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Sur la théorie des transformations nucléaires et la
classification des éléments légers
G. Petiau
To cite this version:
SUR LA
THÉORIE
DES TRANSFORMATIONSNUCLÉAIRES
ET LA CLASSIFICATION DESÉLÉMENTS
LÉGERS.
Par G. PETIAU.
Sommaire. - Ce travail développe les résultats publiés dans deux notes aux Comptes-rendus de l’Aca-démie des Sciences du 5 février et du 19 mars. A partir de la remarque que les éléments légers peuvent être or lonnés en séries qui sont rigoureusement les homologues des séries radioactives au point de vue varia-tion de la charge électrique et en faisant les hypothéses que ces séries représentent le mode naturel de formation des éléments conduisant à des produits stables et que tous les produits extérieurs aux séries sont
instables on déduit pour les corps de numéro atomique Z 15 le schéma des réactions nucléaires par action des particules 03B1, des protons et des deutons. En particulier on obtient le nombre des groupes des
particules élémentaires émises dans les différents cas sans recourir à l’hypothèse de niveaux d’énergie pour
les protons ou les neutrons internes.
On admet actuellement t dans les différentes
tenta-tives de théorie du noyau que
parmi
les différentesparticules
élémentaires connues,protons,
neutrons,
électrons,
positrons.
neutrinos,
antineutrinos,
que seuls lesprotons
et les neutrons existent à 1 intérieur du noyau. Cettehypothèse
semble confirmée par denom-breuses
considérationsportant
notamment sur lesspins.
Deplus
l’étude desisotop
es des élémentslégers
aper-misàBartlett
(i)
de donner unerègle
de formationrégu-lière,
les éléments situés entre l’hélium etl’oxygène
étant obtenus en
ajoutant
alternativement un neutron et unproton,
puis
àpartir
del’oxygène jusqu’à
l’argon
deux neutrons et deuxprotons.
On obtient ainsitous les
isotopes
connus de ces corps avec enplus
l’hélium 5. Si l’on admet cetterègle
deformation,
la structure de ces noyaux n’est pas encore déterminée. Il faut connaître legroupement
interne de cesparti-cules. Celles-ci sont-elles libres et
s’organisent-elles
en couches ou aucontraire,
certainsgroupements
qui
semblent
jouir
d’une stabilitéparticulière, particules
a,deutons,
existent-ils à l’état de sous-combinaisons. Deplus
cettehypothèse
pose leproblème
des radio-activités naturelles ouprovoquées,
les électrons etpo-sitrons n’existant pas à l’intérieur du noyau,
quel
est le mécanisme de leur émissionLa théorie du noyau
doit,
enoutre,
permettre
laprévision
oul’interprétation
desexpériences
detrans-mutation. En
effet,
étant donné l’incertitudequi règne
toujours
surl’isotope qui
subit latransformation,
ainsi que sur la naturedunoyauformé
l’on nepeutfaire,
saufdans le cas de la formation d’un noyau
radioactif,
que deshypothèses
sur la nature de la véritable réaction detransmutation,
en se basant sur l’étude du bilanénergétique
de la réaction.Dans ce
travail,
nous essayons dedévelopper
les ré-sultats que l’onpeut
déduire dequelques
remarquessur les réactions de transmutation et le tableau de
Men-deleieff,
en vue de l’étude des processus de transforma-tion nucléaires.(1) BARTLETT, Pnys. Rev., 41, p. 70; (1~3Z), 42, p. 145.
Si l’on examine les résultats des
expériences
de transmutations effectuées au moyen desparticules
a,l’on constate que les résultats les
plus
nets sontobtenus
surtout,
pour des élémentslégers
dont le numéroatomique
estplus petit
que 15. D’autrepart,
dans
plusieurs
cas, l’on n’a pas une seuletransfor-mation,
mais la formation d’un corps instablequi
sedécompose
à son tour.Après
unetransformation,
que l’onpeut
appeler
uneintégration
oc, onpeut
avoirl’émission d’un électron
positif,
I. Curie et Joliot(1)
assignent
à cette transformation un schéma de laforme,
parexemple,
dans le cas de l’aluminiumDe
plus
ungrand
nombre de transformations sontac-compagnées
de l’émission derayonnement
y.On est ainsi amené à chercher si l’on
peut
enco reaug-menter les caractères de
symétrie
entreintégration
artificielle etdésintégration
naturelle.On voit que l’intervalle dans
lequel
s’effectuent leplus
facilement les transmutations artificielles de Z = 3 à Z = 15 est sensiblement le même que celui pourlequel
il y adésintégration Z =
81 à Z = 92.Le fait
qu’au
début de la série de 3IendeleiefI ily ait
possibilité d’augmentation
de masse par addition departicule
a et diminution decharge
par émission depositron,
tandisqu’à
la fin de la série on aunediminu-tion de masse par
expulsion
departicule x
etaugmenta-tion de
charge
par émission d’électron incite àregar-der si cette
symétrie
n’est pascomplète,
c’est-à dire si l’on nepeut
répartir
les élémentslégers
en sériequi
seraient lessymétriques
des trois séries radioactives avec des processusd’intégration
a au lieu dedésinté-gration
a.Nous constatons facilement que cette
correspondance
peut
s’établir d’unefaçon rigoureuse,
en attachant àchaque
corps radioactif des troisséries,
duradium,
du (1) 1. CURIE et F. JOLIOT, J. Phys., 1933, 4, 49L427
thorium,
et de l’actinium un élémentléger
defaçon
à obtenir des sérieslégères
qui
sont lessymétriques
aupoint
de vue structure des sériesradioactives,
avec toutefois des différences aupoint
de vuemassique.
A unedésintégration nc correspond
uneintégration
a maisà une
désintégration p
correspond
non pas uneintégra-tion,
maiségalement
unedésintégration
avec émissiond’une
particule qui,
cettefois,
estchargée positivement
et de
plus
pesante
(proton,
deuton,
neutron).
Pour réaliser cette
correspondance,
nous sommespartis
des trois gaz radioactifs choisis commehomo-logues
des troisisotopes 2°Ne, 21Ne,
22Ne.On obtient alors les séries
légères
suivantes(1).
Pourhomologue
de la série du radium on a :Pour
homologue
de la série duthorium,
on aPour
homologue
de la série del’actinium,
on aCes
groupement
appelloiil
plusieurs
remarques :9 °
La
première
porte
sur l’étendue qne l’on est con-duit à donner à la série deMendeleieff. Dans lacorres-pondance
ci-dessus l’élément 92correspond
auberyl-lium. Pour obtenir les éléments
antérieurs,
on estconduit à
prolonger
les séries radioactives d’où un nombre Z maximumégal
à Z = 9~ .~° La
correspondance
conduit à faire intervenirplu-sieurs fois le même
isotope
avec le même nombre de masse, mais avec un mode de formation différent et il semblequ’il
doive en résulter desénergies
internes différentes.3" Tous les
isotopes
connusdepuis
2Hjusqu’à
31Psont obtenus. L’on
n’obtientpas
’He que donnaitla règle
de Bartlett. Le seul corps nouveau introduit estl’ho-mologue
duradioactinium,
donc uncarbone, auquel
l’on doitassigner
la masse 14.4° La fixation des
homologues
des sériessupérieures
du Radium et du Thoriumpermet,
au moyen desélé-ments
légers
restants,
de former d’unefaçon
univoque
la sériesupérieure
homologue
de l’actinium etinverse-ment de déterminer
celle-ci,
qui
prend
une allure toutà fait semblable à celle des deux autres séries
(’).
5° La série de l’actiniumprésente
une autreanoma-(1) Notamment l’élément antécédent du protoactinium est de
numéro 93 et de masse 2’35. Des expériences récentes l’ont mis
en évidence et lui ont bien assigné cette place dans les séries radioactives (voir p. ex. Nature, 14 juillet 1934, p. 55).
Toufeioi; notre classification donne également un autre élé-ment 93 homologue de Li de masse 239, appartenant également
à la série de l’actinium et dont la masse est plus voisine de la
masse 240 signalée expérimentalement (note ajoutée aux
épreu-ves).
lie,
correspondant
à la transformationAc ~ Ra,d
De cefait,
le fluor etle sodium sont écartés. Pour les faire rentrer dans la classification on doit admettre l’exis-tence d’une fourche àpartir
del’actinium,
conduisant à des éléments radioactifs de numéros Z = 87 et Z == 85 dont les masses seraient 223 et 219.Ce
groupement
des corpslégers
et lesconséquences
que l’on en déduitpeuvent s’interpréter
si l’on faitappel
àl’analogie
entre la formation des noyaux et laformation des molécules
chimiques.
Eneffet,
les forcesqui produisent
les liaisons sont de mêmenature,
cou-plage
dû auxspins
des électrons dans le cas desmolé-cules,
dû auxspins
descomposants
du noyau dans lecas des atomes. Les corps
isotopes
isobares obtenussont ici les
analogues
des isomères de la chimieorga-nique.
Le fait que l’onpart
de deux sortes departi-cules a
peut s’interpréter
alors,
si l’on admet un modèletétraédrique
pour legroupement,
du fait de l’existencede deux modèles
symétriques
nonsuperposables.
De
plus,
cette classification des élémentslégers
sejustifie
facilement si l’on admet que lesdésintégrations
s’effectuent à
partir
de larégion
centrale du noyau dont la structure serait la même pour tous les éléments.Ces résultats
peuvent
être utilisés pourl’inter-prétation
des résultats desexpériences
detrans-mutation. Pour
cela,
nous formonsl’hypothèse
que les seuls atomes stables sont ceuxqui
constituent les sérieslégères
considérées comme le mode naturelde formation des noyaux. Si donc l’on bombarde un
428
atome intérieur à une suite
d’intégration
x au moyende
particules
a, il y aurapossibilité
defixation,
avecformation d’un corps stable et émission de
rayonne-ment ,~.
Si l’atome considéré est l’élément extrême d’une
suite de transformalions a il doit être considéré comme
inapte
à fixer uneparticule
a, maissusceptible,
sous l’action d’un chocapportant
del’énergie,
de se décom-poser en émettant uneparticule
lourdechargée
positi-proton
ou neutron.Si l’atome est intérieur à une branche
correspondant
à une suite dedésintégration
~,
la fixation d’uneparti-cule a conduira à un
composé
instablequi après
untemps
caractéristique
du corps formé sedécomposera
en donnant un atome
appartenant
à la série initiale. Si l’atome est l’élémentcorrespondant
à l’élémentextrême d’une suite de transformations
~,
la fixationpourra se
faire,
soit dans le sens del’intégration
o, soit enarrière,
de manière à revenir sur ladésintégration,
le corps formé étant soitstable,
soitinstable,,
selonqu’il
appartient
ou non à la série initiale.Il faut remarquer que ces
hypothèses
permettent
d’expliquer
l’existence de différents groupes depro-tons,
sans faireappel
àl’hypothèse
de l’existence des niveauxd’énergie
interne. Le schéma montrequ’il
y apossibilité
de l’émission dequatre
groupes deprotons
àpartir
del’aluminium,
de deux groupes àpartir
del’azote,
cequi
est en accord avec les résultatsexpé-rimentaux
(1).
Deplus,
l’aluminium estsusceptible
de fournir par fixation departicules a
durayonnement
y de trois manières différenteset,
d’autrepart,
de don-ner lieu à l’émission d’un neutron et d’unpositron,
suivant le schéma :(1) Voir p. ex. L. LEpmxcE-RiNGUET, Les transmutations artifi-cielles.
Nous allons maintenant essayer de donner une théorie
générale
du mécanisme des réactions de trans-mutation.Le
premier problème
à résoudre est celui desradio-activités P
Admettant
1 hypothèse qui
semblejustifiée
del’ab-sence des électrons ou des
positrons
à l’intérieur du noyau, l’on est conduit à chercher nn processus per-mettantd’exp’iquer
leur émission àpartir
desprotons
ou des neutrons. Selonl’hypothèse
faite,
on trouve les différentes théoriesproposées
pourexpliquer les
radio-activités
~.
Ces
hypothèses
sont celles de Beck(’) : formation
simultanée d’un électron et d’unpositron
àpartir
derayonnement
yinterne,
lepositron
se fixant sur unneutron pour donner un
proton,
l’électron étant seulémis,
cettehypothèse
renonçant
à la conservation del’énergie
dans un processus de transformationnuclé-aire,
ou deFermi (2) qui
admet la validité des lois de conservation del’énergie
et pour celareprend
l’hypo.
thèse émise par Pauli de l’existence d’une
particule
électriquement
neutre, de masse nulle ou infinimentpetite
vis-à-vis de celle de .l’électron et émisesimul’a-ment avec lui lors de la
désintégration. De ’plus
Fermi (1) BECK, Z. 9~3~, 86, p. 105.429 considère le neutron et le
proton
comme deux étatsquantiques
d’une mêmeparticule,
le passage de l’uneà l’aulre se faisant avec émission d’un électron et d’un neutrino d’une manière
analogue
à celle de l’émission d’unquan’um
de lumière par un atome excité.Pour faire rentrer dans cette théorie
qui
semble en bon accord avecl’expérience,
l’émission despositrons,
on doitainsi que nous l’avons montré aillours(’),
lagé-néraliscr. On est alors conduit à associer à une émis-sion de
positrons
celle d’unantineutrino,
anticorpus-cule
qui
ne semble paspouvoir
êtredistingué
duneu-trino etqui
constitue avec lui lecorpuscule
de lumière,ainsi que l’a montré M. Louis de
Broglie (2).
Mais on est conduit à remarquer
qu’il
y a deux pos-sibilités degénéralisation qui
sontégalement
vraisem-blables.La
première
repose surl’hypothèse
de la dualité duproton qui
devientsusceptible
de deux étatsinternes,
pourlesquels
ilpossède
la mêmecharge,
mais desénergies
internes différentes. Soient x et xi, ces deuxétats,
l’état étant l’étatd’énergie
maximum,
non stable à l’intérieur du noyau. Le passage de à icis’effectuant sous l’action du choc avec une autre
parti-cule ou sous l’action d’un
rayonnement extérieur,
il ya formation d’un état instable donnant lieu à
l’émis-sion d’un
positron
(E+)
et d’un antineutrino(1) t)
lors du retour à l’état stable selon le processus :tandis que dans les radioactivités naturelles l’on a
l’émission d’un électron
(~-)
et d’un neutrino(-q t)
selon le schéma :le
rapport
du nombre des neutrons au nombre des pro-tons tendant à diminuer.La deuxième
généralisation possible
repose surl’hy-pothèse
que leproton
nepossède
qu’un état,
mais que le nputron estsusceptible
de deux états w et ùil, l’étatstable dans le noyau étant cette fois l’état
de plus
hauteénergie
Le processus de transformation est alors le suivant :Dans les radioactivités
naturelles,
transformationsspontanées
tendant à faire diminuer lerapport
du nombre des neutrons au nombre desprotons.
Dans les radioactivités
provoquées :
Mais ici le neutron ne
peut
rester à l’intérieur du noyau cequi
donne une émission simultanée de l’électronpositif
et du neutron.On voit que cette
hypothèse
donnerait uneexplica-(1) C. R. (1934), 198, p. 564.
(’) L. DE BROGLIE, C. R., (1934), 198, p. 135.
tion du fait que la
symétrie
entredésintégration
spontanée
et ladésintégration
avec émission deposi-tron n’est pas
poursuivie
aupoint
de vuemassique.
Ce processus a en outrel’avantage
depermettre
dereprésenter
lesphénomènes
dematérialisation,
lepho-ton incident faisant passer un
proton
de l’état 7,, à l’état 7,.,,la matérialisation se faisant lors du retour 7t1 - 7: avec émission d’un électron et d’un
positron,
le neutrino etl’antineutrino s’unissant pour donner un nouveau
quantum y.
La
première
deshypothèses
ci-dessus(dualité
duproton)
permet
d’expliquer
l’émission desprotons
des tiansmutations artificielles pour un corpsplacé
dansnolre schéma comme
homologue
d’un corps àdésinté-gration
~.
En effet onpeut
alors admettre que lechoc,
par unapport
d’énergie
provoque la transition ’it-+- 7:1 et l’on aalors,
soitl’expulsion
duproton
qui
nepeut
exister à l’état stable dans le noyau et c’est le méca-nisme de l’émission desprotons,
soit si le corps est intermédiaire entrel’homologue
d’un corps àtransfor-ination p
et celui d’un corps à transformation a. latran-sil iun
complète
duproton
rl auproton
c avec l’émis-sion d’un électron et d’unpositron.
On a alorsl’inter-prétation
de l’émission des électrons dumagnésium
qui
émis avec un antineutrino donnent -unspectre
continu.Si l’on examine toutes les
possibilités
de transfor-mation selon notre schéma pour certains corps, nousavons :
1° Pour le
Béryllium :
8Be,
8Be fixent laparticule a
et donnent 1~C avec1 2 1
émission de
rayonnement
y.’Be
peut
fixer laparticule
a de deux manières et 3donner soit 12C soit 3
3Be
peut,
soit ne pas fixer laparticule
a, mais sousl’influence de
l’apport
d’énergie
subir une transitionprotonique
amenant l’émission d’unproton
et d’un neutron suivant le schémasoit fixer la
particule a
pour donner un corps instablequi
sedécompose
en donnant deux neutrons et unpo-sitron suivant le schéma :
On
peut
admettre que les deux neutrons sont émis àdes instants différents et
qu’ils
sont de naturesdiffé-rentes,
l’un étant un neutron interne et l’autre prove-nant de la transition.On obtient ainsi trois groupes de neutrons
possibles,
résultat
qui
est conforme aux résultatsexpérimentaux.
8Bepeut
également,
dans les cas de non fixation430
donner lieu à une transition 7t -+- 1t.,
puis
con-duisant à l’émission d’électrons et depositrons
répartis
en
spectres
continus. ~~ Pour le Bore :Le Bore’°B
peut
donner soit l’émission deprotons
iet de neutrons, dans le cas de non fixation de la
par-ticule a
soit dans le cas de fixation la formation d’un corps instable
qui
donne deux neutrons et unpositron
suivant : -.’OB donne un
proton
avec non fixation : -.2
~ ~B donne du
rayonnement
y avec fixationd’où pour le bore trois groupes de neutrons et deux
groupes de
protons.
3° Pour l’Aluminium :
donnent dans le cas de
non-capture :
dans le cas de
capture,
émission derayonnement
y27 Al
donne,
dans le cas denon-capture
4
avec
capture,
formation d’un corps instable :d’où 4 groupes de
protons
et un groupe de neutrons.4° Pour le
Magnésium :
On obtient du
rayonnement
y par l’action des parti-cules a sur tous lesisotopes
26Mg.
De
plus,
donnent :De
plus 2"Mg
donnent l’émission d’électrons et de2,3,4.~
positron-On obtient
donc,
dans le cas de bombardement parparticule
ac lapossibilité
de l’émission desparticules :
Dans le cas de transmutations
s’effectuant,
nonplus
par action departicules a
mais sous l’action deprotons
accélérés,
de deutons ou deneutrons,
leshypothèses
faites antérieurementpermettent
également
de lesinterpréter
suivant notre schémagénéral.
Les transformations
s’effectuent,
soit sansfixation,
auquel
cas l’effet du choc est de créer un état instable parapport
d’énergie
d’où l’émission deproton
et deneutron,
ou d’électrons et depositrons.
Dans le cas defixation notre
règle
permet
deprévoir
lesproduits
dedécomposition,
le corps sedécomposant
de manière à redonner un corps de la série. Ceciexplique
le faitsignalé
par les différentsexpérimentateurs
que lors d’une transmutationproduite
par lesdeutons,
les pro-duits émis sont souvent les éléments de sadécomposi-tion.
En
