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Niveaux de 137Cs alimentés dans la désintégration de 137Xe

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(1)

HAL Id: jpa-00208225

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00208225

Submitted on 1 Jan 1975

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Niveaux de 137Cs alimentés dans la désintégration de 137Xe

E. Monnand, R. Brissot, J. Crançon, Ch. Ristori, F. Schussler, A. Moussa

To cite this version:

E. Monnand, R. Brissot, J. Crançon, Ch. Ristori, F. Schussler, et al.. Niveaux de 137Cs alimentés dans la désintégration de 137Xe. Journal de Physique, 1975, 36 (1), pp.1-6.

�10.1051/jphys:019750036010100�. �jpa-00208225�

(2)

LE JOURNAL DE PHYSIQUE

NIVEAUX DE 137Cs ALIMENTÉS

DANS LA DÉSINTÉGRATION DE 137Xe

E.

MONNAND,

R.

BRISSOT,

J.

CRANÇON,

Ch.

RISTORI,

F. SCHUSSLER ET A. MOUSSA

Centre d’Etudes Nucléaires de

Grenoble, Département

de Recherche Fondamentale Laboratoire de Chimie

Physique Nucléaire,

BP

85,

Centre de

Tri,

38041

Grenoble,

France

(Reçu

le 20 août

1974)

Résumé. 2014

L’énergie

et l’intensité des transitions 03B3 suivant la

désintégration 03B2

de 137Xe ont été

mesurées avec des détecteurs

Ge(Li).

Ce

produit

de fission gazeux est obtenu en utilisant le

système

de

séparation isotopique

en

ligne

ARIEL. Un schéma des niveaux excités de 137Cs est construit à l’aide du résultat des mesures de coïncidences

Ge(Li)-Ge(Li).

Abstract. 2014 Measurements made with

Ge(Li)

detectors are

reported

for 03B3 transition

energies

and intensities

following the 03B2 decay

of 137Xe. This gaseous fission

product

is obtained

using

the

on-line

isotope-separator

system ARIEL. A level scheme of 137Cs is constructed with the aid of

Ge(Li)-Ge(Li)

coincidence results.

Tome

36

No 1

Janvier 1975

Classification

Physics Abstracts

4.116 - 4.220 - 4.240 - 4.460

1. Introduction. - Ce travail fait

partie

d’une étude

systématique

des gaz rares de fission de courte

période

et de leurs descendants. La

désintégration

bêta de

137 Xe

alimente les niveaux de

137CS,

noyau à une couche fermée de 82 neutrons. Ces noyaux ont fait

l’objet

de calculs détaillés dans le modèle des couches.

L’étude de la

désintégration

bêta de

13’Xe

a

déjà

été

entreprise

par

plusieurs

auteurs

[1],

mais d’une

façon

assez sommaire. Ceci

s’explique

par le fait que, à

part

la transition de

455,5

keV dont l’intensité est

environ 30

%

des

désintégrations,

les autres transi-

tions sont d’intensité très faible. Seul Holm

[2]

a

fait une étude

détaillée,

mais ne

disposant

que d’un détecteur de faible volume et de résolution

médiocre,

il a été

gêné

dans la mesure des transitions de haute

énergie

et n’a pu

séparer

de nombreuses raies y très voisines. Enfin il n’a pu faire de mesures en coïnci- dence y-y

qu’avec

des détecteurs

NaI(Tl). Malgré

ces

difficultés Holm a donné un schéma de

désintégration qui,

bien

qu’incomplet,

est en assez bon accord avec

celui que nous proposons ici.

Nous n’avons pas

jugé

utile de

reprendre

les

mesures de la

période TI/2,

du bilan de

désintégration Qp

et des intensités relatives des branches

bêta,

nous

avons

adopté

les valeurs suivantes :

Qp = 4,15

±

0,10 MeV, [2]

et

[(Po) =

66

%,

valeur

proposée

par Martin

[1] d’après

le schéma de Holm

[2]

et les mesures de

Onega

et Pratt

[3].

Il serait

cependant

intéressant de mesurer au

spectromètre magnétique

les intensités relatives des branches

flo

et

B1.

2. Méthodes

expérimentales.

- 2.1 PRÉPARATION

DES SOURCES. - Les sources sont obtenues au moyen de l’ensemble de

séparation isotopique

en

ligne

« ARIEL », connecté dans une

première

version

[4]

à une chambre à fission contenant des couches minces de

235U

recouvertes de couches minces

d’argent

et

portées

à haute

température.

Les gaz rares de fission

se

dégagent

par diffusion dans

l’argent.

Dans une

deuxième version le

séparateur

est connecté à une

chambre à fission contenant 10 g de

235U02 mélangé

à 30 g de stéarate de

baryum

en

poudres

fines. La

chambre est

placée

dans un faisceau externe de

neutrons du réacteur Mélusine du Centre d’Etudes Nucléaires de Grenoble

(0 z-

3 x

108 n. cm - 2 . S - 1).

Les gaz rares émanés sont véhiculés sous vide par

une canalisation de 1 mètre de

long jusqu’à

la source

d’ions du

séparaieur.

L’activité obtenue est d’environ 100

J.1Ci

à saturation.

Après séparation

en masse

les ions

137 Xe

sont

implantés

dans un ruban d’alu- minium

pouvant

se

déplacer

à vitesse variable d’une manière continue ou discontinue. Le

spectre

direct

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:019750036010100

(3)

2

N3 UU CANTAL

FIG. 1. - Spectre gamma direct, région des basses énergies. Les pics sans indication d’énergie correspondent principalement à des conta-

minations ou des raies d’échappement. Sources obtenues avec la chambre à fission à haute température.

de

137 Xe

est obtenu en travaillant de

façon

disconti-

nue ;

après

accumulation de l’activité

pendant

30 s

ou 1 min sur le

ruban,

la source est transférée devant le détecteur en 3 s et le

comptage

est effectué

pendant

2 ou 3 min.

Une vérification de l’attribution de raies à

137 Xe

est

faite,

pour les raies d’intensité pas

trop faible,

en

comparant

deux

comptages

successifs décalés dans le

temps

de 4 min. Les raies les

plus

faibles sont

attribuées tentativement à

137 Xe,

soit parce

qu’elles

trouvent

place

dans le schéma au moyen du

principe

de

Ritz,

soit parce

qu’elles n’appartiennent

pas aux contaminants

possibles qui

ont été étudiés au labo-

ratoire et dont les transitions sont bien connues, enfin le

spectre

du bruit de

fond,

à la radioactivité ambiante et à l’acculumation des descendants des gaz rares dans diverses

parties

du

séparateur,

a été

soigneusement

vérifié.

2.2 APPAREILS DE MESURES. - Les

spectres

directs

sont observés avec un détecteur

Ge(Li)

de 50

cm3 (résolution 2,3

keV à 1 333

keV).

Les mesures de

coïncidences y-y sont faites avec ce détecteur

associé

à un second de 46

cm3 (résolution 3,5

keV à

1,33 MeV).

Les

impulsions

sont

analysées

par un convertisseur

analogue-digital

associé à un bloc mémoire à 4 096 ca- naux

(CA 13

+ BM96

Intertechnique).

Pour les mesu-

res de coïncidences y-y, les fenêtres sont sélectionnées ’ à l’aide d’une unité de conditionnement

(AP 22 Intertechnique), permettant

de mesurer simultané-

ment

4,

8 ou 16

spectres.

Le

temps

de résolution du

système

de coïncidences est de 30 ns. La durée des

mesures en coïncidence est de l’ordre de 8

heures,

avec défilement continu et lent du ruban.

Le traitement des données est effectué au moyen du programme SAMPO

[5]

avec un ordinateur

IBM

360/60.

3. Mesures et résultats. - 3. 1 SPECTRES ’ÿ DIRECTS.

- Les

figures

1 et 2 montrent le

spectre

de

137 Xe respectivement

à basse et à haute

énergie.

Le

spectre

FIG. 2. - Spectre gamma direct, région des hautes énergies. Les

. raies sans indication d’énergie correspondent à des raies d’échap- pement, les raies marquées d’un * appartiennent à 136I. Sources

obtenues avec la chambre à diffusion et émanation dans le stéarate de baryum.

(4)

3

à haute

énergie

a été obtenu en

interposant

12 mm

d’aluminium et 4 mm de

plomb

entre la source et le

détecteur. Dans ce dernier

spectre (Fig. 2);

nous

constatons la

présence

des raies intenses de

1361.

Ceci est dû à l’émanation de

l’hydrure

d’iode et à la

formation d’ions

correspondants,

en

quantité

variable

avec les conditions de fonctionnement de la source

d’ions.

Les

énergies

et intensités relatives des raies y de

137 Xe

sont données dans le tableau I. Nous

retrouvons,

avec

quelques

dédoublements

permis

par la réso- lution

meilleure,

toutes les transitions attribuées

avec certitude par Holm

[2]

et une

partie

de celles

attribuées avec

doute,

et de très faible intensité.

Parmi ces

dernières,

les raies de 2 004 et 2 017 keV

sont à attribuer à

138Xe.

TABLEAU 1

Energie

et intensité relative des raies y de

137 Xe

a) la présence possible de 135mXe rend peu précise l’intensité de cette raie ;

b) l’intensité absolue de la transition y de 455,5 keV est Iy = 32 % [1].

3.2 COÏNCIDENCES

y-y[Ge(Li)-Ge(Li)].

- Vu la fai-

ble intensité absolue des raies y

de 137Xe

nous avons

seulement pu faire des mesures en coïncidence avec

les raies les

plus

intenses. Les résultats sont résumés

dans le tableau II.

3.3 DURÉE DE VIE DU PREMIER NIVEAU EXCITÉ. - Nous avons tenté de mesurer cette durée de

vie,

en utilisant les coïncidences retardées bêta-raie gamma de 455 keV. Le

spectre

bêta était détecté dans un

scintillateur

plastique

NE 102 la raie gamma dans

un cristal

NaI(Tl),

tous deux montés sur des

photo- multiplicateurs

56 DVP. La courbe des coïncidences

promptes

a une

largeur

à mi-hauteur de

1,6

ns, la courbe de coïncidences obtenue avec une série de

sources de

13’Xe

ne s’en

distingue

pas dans les limites de l’erreur

statistique.

On

peut

donc seulement estimer une limite

supérieure

de la durée de vie du niveau de 455 keV :

T1/2 0,1

ns.

4. Schéma de

désintégration de 137 Xe.

- Le schéma de

désintégration

de

13’Xe proposé

est montré sur

la

figure

3.

(5)

4

TABLEAU Il

Résultats des mesures de coïncidences y-y

Les intensités des

branches

et les valeurs des

log ft

sont déduites de la balance d’intensité des transitions y pour

chaque

niveau. Les intensités y absolues sont déduites de la valeur citée

plus

haut

pour

[(Po)

et du coefficient de conversion aK =

0,009

de la transition de 455

keV,

mesuré par

Achterberg

et al.

[6].

La conversion interne des autres transitions aboutissant au fondamental a été

négligée,

vu leur

faible intensité et leur

énergie.

Le schéma

comprend

23 niveaux excités et

permet

de

placer

54 transitions y

sur les 83 observées. Les transitions non

placées représentent

au

total,

moins de

0,2 %

des désinté-

grations.

Tous les niveaux en dessous de 2 100

keV,

ainsi que

ceux à 2

850,

3 037 et 3 378 keV sont

placés d’après

les coïncidences y-y confirmées par le

principe

de

combinaison de Ritz. Parmi lès niveaux de haute

énergie,

le niveau à

3 159,6

keV

est justifié

par l’absence de coïncidences avec les transitions de

455,5, 849,0

et

982,4

keV.

Quant

aux niveaux à 3

583,0,

3

693,5,

3

797,0

et 3

907,5 keV,

ils sont

justifiés

par le fait que

d’après

la valeur admise pour

Q,6,

les raies y observées à ces

énergies

ne

peuvent

aboutir

qu’au

niveau fondamental.

On remarque d’abord le doublet de niveaux à

1 575,0

et

1 576,9 keV,

dédoublement

déjà pressenti

par Holm

[2].

Les cascades

982,4

+

594,5 = 1 576,9

keV

et 1

119,5

+

455,5

=

1 575,0

keV ont un écart au

prin- cipe

de Ritz très

supérieur

aux erreurs de mesure, mais surtout la raie de

1 273,2

keV est en coïncidence

avec les raies de

594,5

et

1 576,0

keV et non avec la raie de 1

119,5

keV. Nous confirmons donc les résul- tats de Holm avec une meilleure

précision

sur les

énergies.

La raie observée à 1 576 keV dans le

spectre

direct est sans doute double car elle est

plus large

que la

normale,

mais sa

décomposition

est rendue peu

précise

par la

présence

du

pied

de la raie de 1

569,8

keV

aussi nous avons estimé les intensités relatives des deux composantes

d’après

les mesures en coïncidence

avec la raie de

1 273,2 keV,

d’où les intensités

portées

dans le tableau II.

Par contre les raies à 934 et 1 067 keV ont pu être dédoublées avec une

précision

raisonnable au moyen du programme

SAMPO, grâce

à leur isolement vis-à- vis des raies

voisines,

on a ainsi obtenu les intensités relatives des raies à

933,3, 934,4,1066,6

et

1 067,8

keV.

Leur

placement

sur le schéma est basé sur les coïnci-

dences et le

principe

de Ritz. Enfin la raie à 2

098,6

keV

est

probablement

double et

placée

tentativement sur

le schéma.

5. Discussion. - Le niveau fondamental

de 137 Xe

a le

spin 7/2 d’après

la réaction nucléaire

Il

correspond

à l’orbite 2

f 7/2-

observée comme

fondamental dans les noyaux à 83

neutrons,

Z

pair, 137

A 145. Le niveau fondamental de

13’Cs

a le

spin 7/2

mesuré par résonance sur faisceau

atomique [8]

et

correspond

à l’orbite

1 g 7/2 + .

Les

isotones

impairs

à 82 neutrons,

135

A

145,

ont été étudiés par Wildenthal et al.

[9]

au moyen des réactions nucléaires

(’He, d)

et

(d, ’He).

Les deux

niveaux de

plus

basse

énergie

sont les niveaux

1 g 7/2 +

et 2d

5/2+,

le fondamental étant

7/2+

pour

53 Z

57

puis 5/2+

pour

59

Z , 63. Les niveaux de par- ticule 3s

1/2+

et

lh 11/2-

dans

137CS,

excités dans

la réaction de

stripping

sont situés entre

1,5

et

2,2

MeV.

La

probabilité

de leur alimentation bêta directe

est

négligeable,

leur alimentation indirecte par des transitions gamma est

possible

mais doit être faible.

Aussi ne retrouve-t-on

ici, parmi

les niveaux observés par Wildenthal et

al.,

que le fondamental

7/2+

le

premier

niveau excité

5/2+

et

peut-être

le niveau à

2 068 keV

qui

serait le niveau

3/2 +,

ainsi

qu’on

le

verra

plus

loin.

Nous observons un

grand

nombre de niveaux

entre 850 et 2 100

keV,

alimentés par des transitions bêta interdites du

premier

ordre et dont les

spins

sont

donc

compris

entre

3/2+

et

11 /2 + ;

cette dernière

valeur étant d’ailleurs exclue pour ceux

qui

se désexci-

tent vers le niveau

5/2 + .

Ces niveaux ne

peuvent

avoir

une structure

simple

à une

quasi-particule

et résultent

du

couplage

d’un

proton

d

5/2

ou g

7/2

avec les

excitations

de 136Xe.

Celles-ci

pourraient

être décrites

par un modèle vibrationnel mais

l’espacement

des

niveaux

0+

2+ 4+

6+

de la

quasi-bande

fondamentale n’est pas favorable à cette

interprétation, qui

a cepen- dant donné des résultats satisfaisants pour les noyaux à 83 neutrons

[10].

Les

premiers

niveaux excités de

136Xe

et des noyaux

pair-pair N= 82, 136 A 144,

(6)

5

FIG. 3. - Schéma de désintégration de 13’Xe. Les niveaux placés dans la colonne de droite sont ceux de la réf. [2].

s’interprètent bien,

au

contraire,

par le

couplage

des

quasi-protons

d

5/2

et g

7/2 [14].

Pour les noyaux de Z

impair

à 82 neutrons les

calculs

théoriques

les

plus

récents sont ceux de

Freed et Miles

[11]

et de

Heyde

et

Waroquier [12],

utilisant tous deux la

description

en

quasi-particules

et

l’approximation

de Tamm-Dancoff. Les états de

quasi-protons

considérés sont tous ceux de la couche 50 Z

82,

leurs

énergies

sont

déduites,

par la méthode d’inversion des

équations

du gap, de celles des niveaux

expérimentaux,

observés dans les réactions

de transfert d’un nucléon et identifiables comme

niveaux

principalement

à une

quasi-particule.

L’inter-

action résiduelle est choisie

différemment ;

Freed et

Miles utilisent directement les éléments de matrice de

l’interaction,

calculés par Elliott et al.

[13]

à

partir

des

déphasages nucléon-nucléon,

alors que

Heyde

et

Waroquier

utilisent un

potentiel

d’inter-

action

de forme

gaussienne dont

les

paramètres

sont

ajustés d’après

les

spectres

des noyaux

pair-pair

à

82 neutrons

[14].

Les

spectres

de niveaux excités obtenus par ces deux méthodes ne sont pas identi- ques,

mais,

au moins pour

137 Cs

il y a un accord raisonnable à basse

énergie,

les deux méthodes

donnant un

grand

nombre de niveaux excités résul- tant du

couplage

de 3

quasi-protons,

et situés entre

800 et 2 000 keV.

Le niveau fondamental et le niveau à

455,5

keV

ont la

configuration prépondérante

à une

quasi- particule indiquée plus

haut. La transition gamma M 1

est donc 1-interdite et n’est observée que

grâce

au

mélange

avec des

configurations

à 3

quasi-particules.

La transition E2 est, elle aussi très sensible à ce

mélange

et les

prévisions théoriques

des deux calculs sont

assez différentes : H. W. obtiennent

T1/2

=

5,4

ns

(96 % E2)

alors que F. M. obtiennent

7B/2

=

1,8

ns

(0,2 % E2).

Nous obtenons seulement une limite

supérieure Tl,2 0,1

ns. La situation est tout à fait

analogue

à celle observée dans

139La

et

14 1 Pr

et discutée par H.

W.,

la durée de vie du niveau d

5/2

est extrêmement sensible au

mélange

de

configuration

et l’interaction

gaussienne qui

donne un meilleur

accord avec

l’expérience

pour les

spectres

de niveaux excités donne de moins bons résultats ici que l’inter- action réaliste d’Elliott et al. Il serait intéressant de

mesurer le

rapport

de

mélange E2/Ml,

malheureu-

sement les

coefficients

aK

(M 1)

et OCK

(E2)

sont peu différents.

Le niveau à 849 keV est

probablement

le niveau à

3

quasi-particules [(7/2, 7J2)i, 7/2] 5/2+, prévu

à

760 keV

(H. W.)

ou 805 keV

(F. M.).

Les calculs de H. W.

prévoient

que la transition de 849 keV est

pratiquement

E2 pure et celle de 393 keV

pratique-

ment MI pure, avec un

rapport

de branchement

(7)

6

1(393)/1(849)

=

1,4

x

10-4.

Le rapport observé est

beaucoup plus grand ( ~ 0,2),

la transition M 1 est donc

beaucoup

moins ralentie que la

prévision

théo-

rique.

Le niveau à 982 keV est

probablement

le

niveau

3/2+

résultant du même

couplage

que le

pré- cédent,

et

prévu

à 926 keV

(H. W.)

ou 970 keV

(F. M.).

La transition de 982 keV est alors E2 pure et les calculs de H. W.

prévoient

que la transition de 527 keV

est

pratiquement

MI pure et

beaucoup

moins intense.

C’est ce

qu’on

observe mais l’intensité

expérimentale

de la transition de 527 keV est mal connue

(tableau I).

L’alimentation gamma du niveau à 982 keV est

supérieure

à sa

désexcitation,

aussi il est

probable qu’il

se désexcite

également

par une transition de 133

keV,

difficile à

observer,

vers le niveau à 849 keV.

Les niveaux

11/2+

et

9/2+ prévus théoriquement

à 1 000 et 1 049 keV par H. W. ne semblent pas obser- vés

ici,

la désexcitation du niveau à 1 280 keV n’est pas

compatible

avec ces

spins. Quant

aux nombreux

niveaux observés entre 1 500 et 2 100

keV,

il n’est pas

possible

dans l’état actuel des

possibilités expé- rimentales,

de les identifier aux niveaux

théoriques.

On

peut

seulement dire que la densité des niveaux

observés, compte

tenu des limites

probables

de leurs

spins,

est bien

reproduite

par les calculs. Pour aller

plus

loin il faudrait des mesures de conversion

interne,

rendues très difficiles par la brièveté de la

période

et la

grande

intensité du

spectre bêta,

ou des mesures

de corrélations

angulaires

rendues

également

très

difficiles par la

complexité

du

spectre

gamma et la faible intensité des raies.

Le niveau à 2 068 keV est

peut-être identique

au

niveau à une

quasi-particule

d

3/2+

observé

expéri-

mentalement

[9]

à 2 070 keV et retrouvé

théoriquement

à la même

énergie.

Sa désexcitation vers le fonda- mental

7/2+

et le

premier

niveau excité

5/2+

peut être

comparée

aux

prévisions théoriques.

Nous obtenons

1(1613)/I(2 068) x 11,

alors que H. W.

prévoient

un

rapport égal

à

1,6.

Si ce niveau est bien à une

quasi-particule

d

3/2

la transition bêta

qui

l’alimente

est interdite

unique

à une

quasi-particule,

en

négli- geant

les

mélanges

de

configuration.

Nous obtenons pour cette

transition; log (ft) ~ 7,9.

Le niveau à 2 850 keV est alimenté par une transi- tion dont le

produit ft

est relativement faible. Comme l’a

déjà signalé Holm,

il

pourrait

être au

couplage

d’un

proton

à une vibration

octupolaire

du coeur.

Effectivement le niveau 3- est situé à 3 276 keV dans

136Xe

et à 2 881 keV

dans 138Ba.

La transition bêta est alors

permise

mais retardée

puisque

due seule- ment au

mélange

avec des états de

particule

de

parité négative.

Il est

cependant remarquable

que ce niveau

alimente presque tous les niveaux excités de basse

énergie

et à moins que ces niveaux soient tous de

spin 3/2, 5/2

ou

7/2,

avec l’attribution

5/2-

pour le niveau à 2 850

keV,

on observerait un certain nombre de transitions M2 intenses. Aussi ne

peut-on

exclure que le niveau à 2 850 keV ait en réalité une

parité positive.

Nous remercions le Dr A.

Baudry

pour sa

parti- cipation

à la mesure de durée de vie décrite au

§

3.3.

Bibliographie

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paraître).

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Références

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