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Sur une méthode de détermination du degré de
dependance des desintégrations des atomes de polonium
Martin Ferber
To cite this version:
SUR UNE
MÉTHODE
DEDÉTERMINATION
DUDEGRÉ
DE DEPENDANCE DESDESINTÉGRATIONS
DES ATOMES DE POLONIUMPar MARTIN FERBER.
Institut de
Physique
atomique,
Faculté des Sciences deLyon.
Sommaire. 2014 1° M. J. Thibaud a enregistré à l’oscillographe les désintégrations d’atomes de polonium en
utilisant une source radioactive très faible (quelques centaines de particules 03B1 émises par minute dans la sphère
entière) et en cherchant à recueillir les corpuscules 03B1 dans toutes les directions ; 2° Les N intervalles de
l’enre-gistrement fait dans les conditions expérimentales précédentes sont classés en déciles a, b, c, ... k, et l’on fait l’étude des distributions des 10 sous-séries d’intervalles consécutifs à un intervalle a, b, ... k. Les
distribu-tions totales des intervalles des 10 sous-séries, ainsi sélectionnées, montrent des désaccords avec la distribution
théorique 12014e2014 03B2x. Nous avons pu représenter ces distributions par des développements en séries de fonc-tions orthogonales, en introduisant des polynomes :
3° On aboutit, pour certaines distributions particulièrement suspectes, à un type unique de courbes
ajus-tées et à une interprétation qui paraît, au moins pour certaines classes d’intervalles, devoir faire mettre en doute
l’hypothèse d’une indépendance rigoureuse entre émissions consécutives.
1.
Expériences
de J. Thibaud. - L’étude des séries dedésintégrations
d’une substanceradioactive,
quoique
montrant enpremière approximation,
un accord satisfaisant avec la distributionstatistique
quel’on
peut
prévoir
théoriquement,
semblepourtant
marquer, pour des sériesparticulièrement soignées,
au
point
de vueexpérimental,
un faible désaccordentre l’observation et la
théorie,
comme J. Thibaudl’a
remarqué
enparticulier
(Bulletin
Soc. Fr. dePhys.,
no
406;
Journal dePhys.,
p.94 S.,1937).
Cet auteur amontré,
si l’on classait les intervalles entre émissions suivant leurlongueur d’après
la méthode deMarsden-Baratt,
pour un nombre élevé dedésintégrations
d’atomes depolonium (plus
de 17000),
l’existence d’écartssystématiques, d’apparence périodiques,
entrela courbe
exponentielle théorique
et legraphique
représentant
les valeursexpérimentales (fig.
1).
Fig. 1. - Classement des intervalles entre émissions
suivant leurs longueurs (J. Thibaud, 1937).
Sur une
représentation
semi-logarithmique,
la courbe despoints expérimentaux
successifsparaît
onduler autour de la droitethéorique.
a)
Si l’on construit la courbef (~)
des écarts ainsiobservés,
l’amplitude
relative de ces ondulationsest,
au
début,
dequelques
pour100,
pouvant
atteindre 30 pour 100 pour lesgrands
intervalles.b)
Si l’on construit maintenant la courbe de fré-quence des intervallescompris
entre t1
et t2, on observeégalement
des ondulationsd’amplitudes plus
impor-tantes que celles de la courbe
intégrale,
pouvant
dépas-ser le double ou le
triple
des écartsstatistiques
moyensprévisibles.
Par
contre,
il ne semble pas y avoir de désaccordappréciable
entre la théorie etl’expérience
aussi biend’après
cet auteur qued’après d’autres, lorsque
l’onapplique
la loi de Bateman-Poisson.L’accord entre l’observation et la
théorie,
d’après
la secondeméthode,
et le désaccordplus
ou moinspro-noncé,
d’après
lapremière, s’expliqueraient
par le faitque les
intervalles,
quoique
suivant dans leur ensemblela loi
exponentielle,
serépartiraient
anormalement dans leur suite naturelle.Les
expériences rapportées
de l’auteurprécédent
étaient relatives à des sources radioactives intenses et à unf aible
angle
solide sous-tendu par ledispositif
numérateur de
particules
vis-à-vis de la source. J. Thibaud apensé
que si des désaccordssystéma-tiques
dutype
précédent
étaientsusceptibles d’exister,
ils devaient se manifester avec une intensité accruedans les conditions suivantes :
10
Emploi
d’undispositif d’enregistrement
auto-matique
trèssûr,
àgrand pouvoir
de résolution dansle
temps
etcapable d’analyser
la distribution dans desangles
solides voisins de 4 Te ;20
Remplacement
de la source intense par une source très faible et sipossible
par ungrain
radioactifunique
(on
sait,
eneffet,
que les substancesradioac-tives ont tendance à se
présenter
à l’étatcolloïdal,
engroupement pouvant
comprendre
106atomes,
parexemple).
A ceteff et,
cet auteurutilisait,
pour ladétection des
particules
dedésintégrations,
unechambre d’ionisation reliée à un
amplificateur
135
portionnel qui
fournitl’énergie
individuelle desparti-cules par
enregistrement oscillographique
sur un filmcinématographique
se déroulant à vitesse constante.D’autre
part,
J. Thibaud isolait dans uneprépara-tion radioactive faible de
polonium
un «grain
»don-nant au total 100 à 200
particules
ex par minute. Cegrain
était monté à l’extrémité d’un filmétallique
trèsfin,
dans l’intérieur d’une chambre d’ionisationsphé-rique,
defaçon
à recueillir lesparticules
dans unangle
solide,
voisin de 4 77(fig.
2).
L’expérience
a montréFig. 2.
que,
malgré
cettedisposition
de la source à l’intérieur de la chambred’ionisation,
aucune contamination nese
produisait
dans l’intérieur de celle-ci(ainsi
que deprécédents
auteurs l’avaient noté dans le cas de sourcesintenses)
etceci,
précisément,
parcequ’une
telle source ne
comprend
qu’un petit
nombre degrains,
probablement
un seul.L’expérience
lui aégalement indiqué
que les désac-cordsqu’il
avait observés avec les sources étendueset de faibles
angles
solides de mesure, semblaientaugmenter
sur lesenregistrements
faits dans ces nou-velles conditions.C’est le meilleur de tels
enregistrements
que J. Thi-baud a mis à notredisposition
pour la nouvelleétude :
statistique qui
faitl’objet
de ce mémoire.:
2. Généralités. - Dans des travaux anté-B
rieurs
(1), (2),
poursuivis
sur desenregistrements
dupremier
type (source
intense, angle
faible sous-tendu par lecompteur)
nous avions relevé desparticularités
rencontrées dans l’étude d’une série d’intervalles pro-venant de ladésintégration
des atomes depolonium.
Appliquant
une méthode dont nousexposions
lesprincipes
ailleurs(3), (4),
nous aboutissions à lacons-(i) Jean THIBAUD et MARTIN FERBER. Sur l’indépendance des
désintégrations des atomes de polonium. C. R. Acad. Sc., 205, p. 1383.
(2) MARTIN FERBER. Sur une mesure de la dépendance des
désintégrations des atomes de polonium. C. R. Acad. Sc., 207, p. 336.
(3) MARTIN FERBER. Structure d’ordre des séries statistiques du type exponentiel. C. R. Acad. Sc., 205, p. 381.
(4) MARTIN FERBER. Méthode d’étude des séries statistiques du
type
exponentiel. Application à la radioactivité. Journal dePhy-sLque, aoùt 1938, 9, p. 337.
tatation suivante : la série des intervalles
observés,
quoique
suivant dans son ensemble la loiexponentielle
~3 e-° ~ montrait dans le détail des effets de second
ordre assez
remarquables qui
paraissaient
sortir ducadre de la loi
théorique qui
est,mathématiquement
obtenue comme on lesait,
parl’hypothèse
del’indé-pendance
desdésintégrations.
Pour l’étude actuelle de
l’enregistrement
du secondtype
(source faible,
grand angle
solide)
soumis à notre examen, nous avons d’abord classé les n = 2 160inter-valles de
l’enregistrement
en K = 216 groupes delV =10 intervalles
consécutifs ;
puis
nous détermi-nions dans chacun de ces k’ = 216groupes, le
plus
grand intervalle,
ledeuxième,
leji~me ( j
de 1 à10)
engrandeur.
Connaissant la distribution
théorique
dujième
inter-valle,
ainsiobtenu,
nous calculions sa valeur moyenneM(i)
et sa fluctuation~,2~~~.
Nouscomparions
ces valeursthéoriques
avec les valeurs observéescorres-pondantes
m§f
et~z., ,
en calculant encore les limitesthéoriques
et
(i) (i)
en dedans
desquelles
les valeursm,
etp21,
devraient se tenir avec laprobabilité 1 /2.
Nous
trouvions,
d’unepart (voir
fig.
3)
que les
grands
intervalles étaienttrop
grands,
les
petits
trop
petits
et d’autrepart,
que la conformité des moyennesthéoriques
des intervalles moyens avec les moyennesobservées
n’étaient duesqu’à
unecom-Fig. 3. =- Les différences
tn (i),
1(1)
1 leurs limites19. 3. = Les l erences
n1’
-il
et leurs limitesthéoriques ,..:t. ’ /2013;2013-vr théoriques
0,6î4 D ( m1 ;
°,6?1D
(nt II)
--- Théorie. 2013201320132013 Observation.pensation
d’intervalles courtstrop courts,
avec des intervalleslongs
trop
longs,
d’où résultaient des fluctuationstrop
fortes dans la zone moyenne(voir
fig.
4,
page136).
Ceci nous conduisait à
l’hypothèse
queNous nous proposons, dans ce
qui
suit,
de pousserplus
avant cette discussion par une méthodeappro-priée,
etd’indiquer
les résultats ainsi obtenus. 3. Méthode de calcul. -/Nous
nous sommesins-pirés
d’une méthodedéveloppée
par 11~2. H.Eyraud
(5).
Nous rangeons les n = 2 160 intervalles de notre
enre-gistrement d’après
leurgrandeur
croissante. Endécou-pant
cette série en dixparties
égales
den /10
= 216in-r,
Fig. 4. -° Les différences
[12B ()
1 - [.’2! (j)
et leurs limites théoriques_ - _ - . - - Théorie.
- Observation.
tervalles,
nous obtenons les décilesobservés,
que nousappelons
dans leur ordre degrandeur
croissante a,b,
c, ... k.Revenons à la série naturelle d’intervalles telle
qu’elle
seprésente
sur notreenregistrement. Chaque
enregistrement
de cette série étant caractérisé par une des lettres entre a et kqui
seprésentent
chacuneavec une
probabilité
de 1/10,
nous aurons, dans le cas del’indépendance
totale entre émissionsconsécu-tives pour des combinaisons de deux lettres
quel-conques, la
probabilité
1/100.
Nous devons nous attendre à ce que l’observation
du nombre
(x,
y)
des combinaisons x, y(x
et y entrea et
k)
nous donne desfréquences
autour de cetten
1
probabilité
p x y - -
Nous admettons unefluc-p p y luu
tuation
bernouillienne 2
=n p q autour de
l’espé-rance
mathématique
Dans la série naturelle de notre
enregistrement
expérimental,
les 216 intervalles caractérisés par unedes lettres entre a et
k,
déterminent la sélection d’unesous-série,
à savoir de la sous-série des 216 intervallesqui
les suivent. Les dix sous-séries d’intervalles ainsiobtenues
doivent,
s’il y aindépendance
entre émissionssuivantes,
reproduire
dans leursfréquences
totales ladistribution
théorique
totale.(5) Henri E) RA L D. Les principes de la mesure des corrélations. Annales de l’UnÙ’ersÍté de Lyon, 3e série, Sciences, section A, 1936, p. 30-47.
Nous verrons
plus
loin que l’accord entre la distri-butionthéorique
et la distribution observée dequelques
déciles n’est pas très satisfaisant.Cela nous conduisit à
procéder
par unajustement
et à chercher àreprésenter
les courbes defréquence
pardes
développements
en série de fonctionsorthogo-nales,
étant donné que les coefficients d’un teldéve-loppement
secomposent
des moments observés de ladistribution et que les moments
supérieurs
manquent
forcément d’une certaineprécision,
nous nousarrê-tions au troisième membre de ce
développement.
En introduisant les
polynomes (légèrement modifiés,
comme on le
voit)
deLaguerre :
on
peut
montrer que :1
est une série de fonctions
orthogonales
et normées. Des calculsclassiques
(voir,
parexemple
[5])
donnent
rapidement
undéveloppement
deet de
Nous
obtenons,
endésignant
parm’1, ~’3,
m’3
lesmoments observés du
premier,
deuxième,
troisièmeordre,
dans le cas de n = 3.avec :
avec :
137
- dépourvus
d’un certain sensstatistique.
Eneffet,
àdes constantes
près,
ilsreproduisent l’expression :
qui
est,
comme onpeut
le vérifierfacilement,
la loide la distribution de la somme de lV
intervalles,
dontchacun suit la distribution ge-.’~x.
4. Observations. - L’évaluation de
l’enregistre-ment nous donnait comme intervalle moyen
D’où rn1
= 11,78, ~ == 138,7684,
La valeur observée de [.L2,
[.L’ 2
avait pourgrandeur
144,8090
et,
parsuite,
dépassait légèrement
la limitepermise
(avec
uneprobabilité 1 /2)
de138,7684
(
:1:)
5,6920.
Premier indice que dans l’ensemble de la bandeenregistrée
soumise à notre examen, il y avait un peutrop
d’intervallescourts,
oulongs,
ou tous les deux ensemble.Pour étudier cette
question
àfond,
nousprocédions
au classementprécité
en déciles. Nous calculions l’intervalle moyenni’,
et la fluctuation[.L’ 2
des distri-butions des intervallesqui
suivent un intervalle a,b,
...k,
distributions que nousappelons
brièvement « Distributions a, ... k ».L’intervalle moyen
m’1
devant se trouver en dedans des limites11,78 :1:
0,54
(11,24
-12,32)
la fluctua-tion[.L’ 2 en
dedans des limites138,7684 ~ 17,9998
(120,7686
- 156,7687),
nous trouvions les résultatsconsignés
au tableau 1.TABLEAU I. -
Moyennes
etfluctuations
observées desdifférents
déciles. Limitesdépassées
dans le senspositif
(+)
ounégatif
(-).
On
reconnaît,
par cetableau,
que dans les cas c,d, i,
la distribution des intervalles est « dilatée » autour de valeurs moyennes
trop
grandes
etqu’elle
est,
aucontraire,
dans le cas b etf
« contractée » autour devaleurs moyennes
trop
faibles.A
l’appui
de cesconstatations,
nous établissionsencore un autre tableau
(voir
tableauII).
Les déciles
théoriques
de ladistribution ~e-"~x
s’obtiennent par le classement des intervalles entreles 11 valeurs xo, xl, ..., xi, ..., X10,
où xi
est de lagrandeur :
1
Dans notre cas,
avec - -
11,78,
nous avons letableau suivant : -.
’
TABLEAU Il. - Points de sections
Xi, des déciles
théoriques.
Nous calculions pour chacun de ces 10 déciles sa
valeur moyenne
théorique qui
résulte pour le(i
+1 ) iéme
décile de
Les valeurs moyennes observées
rnl~ +
1]
doivent
setenir dans les limites
où
et
Nous donnons
ci-joint
le tableau desmai + 1]
et des-TABLEAU III. - Valenrs
moyennes observées
m~l~~ ~~
des distributions a,b,
..., kqui dépassent
les limites etle sens
positif
(+)
ounégatif
(-)
danslequel
elles lesdépassent.
’
Le tableau I II donne les valeurs moyennes observées
m’ii + 1],
des distributions a,b,
...,k,
autantqu’elles
dépassent
les limites données par le tableauIV,
et lesens
positif
(+)
ounégatif
(-)
danslequel
elles lesdépassent.
L’étude du tableau IV nous
enseigne
qu’il
y a, et cela pour toutes les 10 distributions a, ...,k,
beau-t d li+ il .
d, 1 1.. th ’
coup
trop
demi,
qui dépassent
les limitesthéo-riques,
calculées sur la base de laprobabilité
1/2
(86
au lieu de50).
La tendance despetits
intervalles d’êtretrop
petits,
et desgrands,
d’êtretrop
grands
sedessine donc pour toutes les distributions
envisagées.
Les constatations faites à
l’appui
du tableau Irestent entièrement maintenues. En
effet,
un coup d’oeil sur le tableau 4 nous montre que lesdistribu-tions,
c,d,
i,
sont assez « dilatées » tandis que lesdis-tributions b et
f
démontrentplutôt
une tendance contraire. Enoutre,
on constate une certaineressem-blance entre les distributions
d,
e, g,i,
ressemblance surlaquelle
nous reviendronsplus
loin.Après
avoir relevé un désaccord évident entre les distributions a, ...,k,
et leur distributionthéorique,
nous étudions lesdites distributions sous un autre
TABLEAU IV. - Valeurs
moyennes
théoriques
et limites des valeurs moyennes observéesm 1
des
(1
+1) ièmes
déciles.point
de vue. Nouscomptions
combien d’intervallesappartenant
aux déciles1, 2,
...,10,
étaient contenus139
D’après
des calculs dont nous mentionnons la baseplus
haut,
on devait s’attendre à des chiffrescompris
entre
21,6 ~ 3,1,
c’est-à-dire entre 19 et 25.Le tableau
V,
tableau à doubleentrée,
nous donnele nombre des intervalles
appartenant
en mêmetemps
à une distribution entre a et k et à un décile
entre 1 et 10. Le tableau VI
récapitule
le tableau Vpour les nombres tombant en dehors des limites.
TABLEAU V. - Tableau à double
entrée des nombres d’intervalles
qui appartiennent
d’une part à une des distributions entre a et k(colonne
verticale)
et d’autrepart
à l’un des déciles entre 1 et 10(colonne
horizon-tale de ces distributions.TABLEAU VI. - Tableau
Fig. 5. -- Courbe 1 : 1 - e-~’-x. Fig. 6. Courbe 1 : Courbe 2 : Courbe 3 : Distribution b.
Nous réservons la discussion des résultats ainsi
obtenus pour la
conclusion,
nous attireronsmainte-nant l’attention sur les
figures
5 à 11.La
figure
5 nousprésente
la distribution totaleobservée des 2 160 intervalles de
l’enregistrement,
et la distribution totalethéorique
1- On voitqu’il
y a pour l’ensemble del’enregistrement
unecer-taine surabondance des intervalles courts.
Les
figures
6 à 11donnent,
pour les distributionsb,
c,f,
e,g, z,
les distributions totales des 216 intervalles observés et dans les courbes 1 les distributions totalesthéoriques
1 - Les courbes 2représentent
les distributions totalesajustées d’après
les formules(4)
et
(5) ;
les courbes 3 donnent les différences entre les courbes 2 et 1.Comme on le
voit,
l’ajustement
utilisant les troispremiers
moments est assez satisfaisant(peut-être
àl’exception
de lafigure
6,
distributionb).
Étant
d’uncaractère différent pour les
figures
6-8(distributions
b,
c,f )
il est d’untyrpe
uniforme pour lesfigures
9-11(distributions
e, g,~).
Nous reviendrons sur cette dernière constatation
141 Fig. 8. Courbe 1 : Courbe 2 : Courbe 3 : Distribution f.
5.
Conclusion. - Déjà
les tableaux 1 et IV nousavaient montré que les distributions a, ...,
k,
sontau moins en
partie,
fortement anormales. Lesdistri-b. k .,
h 7V
butions a, >
..., k
> sont constituées chacune par p10
10 intervalles bien
définis,
à savoir par p les intervalles10
qui
suivent un intervalle de la classe a,b,
... k.Dans le cas de
l’indépendance
totale entre émissionsconsécutives,
chacune des sous-sériesqui
constituent les distributions a,b,
...,k,
sous-séries sélectionnéespar le caractère des intervalles
précédents,
devraitreproduire
dans certaineslimites,
la distributionthéo-rique simple
et la distributionthéorique
totale1 - mais comme nous venons de
voir,
cé n’estpas là le cas. Cela revient à dire que les intervalles
précédents,
constituant le sélectionnement desdistri-butions a, ...,
k,
exercent une certaine influence surleurs successeurs.
Pour mesurer cette
influence,
reportons-nous
au tableau VI. Ce tableau nous donnant les nombres -hors des limites - des intervallesqui appartiennent
en même
temps
à une distribution a,..., k,
et à l’undes déciles
1,
...,10,
nous montre :Fig. 9. Courbe 1 : Courbe 2 : Courbe 3 : Distribution e. 10 Les cases
[a - e, 1- 5],
jf - k, 6 -10]
étant
occupées
par 11 + 5 =16 chiffres anormaux,les cases
[a
- e, 6-10],
[1 - l~,
1---5]
par 14+ 12
= 26 chiffres anormaux,
il
s’ensuit que les intervalles(plus petits
que lamédiane)
causent desperturbations
dans l’ensemble des intervallesqui
lessuivent ;
etqu’inversement,
les intervallesgrands
causent desperturbations
dans l’ensemble des intervallespetits
qui
les suivent.2o Le tableau nous donne 4 groupes de deux chiffres consécutifs
hyponormaux
(c, 6), (c,
7) ;
(e,
3), (e, 4) ;
(g, 2), (g,
3) ;
(i, 2), (i,
3) ;
d’après
descalculs,
un telgroupe de deux chiffres consécutifs
hyponormaux
ne devrait seprésenter qu’une
seule fois. Le fait que cesgroupes se
présentent
4 foisporterait
à rattacher leurprésence
à une causephysique.
30 Les intervalles des déciles moyens e,
g, 1
montrentune
répulsion
très forte à se faire suivre par desinter-valles
petits.
On dirait que laprésence
d’un inter-valle e,g, i,
aurait tendance àsupprimer
unedésinté-gration
immédiatementconsécutive,
faitqui
expli-querait
laprésence
d’un nombre élevé d’intervallesgrands,
consécutifs aux intervalles des groupes e, g, b.ten-Fig. 10.
Courbe 1 :
Courbe 2 :
Courbe 3 :
Distribution g.
dance à être suivis de
désintégrations
immédiates en surnombre.40 Les courbes
ajustées (fig.
8 pour les distribu-tionsf, fig.
9-11 pour les distributions e, g,i),
expriment
très nettement les constatations de 3°. En
outre,
le fait d’avoir obtenu pour les 3 distributions e,g, i,
untype
unique
de courbesajustées,
courbes d’uncarac-tère
semi-théorique, semi-empirique, pourrait
nous amener à reconnaitre là une réalitéphysique.
L’indé-pendance présumée
entre émissionsconsécutives,
souffrirait en
présence
de certaines classesd’inter-valles,
desexceptions
assezremarquables
et faciles àdécrire par des
types
simples
etuniques
de courbes de distribution. Fig. 11. Courbe l’ : Courbe 2 : Courbe 3 : Distribution i.Ce travail a été fait à l’Institut de
Physique
ato-mique.
Nous tenons à remercier M. leprofesseur
Thi-baud,
directeur de l’Institut dePhysique atomique,
qui
a mis à notredisposition
sesenregistrements
expé-rimentaux,
pour sesencouragements
et conseilspré-cieux. Nous devons
également
de vifs remerciementsà M. le
professeur Eyraud,
directeur de l’Institut deScience financière et
d’Assurance,
pour les directivesimportantes
dont il nous a fait bénéficier en matièrede