Une technique d'étude des réactions d'échange isotopique

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Une technique d’étude des réactions d’échange

isotopique

M. Haïssinsky, B. Pullman

To cite this version:

LE

JOURNAL

DE

_PHYSIQUE

ET

LE

RADIUM

UNE

_{TECHNIQUE D’ÉTUDE}

DES

_{RÉACTIONS D’ÉCHANGE ISOTOPIQUE}

Par MM. M.

HAÏSSINSKY

et B. PULLMAN.

Sommaire. 2014 Le taux

d’échange dans une réaction _d’échange isotopique pouvant être _{évalué par} la comparaison des activités de deux couches _{d’épaisseur égale,} on montre par l’examen de l’absorption

du rayonnement 03B2 dans la masse du corps émetteur, qu’il est nettement avantageux d’effectuer les

mesures en couche _{d’épaisseur égale} ou _{supérieure à celle nécessaire pour l’obtention du palier} d’activité.

Les mesures _permettent alors d’avoir directement le taux d’échange sans _qu’il soit nécessaire de connaître

les _quantités en _présence.

SÉRIB III. - TOME VIII. N° 2.

_{FÉVRIER’~19~}

La méthode de mesure des

_produits

actifs en

couche « mince o

paraît

être la seule

employée

jusqu’ici

dans l’étude des réactions

d’échange.

Afin

de se trouver dans des conditions

_comparables

et

d’éliminer au maximum les erreurs de

_{mesures .qui}

pourraient

être dues à

_{l’absorption}

du

rayon-iiement 5

dans la masse même du _corps

_rayonnant,

les auteurs

_essayent

en

_général

d’obtenir un étalement

très mince et aussi

_homogène

_que

_possible

des

produits,

ou d’une

_partie

des

produits,

_ayant

participé

à la réaction. Cette

_technique

nécessite des

_pesées

très

_précises,

et la

_{préparation de}

deux couches

minces,

d’épaisseur

et de distribution

identiques,

est souvent très difficile. Lors d’une étude

_{expérimentale}

sur les réactions

_d’échange

entre

_Pb02

ou

_MnO2

et des solutions de sels de Pb

et Mn nous avons eu de

_grandes

difficultés à

_opérer

par cette méthode et à obtenir des résultats repro-ductibles. En

effet,

comme nous le verrons

_plus

loin,

lorsqu’on

fait des mesures en couche très

mince,

une faible variation

_{d’épaisseur}

_peut

pro-voquer une

_grande

variation de l’intensité mesurée

et l’on

_risque

ainsi d’obtenir des résultats erronés.

Principe général

d’évaluation du taux

d’échange.

-- D’une

façon générale,

le taux

d’échange

dans une réaction donnée

_peut

être

évalué _par la

_comparaison

des activités de deux couches

_{d’épaisseur égale,}

_provenant

des substances

qui

ont

_pris

_{part à}

la

réaction,

sans _que ces couches soient

_{obligatoirement}

très

_minces,

à la condition

toutefois

_qu’elles

_{soient constituées par} des _corps

se trouvant dans le même état

_chimique

et

_physique

(même

combinaison

_chimique,

même état de

pulvé-risation,

etc.)

et _{que les} mesures soient effectuées

dans les mêmes conditions

_{géométriques}

_(porteurs

de sources de forme

_définie,

_position

fixe _par

_rapport

au

_compteur

ou à la chambre

d’ionisation,

etc.).

En

_effet,

soient _nll et _{mz les} nombres totaux d’atomes considérés dans les deux _corps

_ayant

participés

à la

_réaction,

l’activité initiale étant

concentrée entièrement dans le _corps

_I,

et _{soient p.,} et _{P2 les} nombres d’atomes actifs dans les deux corps

après échange,

nous _{pouvons définir} un

coefficient

_d’échange

oc tel que

Pour un

_échange

_complet

a, =1 et nous avons alors

Pour un

_échange

partiel

oc est un nombre

fraction-.naire inférieur à l’unité et le taux

_d’échange

est

égal

à 1o0 oc

_(en

_pour

_ioo).

La

_quantité

m

_représente

_pour

_chaque

substance

m

l’activité par atome ou l’activité

_spécifique.

Supposons

alors que pour effectuer les mesures

du taux

_{d’échange,}

nous

_opérions,

dans des condi-tions

_{physicochimiques}

et

_{géométriques identiques,}

sur deux couches

_{d’épaisseur}

_égale

contenant donc

34

le même nombre n

_d’atomes,

et

_{soient ql}

_{et q2}

les

activités mesurées de ces deux couches. On a évidemment

Le

_rapport

des mesures est donc

et donne ainsi directement le

_{coefficient d’échange}

dans les conditions

_{expérimentales}

réalisées,

sans

qu’on

doive connaîtra les

_quantités

_{7~1 ~}

m2 utilisées

pour

l’échange.

Variation de

_{l’acti~ité ~3}

en fonction de la masse

_{superficielle}

_{du corps actif.} - L’examen de l’évolution de l’intensité du

_rayonnement

électro-nique

en fonction de la masse

_{superficielle}

de la

substance

_rayonnante

montre,

d’autre

_{part, qu’il}

est nettement

_avantageux

d’effectuer les mesures

du taux

_d’échange

en couches

_épaisses.

La loi

exponentielle

de

_{l’absorption}

du

_{rayonnement g}

permet

d’établir la variation de l’intensité de ce

rayonnement

au sein même du corps émetteur,

dont les différentes couches monomoléculaires

_jouent

à la fois le rôle d’absorbants et d’émetteurs.

Soient,

en

_effet,

dans la substance étudiée de constante radioactive ); et de coefficient

_{d’absorption}

globale

in. :

No,

le nombre d’atomes actifs _par

couche;

n, le nombre de

couches;

x,

_{l’épaisseur}

totale;

,

l’épaisseur

d’une couche

monomoléculaire;

et considérons les mesures effectuées par un

_compteur

ou une chambre d’ionisation pour

_{rayons p}

situés

au-dessus de la substance. L’intensité totale mesurée

peut

être calculée de la

_façon

suivante : la

_première

couche du fond émet

_{/BN 0}

_{rayons par} unité de

_temps

qui

sont absorbés suivant la loi

_{exponentielle}

_par

une

_épaisseur

_(x-E),

l’intensité sortante due à

cette couche est donc

_{I1.--- ~Noe-~~.x’-E;;}

la deuxième couche émet de même

_}No

_{rayons par unité} de

_temps

qui

sont absorbés suivant la même _{loi mais par} une

épaisseur (x - 2 e),

l’intensité sortante due à cette

couche est donc

_{7~ === j.. No e-¡J. (.t’-2E}

1

et d’une manière

générale

l’intensité due à la

_pil’l11C

couche est

Il,

= J. No e-P.(X-pE).

L’intensité totale évaluée par

l’appareil

de mesure

est donc

L’intensité

_part

_{de zéro pour x} = o et tend

asymptotiquement

vers une valeur limite

_égale

à k

pour x == 00.

_Pratiquement

on obtient assez vite

pour une certaine valeur de la masse

superficielle

un

_palier

d’activité. Au delà de cette valeur limite

l’augmentation

de la masse

_{superficielle}

n’entraîne

plus d’augmentation

observable d’activité. On

_appelle

« couche

_{épaisse »}

une couche

_{d’épaisseur}

_{telle que}

son activité reste constante

_malgré

_{l’augmentation}

_ Fig. i a ct b.

de la masse

_{superficielle.}

La

_figure

i a, déterminée

au _{moyen d’un}

_compteur

de

Geiger

et

lVlüller,

montre l’évolution de l’intensité du

_rayonnement

en fonction de la masse

_{superficielle}

dans

_l’exemple

du Cu de

_{période 12,8}

h émettant des électrons

d’énergie o,65g MeV.

La

_{figure 1}

b

_représente

le

même

_phénomène

_{pour le}

_bioxyde

de

_{Pb, marqué}

au _{moyen du} Th .B

_(mesures

effectuées avec Th B

en

_équilibre

avec ses dérivés à l’aide d’une chambre

d’ionisation pour

rayons (3

reliée à un électromètre à

_quadrants

et un

_quartz

_{piézoélectrique).}

35

rectangulaire

en

_plexiglass,

de dimensions inté-rieures de

_{o, 5}

X

o,5 cm,

fermé par une feuille mince

de

_cellophane

de

0,0~ 5

mm

_{d’épaisseur}

et dans le

cas du Pb un

_porleur

_cylindrique

en laiton de

_0,8

cm

de diamètre. Dans les deux cas le

_rayonnement

latéral était

_pratiquement

absorbé.

Déjà

auparavant

Mlle

_Perey

₍₁₎

a

_construit,

dans un autre

but,

un certain nombre de.s courbes

du même _{genre pour} divers radioéléments

arti-ficiels

_(Na,

I,

Cu,

Mn,

Cl).

Étude

des réactions

_{d.’échan~e}

_par la méthode des « couches

_épaisses

». - Comme

nous l’avons démontré

_plus

_haut,

le taux

_d’échange

_pour une

réaction donnée est déterminé directement _par la

mesure, dans les mêmes conditions

chimiques

et

géométriques,

des activités de deux couches

d’épais-seur

_égale.

Mais il est à remarquer que la condition

d’égalité

de masse

_{superficielle}

n’est une condition

nécessaire que tant que la hauteur des couches est

inférieure à la

limite

_exigée

_pour

_former

une cc couche

épaisse »

dans le sens défini

_{précédemment. Lorsque}

~ Fig. 2.

l’épaisseur

des couches est encore

_plus

_grande,

nous nous trouvons dans le domaine des activités

cons-tantes, et les résultats des mesures traduisent

tou-jours

l’activité d’une couche de même

_épaisseur,

quelles

que soient les

épaisseurs

employées.

Nous nous

trouvons donc

là,

dans des conditions

_{particulièrement}

favorables pour l’étude du taux

_d’échange

et dans

ce cas nous n’avons

_plus

à tenir

_compte

des

_poids

des corps mesurés. Il suffit de connaître à

_quelle

profondeur

du

_porteur

_correspond

la formation

d’une « couche

_{épaisse »}

et de se tenir constamment

(’) Journal de _{Physique, 1945,} 1, p. 28.

au-dessus de cette limite.

_L’emploi

de ce

_procédé

simplifie

donc

_beaucoup

la

_technique

de mesures

du coefficients

_d’échange

et est

_{particulièrement}

avantageux

lorsqu’on

effectue une

_longue

série

d’études sur un même élément.

Il résulte des considérations

_{précédentes qu’il}

est

_important

de connaître _pour les différents

éléments

_chimiques

les valeurs des masses

super-ficielles _{nécessaires pour la formation des} « couches

épaisses n.

Les courbes

_{expérimentales}

de Mlle

_Perey,

signalées plus

haut,

montrent _que

_{l’épaisseur}

néces-saire pour l’obtention du

_palier

d’activité est

essentiellement fonction de

_l’énergie

_du

rayon-nement [3

du corps étudié. La courbe de la

figure

2

construite à l’aide de données de Mlle

_Perey

repré-sente cette relation.

La courbe

_peut

donc

_servir

_{pour la détermination}

approchée

de la

_quantité

de matière nécessaire

pour la réalisation d’une « couche

_épaisse

» _pour

les différents éléments dont on connaît

_l’énergie

du

_{rayonnement [3.}

C’est

ainsi,

par

exemple,

que dans

le cas du ~Th B

_{(E =}

2, T 2

MeV)

employé

comme

indicateur dans une masse de

_Pb02

la valeur du

palier

d’activité,

déduite

_d’après

cette

courbe,

correspond,

à i _pour 100

près,

à celle déterminée

par nous

_{expérimentalement}

_{( fiq.}

1

b).

De

plus,

on voit sur

_l’exemple

des courbes de la

_figure

i a,

construites avec du Cu en

_lames,

du Cu en

_poudre

et du CuO

_préparé

_{chimiquement (précipitation}

du

_Cu(OH)2

_{par la} soude et

_{calcination )}

_{que la}

masse

_{superficielle}

nécessaire _pour l’obtention du

palier

est sensiblement

_{indépendante}

de l’état

chimique

ou

physique

de l’élément.

Remarquons

que si la

quantité

de la matière dont

on

_dispose

est insuffisante _pour

_permettre

l’éva-luation du taux

_d’échange

en « couche

_épaisse

_»,

il y

a néanmoins intérêt à effectuer les mesures

compa-ratives en couche aussi

_épaisse

_que

_possible,

car

les variation d’intensité du

_rayonnement

obser-vable en fonction de la masse

_{superficielle employée,}

sont d’autant

_plus

_{faibles que} cette

masse

est

_plus

grande (voir

l’exemple

de la

_figure

_i).

Dans l’étude

des réactions

_{d’échange,}

les mesures en couche mince

seront recommandées dans un seul cas : celui

d’échanges

entre

ûne

électrode et une solution. On mesurera alors directement l’activité

_qu’on

_pourra

exprimer

en nombre de couches

monoatomiques

ayant

participé

à

_{l’échange.}

Enfin,

la connaissance des courbes

_{représentant}

la variation de l’intensité du

_{rayonnement ~}

en

fonction de la masse

_{superficielle employée}

_permet,

au

_besoin,

de _comparer deux mesures effectuée

avec des masses

_{superficielles}

différentes. Il suffit

pour cela de ramener les deux mesures à une même

épaisseur,

par

exemple

celle de la « _couche

_{épaisse >?.}