver à ce résultat onporte
engraphique
les intensités observées en fonction del’épaisseur
du radiateur mesurée en nombred’élec-trons/cm’
de l’écran. Lafigure
1 donne l’intensité duFig. 1. - Intensité du
rayonnement diffusé à M0~ par des écrans de 15 cm de côté. (Filtre primaire : 1,35 cm Pb.)
rayonnement
diffusé par des écrans depetites
dimen-sions,
15 cm decôté,
soumis entièrement au rayonne-ment incident. Les mesures sont effectuées à l’aide d’une chambre d’ionisationremplie
de CO2 à
lapression
de 15atmosphères.
L’unité d’intensiLé est liée à lavitesse de
déplacement
du fil del’électromètre,
U = 10-1
cm/sec
(sensibilité statique
~6,6 cm/v;
capacité
voisine de 17cm).
L’emploi
d’un écran depetit
formatpermet
desou-mettre toutes les
parties
de celui-ci aurayonnement
incident direct. Mais sa
petitesse
limite l’intensité durayonnement
diffusé. Laprécision
des mesures s’en244
trouve affectée. Pour remédier à cet inconvénient on
peut
se servir d’écransplus grands
(fig. 2).
Dans ce cas le
plomb
du canal où se trouve la sourceabsorbe une
partie
des rayonsatteignant
lapériphérie
de l’écran. La
qualité
durayonnement
qui
atteint cette zone depénombre
n’est donc pasrigoureusement
la mêmequ’au
centre. Toutefoisl’expérience
a montréque cette zone était étroite et que son influence était
négligeable.
Lerapport
entre lesrayonnements
diffusés par leplomb
et l’aluminium n’est pas sensiblementaltéré.
Fig. 2. - Schéma du
montage des écrans diffusants.
Pour déterminer les dimensions utiles d’un
grand
écran il suffit de comparer l’intensité totale durayon-nement
qu’il
diffuse à l’intensité durayonnement
dif-fusé par unpetit
écran de mêmeépaisseur.
L’expé-rience a montré que dans les limites où le filtre
pri-maire a été modifié au cours de ces mesures, cette
sur-face utile était
indépendante
del’épaisseur
du filtreprimaire.
Des observations ont été effectuées avec des écrans de 50 cm de
côté,
dans une direction faisant unangle
moyen de 120°
7°)
avec la direction durayonnement
incident. La
préparation
de 2 g était assez forte pourpermettre
des mesures, mêmelorsque
lerayonnement
primaire
était filtré assez fortement. Les mesures ont été effectuées avec des filtresprimaires
dezéro,
de1,35
cm et de3,0
cm deplomb,
Comme on l’a montré, ailleurs
(J. /~A~., 1933, 8~ 471),
seules lescomposantes
les
plus
dures durayonnement
incident suscitent la formation durayonnement
secondairedur,
alors que toutes lescomposantes
interviennent dans lephéno-mène de diffusion par effet
Compton.
Il s’ensuitqu’en
filtrant lerayonnement
primaire
on affaiblit dans uneplus
forteproportion
lerayonnement
diffusé par effetCompton
que lerayonnement
durqui
lui estsuper-posé.
Laproportion
durayonnement
dur dans lerayonnement
total sera donc d’au tan tplus
grande
quele filtre
primaire
seraplus épa,is.
Les résultats sontconsignés
au tabteau 1 etreprésentés
par lafigure
3. TABLEAU 1. - Intensité durayonnenlent
di f fusé,
enfonction
del’épaisseur
dudiffusant,
pourdifférents
filtres pî-intaires.
Fig. 3. -
Rayonnement diffusé à 120- par des écrans de 50 cm
de côté en aluminium et en plomb. (Filtres primaires : zéro;
1,32 cm et 3,0 cm Pb.)
représente respectivement
24 pour1 00,
48 pour 100 et ]53 pour 100 du
rayonnement
Compton
suivantl’épais-
1 seur du filtreprimaire.
]
Composition
durayonnement
diffusé. - On1 voit sur la
figure
3qu’une
courbequi
représente
l’in- 1tensité en fonction de
l’épaisseur,
se confond pour lespetites épaisseurs
avec satangente
initiale. Onpeut
(voir
J.Physique,
1934,
10,
515)
tirer durapport
entre latangente
initiale et la limite certaines conclu-sionsquant
à lacomposition
de l’excès de diffusion duplomb.
Mais la valeur de cetteinterprétation
estren-due
précaire
par lacomplexité
duspectre
du rayonne-ment incident et par l’incertitude sur les valeurs descoefficients d’affaiblissement des divers
rayonnements
dans les conditionsd’expérience.
Cette méthode nepourra
donc,
dans le cas d’unrayonnement
complexe,
servirqu’à
la vérification sommaired’hypothèses
ti-rées d’ailleurs. Et il estpréférable
de déterminer lacomposition
durayonnement
diffusé par une méthodeplus
directe.On connait la méthode habituelle
qui
permet
de déterminer lacomposition
d’unrayonnement
parabsorption.
Enl’appliquant
aurayonnement
diffusé par un écran mince on se heurte à une difficultéexpé-rimentale : l’intensité initiale étant
trop
petite,
l’ab-sorption
nepeut
êtrepoussée
quejusqu’à
une faibleépaisseur
du filtre absorbant. Si on recourt d’autrepart
à un diffusantépais l’absorption
durayonnement
diffusé à l’intérieur même du diffusant altère la compo-sition durayonnement
diffusé,
celui ci se trouvantprivé
d’uneplus
forteproportion
de sescomposantes
lesplus
molles. C’est pour éluder ces inconvénients quej’ai
eu recours à une méthode que voici.Parmi les courbes de la
figure
3 considérons parexemple
celle duplomb
pour un filtreprimaire
nul. Latangente
initialepermet
de déterminer l’intensité totale durayonnement
diffusé par un écrand’épaisseur
quel-conque pour autant que celui-ci soit « mince »,
c’est-à-dire pour autant que la
composition
ni l’intensité durayonnement
diffusé ne soient altérées parabsorption
daus le diffusant même.
Or il est à remarquer que
l’épaisseur
jusqu’à laquelle
un écranpeut
être considéré comme « mince »dépend
du coefficient d’affaiblissement du
rayonnement
diffusé dans la substance de l’écran. Si le coefficient d’affai blissement estégal
àle
rayonnement
sera affaibli de 1 pour 1()0après
uneépaisseur
égale
à d’autantplus petite
parconséquent
que lio estplus
grand.
Autrement dit : un écran estplus
longtemps
« mince » pour un
rayonnement
dur que pour unrayonnement
mou. Déterminons alors une courbeexpérimentale
comme nous l’avons fait pour celles dela
figure
3 mais enplaçant
devant la chambred’ionisa-tion un
premier
filtre absorbant. Si lespoints
expéri-mentaux
permettent
le tracé d’unetangente initiale,
cette dernière donnera l’intensité durayonnement
dif-fusé par un écran « mince oquelconque,
filtré cette fois par le filtre absorbant considéré,. On adonc’
ainsi unpoint
de la courbed’absorption
durayonnement
dif-fusé par un écran mince.Un
avantage
de cette méthode est que cepoint
est bien déterminépuisqu’il
est déduit d’un groupe deplusieurs
observationsindépendantes.
Enaugmentant
l’épaisseur
du filtre absorbant onpeut
déterminer ainsiFig. 4 et 5. - Intensité du
rayonnement diffusé, en fonction de l’épaisseur du diffusant, pour différents filtres d’absorption. (Filtre primaire : 3 cm de plomb Source : 7 g de radium.) les
point
successifs de la courbed’absorption.
Les246
La
figure 4
serapporte
auxplus
petites
épaisseurs
du filtre
d’absorption.
Lestangentes
initiales sont bien déterminées : lespoints
dugraphique
sont bienalignés
et n’annoncent pas encore la courbure queprendront
les courbes à de
plus
grandes épaisseurs
du radiateur. Lafigure 5
serapporte
à deplus grandes
épaisseurs
des filtresd’absorption.
La méthode reste
applicable
aussilongtemps
que lespoints
expérimentaux
permettent
de déterminer latangente
initiale. Et songrand avantage
résulte del’observation faite ci-dessus :
qu’un
écran resteplus
longtemps
mince pour unrayonnement
dur que pour unrayonnement
mou. C’est ainsi parexemple
qu’un
écran diffusant de 1 mm de
plomb
(~75.
1023ét/em2)
absorbe une fractionappréciable
durayonnement
diffusé mou, comme on
peut
le constater à lafigure
3;
mais que lescomposantes
diffuséesqui
traversent l’écran absorbant de 16 mm parexemple
varient encorelinéairement pour des diffusants
d’épaisseur
supérieure
à 1 mm, comme on
peut
le voir à lafigure
il. Ainsi l’observation durayonnement
diffusépeut
être utilisée pour des écransplus épais.
Fig. 6. -
Absorption du rayonnement diffusé par des écrans minces (rapportés à une épaisseur de 10’5 (Source : 7 g Ra; filtres primaires : zéro; 1,35 cm et 3,0 cm Pb.)
L’interprétation
de ces courbesappelle
aussiquel-ques réserves. L’examen de la
figure 5
montre notam-ment que la détermination destangentes
initiales rela-tives aux absorbants lesplus
épais
n’est pas tout à faitdépourvue
d’incertitude. Constatons aussi enpas-sant que par
l’emploi
de diffusants trèsépais,
onpeut
encore déterminer des
points qui
donnent l’intensitéobservée,
maisqui
nepermettent plus
de tracer unetangente
initiale. Cespoints
sont doncperdus
pourcette méthode : ils ne donnent
plus
derenseignements
sur l’intensité du
rayonnement
diffusé par des écransminces. Mais ils restent encore utilisables en tant
qu’ils
se rattachent à une courbed’absorption
relative à uudiffusant
épais.
Je reviendraiplus
loin sur ce derniercas.
Les valeurs déduites des
tangentes initiales,
etqui
donnent parconséquent
les courbesd’absorption
durayonnement
diffusé par un écran mince sontportées
dans lafigure
6.Cette
figure
contient les courbesd’absorption
rela-tives à trois différentesépaisseurs
du filtreprimaire.
On y voit que lapente
finale définit un coefficient d’affaiblissement deO,4jcrn
deplomb.
Des mesuresprécédentes
(J.
Physique,
1934,
10,
516),
qui
avaientpermis
de pousserl’absorption
directejusqu’au
mêmepoint
à peuprès,
avaient mené à une conclusionana-logue.
Si cettecomposante
n’est pasrigoureusement
monochromatique
il semblecependant
certainqu’elle
correspond
à une bande intense au delà delaquelle
ilpeut
encore exister unrayonnement
plus
dur,
mais alors nécessairement peu abondant.Composante
laplus
dure durayonnement
dif-fusé. - Pour déterminer lacomposante
laplus
dure durayonnement diffusé,
considérons lafigure
7qui
Fig. 7. -
Absorption du rayonnement diffusé par un écran de
plomb épais, à 420~. (Source, 7 g; filtre primaire, 4,35 cm Pb.) donne une courbe
d’absorption complète,
utilisant lesderniers
points
obtenus directement. On voit quel’ab-sorption peut
êtrepoussée
plus
loin que par la méthodeprécédente,
et que l’on décèle l’existence de compo-santesplus
dures. Cettefigure
a été établie enrecou-rant à une
préparation
de 7 g, etl’absorption
a étépoussée jusqu’à
68 mm deplomb.
Il seraitillu-soire de chercher à déterminer la dureté des
admettre pour cette
pente
à peuprès n’importe quelle
valeur,
sous la seule réserve que si on se donne unevaleur de la
pente
l’intensité de lacomposante ayant
cette dureté se trouveautomatiquement
fixée.Si nous supposons que le
rayonnement
leplus
durqui
existe dans lerayonnement
diffusé ait la mêmequalité
que lerayonnement
incident onpeut
détermi-ner laquantité
maximum d’unrayonnement
pareil.
Des mesures effectuées dans des conditions
expérimen-tales
identiques
ont montré quel’absorption
du rayon-nement incident donnait unepente
de0,21/em
Pb. Admettons que les dernierspoints
de lafigure
7 soient dus à laprésence
d’une tellecomposante.
On trouvera laproportion
de celle-ci dans lerayonnement
nonfiltré en faisant passer par les derniers
points
unedroite dont la
pente
estégale
à L’intersection de cette droite avec l’axe des ordonnées montre que lepourcentage
d’une tellecomposante
est de l’ordre de 1 pour 100 durayonnement
total et de 10 pour 100 de lacomposante
dure considéréeprécédemment.
Nous comparerons dans un travail ultérieur ce résultat au résultatthéorique
trouvé par Franz(Z. Physik,
1935,
98, 314)
relativement aurayonnement
diffusé sanschangement
delongueur
d’onde.On
peut
doncadmettre,
sansgrande
erreur, que lacomposante
dure laplus
intense durayonnement
dif-fusé par des écrans minces deplomb
a unepente
voi-sine de0,4/cm
deplomb.
Onpeut alors,
d’après
lafigure
6,
déterminer laproportion
de cettecomposante
parrapport
aurayonnement
total. On trouvequ’elle
est de
6,6
pour 100 dans le cas d’un filtreprimaire
nul.12,3
pour 100 dans le cas d’un filtreprimaire
de1,3~
cm de Pb(0,347 .102;>
éljcm2).
14,4
pour 100 dans le cas d’un filtreprimaire
de 3.0 cm de Pb(0,828.120;> él/em2).
Les conclusions que l’onpeut
tirer de ces résultatsquant
au mécanisme deproduction
durayonnement
dur diffuséparaîtront
ultérieurement dans un articlepublié
en collaboration avec MM. Stahel etKipfer.
Je remercie le Fonds National de la Recherche
Scien-tifique
de l’aidequ’il
m’a accordée au cours de l’exécu-tion de travail. Je remercieégalement
M. A. Piccard del’hospitalité
qu’il
m’a donnée dans ses laboratoires et de l’intérêtqu’il
a,porté
à ce travail. Je remercieparticulièrement
M. E. Stahel de la bienveillance aveclaquelle
il n’a cessé de me conseiller dans l’exécution de ces recherches.Note à la correction.-Dans une note de MM. Bothe et Gentner parue le 13 mars
1936,
dans lesNaturwis-senschaften se trouvent des résultats relatifs à la
diffusion du
rayonnement y provenant
d’une source de Th C". Par une méthode d’écransminces,
analogue
à celle
