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La désintégration des éléments par les protons de grande
vitesse
J.-D. Cockcroft
To cite this version:
I.E JOURNAL DE
PHYSIQUE
ETLE
RADIUM
LA
DÉSINTÉGRATION
DESÉLÉMENTS
PAR LES PROTONS DE GRANDE VITESSEPar J.-D. COCKCROFT
(1).
SÉRIE
VII.
TOME IV. AOUT4933.
N, 8.Rutherford et Chadwick ont découvert en 1919
qu’un
certain nombre d’élémentslégers
émettent desprotons
quand
on les bombarde avec desparticules
x; on doit en conclurequ’une
petite
fraction desparticules a pénètrent
dans le noyau de l’élémentbombardé,
pro-duisantl’éjection
d’unproton
et la transmutation de l’élément en un autreayant
unpoids
atomique plus
élevé de trois unités. Voiciquelques exemples
de cette transmutation.Oa a trouvé que la
probabilité
d’entrée de laparticule
a et de transmutation décroîtrapidement
quand
la vitesse de laparticule
diminue ;
lesparticules
ad’énergie
inférieure à 3 millions de voltsproduisent
trop peu de
transmutations pour que Inobservation de ladésin-tégration
soitpossible.
Bienqu’un
courant d’ions héliumtransportant
unmicroampère
soitéquivalent
auxparticules
émises par 180 g deradium,
il n’était pasencourageant d’essayer
alors la
production
artificielle d’ions hélium pour ladésintégration.
D’autantplus
que lesidées classiques
alors courantes auraientpermis
au Professeur Rutherford de calculerqu’un
proton
devait avoir uneénergie
d’au moins un million de volts pour franchir la barrière depotentiel
qui
entoure le noyau des atomes même lesplus légers ;
ce calcul aurait naturelle-ment suffi àdécourager
toute tentative dans ce sens.La
position
duproblème
futcomplètement changée
par la théorie du noyau de Gamow et par les idées de la mécanique ondulatoire ausujet
du francliissement des barrières depotentiel
par lesparticules.
A cause despropriétés
ondulatoires de laparticule,
il y atou-jours
uneprobabilité
finie depénétration.
Peuaprès
lapublication
de la théorie deGamow ;
nous avons calculé laprobabilité
depénétration
d’unproton
dans le noyau des élémentslégers
et trouvé que, pour des protons dequelques
centaines de millevolts,
elle était environun millième
(1,i1000 )
après
collision avec le noyau.A peu
près
au mêmemoment,
le travail deCoolidge
avait montréqu’il
étaitpossible
d’obtenir des électrons de 300 000 à 60U 000 volts. Il semblait clairqu’on
pourrait produire
des courants deprotons d’énergie
analogue
et d’une intensité deplusieurs
mieroampères.
Comme unmicroampère
correspond
à 5.101~protons
à laseconde,
nous avonssupposé que,
si la
pénétration
d’unproton dans le noyau
produit
un effetobservable,
on devait constater un nombreimportant
dedésintégrations.
Laprincipale
incertitude del’expérience
étaitl’impossibilité
de prédire quelle
réaction auraitlieu ; quelques
personnes, Gamow et Feather.en
particulier,
avaientsuggéré
l’émission departicules
a.(~) Conférence aux réunions de Pâques de la Société de Physique.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. - SÉRIE
VII. -
T. IV. - N° 8. -
AOUT 1933. 29.
422
Nous décidâmes donc que
l’expérience
valait lapeine
d’être tentée et nous *entreprîmes
de construire ungénérateur
à hautvoltage
pouvant
produire
unpotentiel
constant de 700 000 volts. Cegénérateur
fut choisi à cause de ses nombreuxavantages.
En se servant depotentiels
constants,
onproduit
des ions de vitesse uniforme et leur nombre estbeaucoup
plus grand
que celui des ionsproduits
par des sources comme les bobines de Tesla ou lesgénérateurs
àimpulsion
danslesquels
levoltage
maximum estappliqué
seulementpendant
un
temps
très court. Notregénérateur
à hautvoltage
se compose d’untransformateur,
quatre
redresseurs à deux électrodes et
quatre
condensateursdisposés
dans un circuit tel que levoltage
du transformateur estmultiplié par 4 ;
onproduisait
ainsi unpotentiel
constant allantjusqu’à
700 000 volts. Les redresseurs dont chacun doitsupporter
unpotentiel
de 400 000 volts sontdisposés
en forme de tourcomposée
de 4cylindres
de verre d’un mètre de hauteurchacun;
la tour est vidée à l’aide d’une pompe à huile àdiffusion,
lesjoints
entre lescylindres
de verre étant faits avec duplasticène.
Cetappareil
constitue une source à hautvoltage digne
de toute confiance. Lesprotons
sontproduits
dansl’hydrogène
par unedécharge
dans un tube à rayons canaux. Ilspénètrent
à travers la cathode tubulaire dans deux tubesplus larges
où on maintient un vide élevé et ils descendent suivant l’axe destubes d’acier. Le
générateur
à hautpotentiel
es t relié aux deuxtubes,
la moitié dupotentiel
étant maintenue sur
chaque
tube de sorte que les protons sont accélérés en deuxfois ;
lesprotons
atteignent
une vitesse de 109 cm : sec et arrivent dans la chambred’expérience
où ilsfrappent
une cible du métal à étudier. Dans cespremières
expériences,
une cible de lithium étaitplacée
en face d’unepetite
fenêtre de mica sur le côté dutube,
la fenêtre de micaayant
uneépaisseur
suffisante pourempêcher
la sortie desprotons
diffusés. De l’autre côté de la fenêtre de mica étaitplacé
un écran à scintillation et unmicroscope. Quand
lepotentiel
accélérateur était élevé à 100 000 voltsenviron,
onvoyait
de suite des scintillations dutype
de cellesproduites
par lesparticules
a. Une chambred’expansion
de Shimizu étantplacée
en face de lafenêtre,
on a observé les traces desparticules
et trouvé que leurpar-cours était d’environ 8 cm. Des observations
plus précises
ont été faites ensuite avec unechambre
d’ionisation,
unamplificateur
et unoscillographe, appareillage
mis aupoint
par°
Wynn-Williams.
Lagrandeur
de la déviation del’oscillographe
est une mesure de l’ionisa-tionproduite
par lesparticules
et on a vu que l’ionisation croît en mêmetemps
quel’épais-seur d’adsorbant contenue dans le
trajet
de laparticule
c’est-à-dire que l’ionisation croîtquand
la vitesse décroît. Si onporte
sur ungraphique
la déviationoscillographique
enfonc-tion de
l’épaisseur
d’absorbant,
on obtient la courbe deBragg
de laparticule.
Encomparant
cette courbe avec celle donnée par des
particules
a, nous avons pu démontrer que lesparti-cules
projetées
par le lithium étaient bien desparticules
a. En mesurant la variation de leur nombre avecl’épaisseur d’absorbant,
nous avons obtenu des courbesd’absorption, qui
montrent que
l’énergie
maximum desparticules
est8,6
millions
devolts,
correspondant
àun parcours de
8,4 cm.
L’énergie
desparticules
nechange
pas d’unefaçon
appréciable quand
l’énergie
desprotons passe de 200 à 450 kilovolts.
Nous avons en
conséquence proposé
la réaction suivante :Nous supposons que
quelques
protons
pénètrent
dans le noyau del’isotope
Li’,
que le nouvel élément BeR formé est instable à cause de l’excèsd’énergie qu’il
contient etqu’il
sedécompose
alors en deuxparticules
a.Connaissant
les masses deLi7,
duproton
et de laparticule
a, onpeut
calculer la variation de masse dans la transformationz
Massue
équivalente
àl’énergie
de deuxparticules
a0,0184.
On voit que cette
énergie
est en accord raisonnable avec laperte
de masse dans la trans-formation.La
figure
suivante montre uneexpérience
où l’on a cherché à vérifierl’hypothèse
d’unedécomposition
du lithium en deuxparticules
x.Fig. i . - Expérience de coïncidence.
Le courant de
protons
frappait
unepetite
cible de lithium assez mince pour que lesparticules,% provenant
de ladésintégration puissent
la traverser facilement. Deux écrans de scintillation étaientplacés de ~chaque
côté de la cible et deux observateurs notaient les scintillations sur un ruban mobile. On a trouvéqu’il
seproduisait
environ 25 pour 100 decoïncidences, à peu
près
cequ’on
devait trouverd’après
ladisposition géométrique
del’expérience,
si lesparticules
étaient émises parpaires
dans des directionsopposées.
Uneconfirmation,
plus
certaine de cettehypothèse
vient d’être donnée par desexpé-riences conduites par Kirchner avec une chambre de Wilson
(Bayerische
Akad. p. t ~9(i933)
"et par Dee dans le Cavendish
Laboratory.
Lafigure
suivante(fig.
2,
Planche)
montre lestrajectoires
desparticules
(J.provenant
desdésintégrations
produites
dans une couche mincede lithium. On voit
qu’une
paire
departicules
est émise dans deux directionsopposées.
Après
cesexpériences,
on a examiné deplus près
la courbed’absorption
du lithium pour les faibles parcours en utilisant des fenêtres de micabeaucoup
plus
minces sur letube;
les résultatsindiqués
sur lafigure
3 ont été obtenus. On voitqu’il
y a deux groupesprin-Fig. 3. - Courbe
d’absorption du Lithium.
cipaux cle particules
ri, lepremier
ayant
un parcours de moins de 2 cm. Lesénergies
des deuxgroupes sont ainsi
respectivement
3 et8,6
millions devolts,
les nombres departicules
dans les deux groupes étantapproximativement égaux.
Ilapparaît
commeprobable
que la424
n’ayant
d’ailleurs pas encore été déterminée. Il est naturellementpossible
que ces groupessoient
complexes ;
desexpériences
plus
détaillées seront nécessaires pour élucider ce fait. On a déterminé seulementapproximativement
le nombre desdésintégrations produites,
à différentsvolcages,
à cause de l’incertitude dans les nombres relatifs desprotons
et des ions moléculaires dans nos faisceaux et dudegré d’oxydation
de la cible. Si on suppose quecelle-ci est couverte en
pratique
d’une couched’hydroxyde
delithium, et que la
pénétration
des
protons
est seulement lequart
de celle obtenue dans le lithium pur, on trouvequ’une
désintégration
estproduite
approximativement
par i0’ protons à 500 kilovolts pour unecible
épaisse
de lithium pur.Le travail de Lawrence en Californie à étendu la courbe à
1, 2
million devolts;
le travail deRutherford,
Oliphant,
Kirchner,
etautres,
a montré que lesdésintégrations
pouvaient
êtreproduites
par desvoltages
aussi bas quevingt
kilovolts. La courbecomplète
de variation avec levoltage
est montrée sur lafigure
4. Cette courbe est en accord satis-faisant avec la théorie de Gamow. Au-dessus de 700 K.V.,
la courbe suit une loi enpuis-sance
3/2,
montrant quel’augmentation
du nombre au-délà de cevoltage
est dûeprincipa-lement à la
plus grande pénétration
desprotons
dans la cible de lithium.1"1 1. ,i. - Variation avec le
voltage.
Nous avons étudié ensuite
soigneusement
ladésintégration
du bore. Enemployant
desfenêtres minces de mica sur notre
tube,
nous avonstrouvé,
à notregrande surprise,
que pour desvoltages
de 250 à 500 K.V.,
nous obtenionsbeaucoup
plus
departicules
xqu’avec
une cible de lithium dans les mêmes conditions. Lafigure 5
montre la courbed’absorption
desparticules *.
On voit que laplupart
desparticules
ont un parcours de 1.8 centimètreenviron;
mais il en existe de toutes vitessesjusqu’à
cellecorrespondant
à un parcours de4,t
cm.Ceci est en accord avec
l’hypothèse
que le noyau del’isotope
bore onze sedécompose
en troisparticules
a. Dans ce cas toutes les directions relatives sontpossibles
pourvuqu’elles
soient en accord avec la conservation de laquantité
de mouvement. Laparticule
d’énergie
maximum seraproduite lorsque
la direction d’uneparticule
estopposée
à celles des deuxautres,
et dans ce cas une desparticules
prendra
deux tiers del’énergie
totale.Quand
lesparticules
sont émises à 120degrés
l’une del’autre,
chacune d’elles aura un tiers del’énergie
totale,
c’est-à-dire une moitié del’énergie
desparticules
duplus grand
parcours.’La courbe
d’absorption
montre en effet que lesparticules
lesplus
nombreusespossèdent
presque
exactement la moitié del’énergie
maximum. La distribution à 120degrés
semble donc être làplus
probable.
’
Fig. 5. - Courbe
d’absorption
du Bore.La courbe de la variation du nombre des
particules a
avec levoltage
est du mêmetype
:que celle dulithium,
commençant par
une montéeapproximativement
exponentielle
etcontinuant par une loi en
puissance approximativement
3/2
jusqu’à
1.2 million de volts.’
Pour un
voltage
de 500 K. V.environ,
uneparticule a
estproduite
par 2.5 X ~06protons, de sorte que si
nous supposons 3particules
pour unedésintégration
unedésinté-gration
estproduite
par 7.5 X 10hprotons.
Laprobabilité
d’unedésintégration,
n’est donc ,pas sensiblement différente de celle observée par lelithium ;
on observe unplus grand
nom-bre de
particules
pour le bore à cause duplus
grand
nombre departicules
émises dans unedésintégration
et à cause del’oxydation
de la cible de lithiumqui
diminue le rendement. Lord Rutherford etOliphant
ont étudié la variation du nombre desparticules a
avec le-voltage
pour une couche monomoléculaire de bore et de lithium. La courbe obtenuedonne,
pour des
particules
de vitessevariable,
la fonction d’excitation pour un noyau de bore,c’est-à dire le
produit
de laprobabilité
depénétration
du noyau par la sectiondroit,
-efficace;
si on trace en mêmetemps
la courbethéorique
calculée àpartir
de la fonc-tion deGamow,
on obtient un accord satisfaisantjusqu’à
deux cent mille volts.Pour les autres éléments du
type
4n+
3 que nous avonsétudiés,
nous avons observé desparticules
a dans le cas dufluor,
et il sembleprobable
que ladésintégration
suivante alieu :
Fia
+
p=(11s +
a. Parcours desparticules a
2.9 cm.Dans ce cas, le
type
de transformationproposé
résulte de la valeur des massesnucléaires et de
l’énergie
associée à laparticule
a. A 500 K. V.environ,
on observe avec le fluor 6 fois moins dedésintégrations
qu’avec
le lithium dans les mêmes condition.La
désintégration
de l’aluminium n’a pas encore été étudiée avec lecompteur
électrique
à desvoltages supérieurs
à 200 K. V. Au-dessous de 200 K.V.,
Rutherford etOliphant
n’ont pas trouvé trace de
désintégration.
Nous avons ainsi observé des
particules
dans le bombardement d’éléments destypes
4n et 4n
+
1. Parexemple
uneplaque
degraphite
Acheson donne 40 000particules
par426
cible de
glucinium
donne à peuprès
le même nombre. Si cesparticules x proviennent
d’une transmutation du carbone et duglucinium,
il semble nécessaire que les réactions suivantes aient lieu :Cependant,
comme le nombre desparticules
observées dans ces deux cas est trèsfaible, environ le millième de celui observé pour le bore,
il estpossible
que cesparticules
proviennent d’impuretés
dans les ciblesutilisées;
1/1000
de bore suffisant àexpliquer
les résultatsobtenus,
il faudra donc veiller attentivement à l’élimination de cetteimpureté.
La même difficulté se rencontre pour les éléments
plus
lourds. Nous avons trouvé que,sous l’influence d’un bombardement de
protons,
on obtenait desparticules a
avecl’alumi-nium,
lecalcium,
lecuivre,
lenickel,
lecobalt,
l’argent,
leplomb
etl’oxyde
d’uraninm,
mais enquantité
si faiblequ’une
faible trace de bore suffisait àexpliquer
les résultatsobte-nus. Etant donné le caractère
surprenant
de cesrésultats,
Lord Rutherford etOliphant
ont étudié
soigneusement
lapossibilité
dedésintégration
de l’uranium et du thallium par des protonsd’énergie
inférieure à 200 KV.Ils ont obtenu d’abord une
augmentation marquée
du nombre desparticules
aémises,
sous l’influence du bombardement
protonique.
Mais le nombre desparticules
varie selonque la cible a été ou non
exposée
à unedécharge
dans letube,
comme le montre le cliché suivantqui représente
desinscriptions oscillographiques
obtenues dans différentes condi-tions. Lapremière
montre lesparticules
a émises naturellement parl’oxyde
d’uranium.Les suivantes montrent l’émissionpendant
le bombardementprotonique,
la cibleayant
étéexposée
à unedécharge
dans le gazpendant
ledégazage
du tube. La dernièreinscription
étaitprise
avec une nouvelle cible dans letube;
dans ce cas on n’a constaté aucuneaugmen-tation par
rapport
à l’émission naturelle et on en a conclu que lesaugmentations
observées tenaient à desimpuretés déposées
sur la ciblependant
ledégazage.
On nepeut
donc s’attendre à obtenir trèsrapidement
des résultats dans cet ordre derecherches,
leplus
grand
soin devant êtreapporté
àl’élimination
desimpuretés.
Je me
permettrai
pour conclure deprésenter
quelques
spéculations
d’un caractèreastrophysique.
Nous avons vu que les protonsayant
desénergies
àpeine supérieures
à 30 liv .pouvaient produire
un nombreappréciable
dedésintégrations.
En unpoint
d’une étoile oùla
température
est 50 millions dedegrés,
l’énergie
moyenne des protons est 6 000 volts et 1proton
sur 1000possède
uneénergie
entre 30 000 et 40 000 volts. Parconséquent
desdésintégrations
doivent êtreproduites
enquantités
énormes à l’intérieur d’uneétoile;
nncalcul
simple
montre que, à unetempérature
de 5.107degrés,
le lithium et le bore doiventdisparaitre complètement
en destemps
de l’ordre de 1 milliond’années,
s’iln’y
a pas desprocessus de
synthèse correspondants.
Tant que nous n’aurons pas une connaissance
beaucoup plus complète
de tous les diffé-rentstypes
dedésintégration
et desynthèse,
il nous sera difficile de nous faire une idée exacte des processus qui ont lieu à l’intérieur d’uneétoile;
dès maintenant il semble cepen-dant clair que leproton
doitjouer
un rôle trèsimportant
dans la détermination deFig.2.
Fig. U. - L30~, particules naturelles
Fig. 6. -
U.0, bombarde il 160 KY, 10 p.~i, après décharge
Fig. 6. - Tl, bombardé à 9t~11 KY, 10 tJ _B,
aprl’s décharge.
Fig. 6. -
