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Quelques conséquences du rayonnement des particules
très rapides dans le champ magnétique
Bernard Kwal
To cite this version:
685.
QUELQUES
CONSÉQUENCES
DU RAYONNEMENT DES PARTICULESTRÈS
RAPIDES DANS LE CHAMPMAGNÉTIQUE
Par BERNARD KWAL. Institut Henri
Poincaré,
Paris.Sommaire. - En
se basant sur un travail d’Arzimovich et Pomeranchuk, on définit des photons
principaux dans lesquels se trouve concentrée l’énergie rayonnée par une particule chargée très rapide
dans un champ magnétique. Le nombre de photons principaux, rayonné par unité de parcours, est
indépendant de l’énergie de la particule et est proportionnel à l’intensité du champ magnétique. On étudie le spectre de photons principaux émis dans un bétatron, ainsi que dans le cas du champ
magnétique dipolaire, suivant que la particule chargée s’éloigne ou se rapproche du centre du dipôle. On discute brièvement les pertes d’énergie sur des orbites fermées. Les formules sont ensuite appliquées à quelques cas simples, concernant le mouvement des électrons, des mésons et des protons dans les
champs magnétiques de la Terre et du Soleil.
JOURNAL PHYSIQUE
11,
DÉCEMBREi950,
1. Perte
d’énergie
par unité de parcours, nombre etgrandeur
desphotons
principaux,
émis par lesparticules
chargées rapides
semouvant dans un
champ magnétique. -
Selon une vieilleformule,
due à Max Abraham[1],
uneparticule
électrisée decharge
e et de masse M etqui
se meut avec une vitesse v =(3c,
voisine de cellede la
lumière,
dans unchamp magnétique
d’inten-sité
H,
subit uneperte d’énergie
parrayonnement
électromagnétique,
qui,
par unité de parcours, estdonnée par la formule
W étant
l’énergie
totale,
relativiste,
de laparticule.
Dans cequi
suit,
nous poserons m= M ,
me étantme
la masse au repos de l’électron
(m
= I i pourl’élec-tron,
m - i 8oo pour le proton), et nousexprimerons
les
énergies
en millionsélectrons-volts,
enprenant
approximativement 2moc2
pour i MeV. Dans cesconditions,
la formule(1. 1)
prend
la forme que voici :Les formules
(1. 1)
et(1.1’)
nousmontrent,
qu’à
vitesse
égale,
lespertes
d’énergie
sont inversementproportionnelles
au carré de la masse de laparticule
rayonnante,
tandis’
qu’à
énergie égale,
cespertes
sont inversement
proportionnelles
à laquatrième
puissance
de la masse. Elles serontdonc,
engénéral
(voir plus loin) négligeables
pour desparticules
demasse
supérieure
à celle de l’électron.Mais,
commel’ont montré Pomeranchuk
[2]
et Iwanenko etPomeranchuk
[3],
il n’en est pas ainsi dans le casdes électrons se mouvant dans le
champ
magné-tique
terrestre et dans lesappareils
accélérateurs dutype
bétatron ousynchrotron.
Une étude
approfondie,
que l’on doit à Arzi-movich et Pomeranchuk[4]
montre,
parailleurs,
que lerayonnement
émis par uneparticule
rela-tiviste est très fortement concentré dans leplan
del’orbite le
demi-angle
d’ouverture étant de l’ordreMc2
de
Mc2)
W
et sur leslongueurs
d’onde,
relatives à des
harmoniques
extrêmement élevées de l’ordrede
(W)3 de
laf réquence
fondamentalePlus
précisément,
l’énergie
émise est presqueentièrement concentrée sur les
longueurs
d’onde de l’ordre dece
qui correspond
auxphotons
d’énergie
La
comparaison
de la formule(1.1)
avec(1.3)
nousconduit,
enposant
dE. = E, dN,
à lapossi-bilité de calculer le nombre des
photons
principaux,
émis par uneparticule
chargée,
par unité de parcoursdans un
champ magnétique, grâce
à laformule
simple
suivante :qui
nous montre que le nombre. desphotons principaux
686
(où
se trouve concentrée lapresque
totalité del’énergie rayonnée)
estindépendant
del’énergie
dela
particule rayonnante
etqu’il
estproportionnel
àl’intensité du
champ magnétique
et inversementproportionnel
à la masse au repos de laparticule.
Le nombre total de ces
photons,
émis sur unparcours 1
est,
évidemment,
égal
à2.
Spectre
dephotons principaux,
émis dansun bétatron. -
Appliquons
les formulesprécé-dentes au cas du bétatron.
Admettons,
pour fixerles
idées,
qu’il s’agisse
d’accélérer des électrons en untemps
de l’ordre de IO-2 sjusqu’à
uneénergie
de 300 MeV dans un
champ
magnétique
dont lavaleur maximum atteint
4
ooo gauss. Noussuppo-serons que la variation du flux magnétique se fasse linéairement en fonction du
temps.
Considérons la
phase
del’accélération,
qui
corres-pond
à la variation duchamp
magnétique
de4oo
à
4
ooogauss (10-3 t L 10-2 s)
et à la variation del’énergie
des électrons de 3o à 30o MeV. On aet le nombre total des
photons
principaux
émis sedéduit
pratiquement
de la formulece
qui
donne,
dans notre cas,1,8.IO6
photon
émis parchaque
électron. Lesénergies
de cesphotons
s’échelonnent dans l’intervalle d’accélération
envi-sagé ( 10 -3 1 10 -2 s)
de1 ,58 , i o-2
eV ài5,8 eV,
le nombre des
photons
dechaque
espèce
étant d’ail-leursproportionnel à
leurénergie.
3. Cas du
champ magnétique dipolaire.
-Nous allons étudier maintenant le
rayonnement
desparticules chargées
se mouvant dans unchamp
dipolaire,
en nousrestreignant
au mouvement dans leplan
équatorial
dudipôle.
Dans cesconditions,
le
champ
magnétique
est de la formem étant le moment
magnétique
dudipôle.
La formule
(1. 1 ’)
prend
alors la forme suivante :d’où l’on tire
où
Ei,
E j.,
.Ri etRy
sont,
respectivement, l’énergie
initiale,
l’énergie
finale,
la distance initiale aucentre du
dipôle
et la distance finale de laparticule
rayonnante.
(Le
signe
+correspond
au mouvement de laparticule
dans le sens des distances croissantesà
partir
du centre dudipôle,
lesigne
-, au dépla-cement dans le sensinverse).
En
posant
on trouve
qu’une
particule, partie
avec uneénergie
initiale
Ei,
va avoir à la distance R du centre dudipôle (qu’elle
s’enéloigne
ouqu’elle s’y rapproche)
uneénergie
ER,
donnée par la formuleformule
qui
met en relief le rôleremarquable, j joué
par
l’énergie EcR’
que nousappellerons
l’énergie
critique
(c f .
Pomeranchuk[2]),
relative à ladis-tance
Ro
du centre dudipôle.
Pour discuter cette
formule,
nous allons traiterséparément
le cas où laparticule
s’éloigne
ducentre du
dipôle (R Ri)
et celui où elles’y
rapproche (R
;Ri).
Dans lepremier
cas, nousferons intervenir
l’énergie critique
relative à ladistance de
départ Ec,,
tandis que, dans le secondcas, celle relative à la distance d’arrivée R. On a,
d’ailleurs,
entre ces deuxénergies critiques,
larela-tion
que voici :Cela
étant,
nous avonsDès que la
particule
s’estéloignée
suffisamment deson
point
dedépart (par
exemple
R L
a Rt
dans lepremier
cas, ouR L ;.
Ri
dans lesecond),
les for-mulesprécédentes
sesimplifient,
en montrantqu’aux
distances R
suffisamment éloignées
deRi,
l’énergie
de laparticule
est entièrement déterminée parl’énergie
initiale
Ei et
par lesénergies
critiques:
celle relative687
De ces dernières
formules,
onpeut
tirer encoreles conclusions suivantes.
Lorsque
EiC
E’kt
dansle
premier
cas, ouEi- E" R
dans lesecond,
l’énergie
de la
particule
rayonnante
restepratiquement égale
àEi,
autrement dit la valeur del’énergie rayonnée
reste
négligeable
devantEi.
Lorsque
Ei
=ER
ouEi
=Eli,
alorsER
= 1
Ei
etla
particule
subit uneperte
d’énergie
égale
à la moitié de sonénergie
initiale.Enfin,
lorsque
Ei>
ERL
dans lepremier
cas, ouEi = EcR
dans lesecond,
alors laparticule
atteint la distance R avec uneénergie
qui
estindépendante
del’énergie
initiale. Cetteénergie
finale est
égale
àElli
dans lepremier
cas et àE1z
dans le second. Dans ces deux cas, les
pertes
d’énergie
par
rayonnement
sont du même ordre degrandeur
que la valeur del’énergie
initiale de laparticule.
4. Le nombre et
l’énergie
individuelle desphotons
principaux
émis par uneparticule
électrisée dans un
champ magnétique
dipo-laire. - Le nombre de
protons
principaux
émis nedépend
que des distances initialeRi
et finaleRy :
Quant
à larépartition spectrale
de cesphotons,
elle est différente dans les deux cas :
particule
s’éloignant
dudipôle
ou s’enrapprochant.
Elledépend
aussi durapport
del’énergie
initiale auxénergies critiques qui
y interviennent. C’est ce que nous allons étudier maintenant.En combinant les formules
(1.3)
et(3.7),
nousobtenons
l’expression
del’énergie’
duphoton
émisà la distance
R,
par uneparticule
électriséequi
arrive de la distanceRi
où ellepossédait
uneénergie
Ei :
La
première
formule nous fournit un résultatbanal. La
particule
électrisée ens’éloignant
dudipôle
émet des
photons
dontl’énergie
diminue comme R-3(leur
nombre diminueégalement
commeR-3).
Sa
plus
grosseperte
d’énergie
a donc lieu auvoisi-nage de la distance de
départ
sous forme desphotons
dont
l’énergie
est déterminée parl’énergie
initialede la
particule
et lechamp magnétique
dipolaire
à l’endroit initial.Le
phénomène
seprésente
d’une manièreplus
compliquée
pour uneparticule
électriséequi
cheminevers le centre du
dipôle.
Nous pouvons, eneffet,
transcrire la formule
(4.2,
20),
de la manière que voici :Nous voyons maintenant facilement que
lorsque
E i == Elli,
l’énergie
duphoton,
émis à ladis-tance
R,
estproportionnelle
à R7 et elle diminuetrès
rapidement
quand
laparticule
rayonnante
se
rapproche
du centre.Lorsque,
par contre,Ei -- E’ « E’>,),
alorsl’énergie
duphoton
estproportionnelle
à R-3 et elleaugmente
donclorsque
laparticule
serapproche
du centre. On doit doncs’attendre à ce que, pour certaines valeurs de
l’énergie
initiale,
comprise
entre les limitesprécitées,
l’énergie
desphotons
commence pardiminuer,
passepar un minimum pour une certaine
distance,
pouraugmenter
ensuite.C’est ce que nous allons
préciser
en étudiant lesigne
et l’annulation de ladérivée dE;:R"
qui
sontdéterminés par l’expression
Celle-ci est une fonction croissante ou décroissante
de
R,
selon queEi
>ERL
ouEi
>ER,
et elle seréduit à
On voit donc que la dérivée en
question
est,
pour
Ei >
3
10Ec,,
constammentpositive
et la fré-quence desphotons
principaux
décroît au fur et àmesure que la
particule
rayonnante
serapproche
ducentre du
dipôle.
Lorsque,
parcontre,
Ei -EcR,
elle commence10
par être
négative,
donc lafréquence
dephotons
commence par croître pour atteindre un maximum
688
La
particule
rayonnante,
en sedéplaçant
àpartir
deRi,
émet d’abord desphotons
d’énergie
ensuite,
desphotons
d’énergie plus
grande,
jusqu’à
la valeur maximumégale
àAu delà de
R"z,
laparticule
rayonne desphotons
d’énergie
moindre,
dont la valeur est donnée parl’expression
A une distance R suffisamment
petite
devantRl,
cette dernièreexpression
se réduit àqui
fournit uneénergie plus
faible que celle desphotons
initiaux.Demandons-nous maintenant comment varie la
perte
par unité de parcours de laparticule
rayon-nante,
en fonction de R. Cetteperte
estégale
à l’intensité dephotons
émis,
c’est-à-dire auproduit
de leur nombre par leur
énergie.
Or,
nous avons vu,que d’une
part
le nombre dephotons
émis croîtcomme R-3
lorsqu’on
serapproche
du centre dudipôle,
tandis quel’énergie
croît entreRi
etRm
pour décroître ensuite. L’intensité du
rayonnement
émis ne
présente
donc pas de maximum à l’endroitqui
correspond
au maximum del’énergie
desphotons
émis. Nous avons, dans ce cas, affaire à la fonction
le
signe
et le zéro de la dérivée de cette fonctiondépendent
del’expression
qui
estégale
à.Ri
(5/3
Ei B
pour R= Ri.
Donc,
lors-ERi
que
Ei
> 3
E",,
lespertes
d’énergies
par unité deparcours sont les
plus
élevées auvoisinage
de la distance dedépart
et décroissentensuite,
au furet à mesure que la particule’ @ électrisée se
rapproche
du
dipôle. Lorsque
Ei 3 E’,
lespertes
d’énergie
5
commencent par croître et
passent
par un maximumà la distance
et décroissent ensuite.
On voit ainsi que pour
l’intensité du
rayonnement
émis passe par unmaximum,
tandis quel’énergie
desphotons
émis décroît constamment.Ce n’est que
lorsque
Ei El,
que l’on trouvel’existence d’un maximum aussi bien pour
l’inten-sité émise que pour
l’énergie
desphotons
émis,
seulement ces deux maxima n’ont pas lieu à lamême distance du centre du
dipôle.
C’est le maximumde
l’énergie
desphotons
émisqui
seprésente
toutd’abord. Plus
précisément,
on aLa formule fondamentale
(3.3) qui
détermine lesénergies
de laparticule
rayonnante
dans lechamp
magnétique
dipolaire,
peut
aussi s’écrire dansnotre cas
si donc
Ei = Eni
alorsEl = ERj.
Autrementdit,
sil’énergie
de laparticule rayonnante
à une certainedistance
Ri
dudipôle
estégale
àl’énergie
critique
relative à cettedistance,
l’énergie possédée
par laparticule
à une autre distance R dudipôle
esttoujours égale
àl’énergie
critique
relative à la distance où laparticule
se trouve.Si
Ei « E’Rf
EcR ,
dans ce casl’énergie
finaleE f
est très voisine de
Ei :
.
5. Pertes
d’énergie
sur des orbites fermées.- Considérons maintenant une
particule
électrisée circulant sur une orbite fermée dans leplan
équa-torial dudipôle.
A la distance R ducentre,
uneparticule
de moment p 30o HR = P se meutselon une
trajectoire
trochoïdale dont le rayon r,la vitesse de
précession
vi(vitesse
du centre Or de la circonférencer)
et ledéplacement
à du centre Orsur R
lorsque
laparticule
sedéplace
de 2 nr, sontdonnées par les formules suivantes :
c étant la vitesse de la
particule
sur satrajectoire,
vitesse
supposée
égale
à celle de la lumière.On déduit de ces formules le nombre n de boucles
de la trochoïde sur la circonférence de rayon
R,
689
rapport
Cela
étant,
nous allons comparer lespertes
d’énergies
desparticules d’énergies
différentesqui
circulent à la même distance R du centre dudipôle.
Laparticule
de laplus grande énergie qui
peut
s’y
trouver est celle
qui
décrit la circonférence derayon R et son moment est
égal
à P. Laperte
d’énergie
qu’elle
subit en faisant un tourcomplet
autour du centreest
proportionnelle
à H2P2. 2 nR.Quant
à uneparticule
de moment pqui
se meutsur une
trajectoire
trochoïdale,
laperte
d’énergie
qu’elle
subit en faisant le tour dudipôle
estpropor-tionnelle à
H2p2L.
Lerapport
despertes
d’énergie,
subies par ces deux sortes departicules,
est donc donné par la formuled’où,
dans le cas deschamps
dipolaires
pourlesquels
Nous voyons donc que la particule, qui subit la
plus
grande
perte
par tour à la distance R du centre dudipôle,
est cellequi
suit latrajectoire
circulaire avecle moment P = 30o
HR,
c’est-à-dire avecl’énergie
Une telle
particule perd,
par unité de parcours surl’orbite,
et,
par tourcomplet
surl’orbite,
uneénergie
égale
àDe
(5.2)
et(5.9),
nous’ pouvons
déduire larégion
du
plan équatorial
dudipôle,
où lespertes
parrayonnement
par tour sont faibles vis-à-vis del’énergie
de laparticule
rayonnante
et,
oùdonc,
son mouvement reste sensiblement circulaire au coursd’une
période
de révolution. La condition est queDans cette
région,
laparticule
rayonnede
photons
principaux par
tour,
dont lequantum
est
égal
à6.
Quelques
applications
des formulespré-cédentes. - Nous allons
appliquer
les formulesque nous venons d’établir à
quelques problèmes
simples,
concernant lesélectrons,
les mésons et lesprotons
se mouvant dans leschamps
magnétiques
de la l’erre et du Soleil.a. Terre :
De la formule
(3.4)
nous tirons la valeur suivantepour
l’énergie
critique,
relative au rayon de la ’l’erre :ce
qui,
pour unélectron,
correspond
àUn électron
d’énergie
supérieure,
quelle
que soitcette
énergie,
en venant de très loin n’atteint lesrégions
de la sarface de la Terre située auvoisinage
de
l’équateur
géomagnétique, qu’avec
uneénergie
égale
à 6.1017 eV. C’est lerésultat,
bien connu dePomeranchuk. La
perte
d’énergie
de l’électronenvisagé
se fera surtout par émission de 600photons
principaux,
dont lespectre
defréquences dépend,
comme nous l’avons vu
plus
haut,
de la valeur durapport
del’énergie
initiale àl’énergie critique
relative à la distance initiale.Considérons,
à titred’exemple,
un électron de 2.1022 eV à la distance dedépart, égale
à 10 fois le rayon de la Terre.On trouve
E’h.=6.1022eV,
doncEi > 3 E "rn
10D’après
le résultat de ladiscussion,
faite aupara-graphe
4,
nous savons que notre électron va émettre desphotons
àénergie,
constammentdécroissante,
à savoir entre le
quantum égal
àjusqu’à
celuiégal
àPar
contre,
commeEi ]Eà,
laperte d’énergie
commence par croître pour décroître
ensuite,
lemaximum de
pertes ayant
lieu à la distanceRm =
Ri ,
~3
donc tout
près
de la distance dedépart.
690
f ermées dans le
plan
équatorial
dudipôle
terrestre,
la formule
(5. 10)
conduit à R « 108 cm pour larégion
où laperte
derayonnement
par tour estnégligeable
devantl’énergie
quepossède
laparticule
sur son orbite. Tout
l’espace
extérieur à la surface de la Terreappartient
donc à cetterégion.
On vérified’ailleurs par un calcul direct
qu’un
électron circu-lant lelong
del’équateur
géomagnétique
et dontl’énergie
serait de 6.1010 eVperdrait,
partour,
uneénergie
de l’ordre de 2.104 eV. A une distance10 fois
plus grande,
l’énergie
de l’électron sur uneorbite circulaire serait de
6 .108 eV,
tandis que laperte
d’énergie
par tour de l’ordre deo,6
eVseu-lement,
lespertes
ici en cause étant inversementproportionnelles
à la neuvièmepuissance
du rayon. b. Soleil :La formule
(3. 4)
nous fournit les valeurs suivantespour
l’énergie critique,
relative au rayonsolaire,
correspondantes
auxélectrons,
mésons etprotons :
Si donc le Soleil
possèdait
un momentmagnétique
de l’ordre de
grandeur
précité,
et s’il y avaitproduc-tion d’électrons de très
grande énergie
auvoisinage
du
Soleil,
alors les électrons solaires nepourraient
atteindre la
région
de l’orbite terrestre avec uneénergie
supérieure
à 7. ioll ev.
Cettelimite,
qui
résulte
uniquement
despertes
parrayonnement
dans lechamp
magnétique,
devrait être encoreplus
basse,
par suite de l’existence d’autres causesqui
ont pour effet la diminution de
l’énergie
desélec-trons très
rapides.
Dans le cas des
mésons,
cette limite estcomprise
entre1,1.1021 eV
pour les mésons 03BC et5,7.1021
eVpour les mésons n.
Mais,
en cequi
concerne lesmésons,
on doitajouter
la remarque suivante : lesmésons ont une vie
limitée,
s’il y avait doncproduc-tion des mésons
ultra-rapides
auvoisinage
immédiatdu
Soleil,
alors pour franchir la distance Soleil-Terre(~
50osecondes-lumière),
seuls des mésons03BC (03C4~
2.106s) d’énergie
supérieure
à2,5 .1010 MeV
et des
mésons n (r rv 10-8 s) d’énergie supérieure
à1,5.1013
MeV,
auraient lapossibilité
de le faire.Ainsi ne devrait-on trouver au sommet de
l’atmo-sphère
terrestre que des mésons 03C0 desénergies
comprises
entre1,5.1019 eV
et5,7.1021
eV. Plusprécisément,
étant donné la distribution expo-nentielle des vies desmésons,
la limite inférieureW2
devrait être suivie d’une queue de mésons dont lesénergies
W sontinférieures
àW2,
et dont le nombreest déterminé par l’expression
En ce
qui
concerne les mésons p., outre les mésonspouvant
provenir
directement duvoisinage
du Soleilet dont le
spectre
s’étendrait à2,5.1016 eV
eti,1 . io2l eV,
avec une queue de la formeprécédente
auxénergies
inférieures,
on devrait trouver aussi desmésons
provenant
de
ladésintégration
en vol desmésons 77, ce
qui
aurait pour effet entre autresd’écarter un peu les deux bornes de l’intervalle
d’énergie envisagé (1).
(1) En étudiant le rayonnement des protons dans les
champs magnétiques intenses, nous avons montré récemment
(C. R. Acad. Sc., I950, 231, p. Io57) que les protons des
radiations cosmiques doivent émettre, dans les plages actives du Soleil ou dans les étoiles magnétiques de Batcock, les
ondes radioélectriques que l’on observe dans le phénomène
des « bruits ».
Manuscrit reçu le 13 juin 1950.
BIBLIOGRAPHIE.
[1] ABRAHAM M.2014 Göttingen Nachr., 1902, 20; Ann. Physik, 1903, 10, 105; Theorie der Elektrizität, 1re édit., 1905,
2, §§ 13-15; 2e édit., 1908, 2, 387. 2014 HEAVISIDE O. 2014
Nature, 1902, 67, 6.
[2] POMERANCHUK I. - J. Physics (Moscou), 1940,
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[3] IWANENKO D. et POMERANCHUK I. - C. R. Acad. Sc.
U. R. S. S., 1944, 44, 315; Phys. Rev., 1944, 65, 343.
[4] ARZIMOVICH L. et POMERANCHUK I.2014 J. Physics (Moscou),
1945, 9, 267. [5] KWAL B. -
Exposé aux Réunions d’études sur les accé-lérateurs des particules, tenues en 1949 à l’Institut