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Structure du spectre énergétique du noyau N15
Paul Comparat
To cite this version:
STRUCTURE DU SPECTRE
ÉNERGÉTIQUE
DU NOYAU N15 Par M. PAUL COMPARAT.Institut de
Physique atomique.
Faculté des Sciences deLyon.
Sommaire. 2014
Étude expérimentale de la désintégration de l’azote par les neutrons rapides (N14+n ~N15~B11+03B1).
Mise en évidence de nouveaux groupes discrets de particules de désintégration, de grandes énergies;
en tenant compte des mesures antérieures, on obtient au total 32 groupes entre 0,6 et 7 MeV. Interpré-tation de ces groupes comme niveaux de résonance du compound N15 et discussion. Des niveaux existent au delà de la barrière de potentiel du bore.
A. Introduction. 2013- Nous
apportons
ici descompléments
à l’étude de ladésintégration
de l’azote par les neutronsrapides,
( Nz ~ +
et nous sommes en mesure de
préciser
l’existence de niveaux du noyaucomplexe
plus
élevés queceux que nous avions mis en évidence dans nos
travaux
publiés
de1938 et 1939
[ 1 ] ;
la courbe de distribution du nombre departicules
oc de désintégra-tion en fonction del’énergie
avait révélé14
maxima entreo, 6
et3,6 MeV,
et nous les avionsinterprétés
comme des niveaux de résonance du noyau intermé-diaireN15,
sans exclurepourtant
l’idée que certains d’entre euxpuissent représenter
des groupes detransition entre deux
niveaux,
ou bien encore serapporter
à une réaction nucléaire différenteIl nous a paru nécessaire de
poursuivre
l’investi-gation
auxénergies plus
élevées et les mesures que nousrapportons
ici s’étendentjusqu’à 7
MeV.B.
Dispositif expérimental
etenregistre-ments. - Le
dispositif
expérimental
reste sensi-blement le même queprécédemment :
une chambre d’ionisationremplie
d’azote pur(1),
souspres-sion
(4 kg),
et reliée à unamplificateur
linéaire[2],
reçoit
lerayonnement
neutronique
d’une sourceradon-béryllium (i5o
à 35om3);
les rayons ~~ sont filtrés par uneépaisseur
deplomb
de 6 à 1 o cm suivant l’intensité de la source.Nous avons dû
apporter
desperfectionnements
àl’amplificateur proportionnel
en vue de poses delongue
durée sans variationimportante
de la sensi-bilitéglobale;
lesparticules
ce degrande
énergie
sont, en
effet,
en nombre trèsrestreint,
et l’on estobligé
de faire desenregistrements longs
pour obtenir desstatistiques
à nombres suffisants d’événements. Nous avonsremarqué
que la sensibilitéglobale
del’amplificateur dépendait beaucoup
du courant de (I) ,Xzote = o,o5 pour oo environ d’impuretés (oxygènesurtout).
chauffage des filaments et des variations de
tempé-rature
extérieure;
ce dernier effet est trèsimportant,
une variation de 10 C entraîne une variation de
sensibilité de 3 à
4
pour 10oenviron;
nous avons dûnous
placer,
enconséquence,
dans unepièce
àtempérature
stable. Le circuit dechauffage
desfilaments a été
complété
de lafaçon
suivante : un redresseur àvalve,
dont la tension estrégularisée
par un tubefer-hydrogène,
alimente,
parl’inter-médiaire d’un filtre et
d’accumulateurs-tampons
degrande
capacité,
les filaments des troislampes
del’amplificateur
(2
E 446 et AL3);
une résistance variable à mercure montée en sériepermet,
en coursde
fonctionnement,
des correctionsprogressives
du courant dechauffage;
la tension aux bornes des filaments est contrôlée à i mVprès.
Durant desenregistrements
delongue
durée,
on a pu compenser, enagissant
sur lechauffage,
les variations desensi-bilité dues à l’inconstance de la
température
ambiante et obtenir une sensibilité stable à i pour 10oprès (2).
La mesure de la sensibilitéglobale
ducompteur
et le contrôle de la linéarité del’amplification
ont été faits avec desparticules
depolonium
dont onmesurait le parcours utile à l’intérieur de la chambre
d’ionisation;
en coursd’expériences,
on contrôlaitla sensibilité par
l’amplitude
de l’onde obtenue enappliquant
à l’une des électrodes unepetite
tensionalternative. Nous estimons une
précision
de 5 pour 100 dans la mesure absolue desénergies
et de o,05 MeV environ dans laposition
des maxima de lacourbe,
les uns par
rapport
aux autres. Lapart
de lapollution
radioactive de la chambre dans lesstatistiques
a varié de 2 à 10 pour 100 suivant lesenregistrements.
L’intervalle moyen
(E~~~;
+ à
E,-,,B), adopté
dans les
statistiques,
est deo,o4
MeV au lieu de o,03dans nos
enregistrements précédents,
car nous avonsété
obligés
de réduire la sensibilité pourpouvoir
mesurer des
impulsions
degrande énergie;
parcontre, le nombre des
désintégrations
est environ dix foisplus
élevé,
àénergie
égale.
(2) Un circuit dérivé comprenant un générateur de tension constante et un galvanomètre est monté en opposition sur un
shunt que traverse le courant total de chauffage.
37
Les rayons y émis par la source de neutrons
pro-voquent
sur lesenregistrements
photographiques,
malgré
leplomb interposé,
unépaississement
du soufll.e(6
à 8 mm delargeur),
par l’effet d’une ionisationcumulative;
il seproduit,
parconséquent,
des fluctuations de hauteur sur desimpulsions
de mêmeénergie,
et cela se traduit sur nos courbes parun
aplatissement
des maxima : nous avons puvérifier
l’importance
de laperturbation
apportée,
en effectuant des
statistiques
surl’énergie
departi-cules « sensiblement
monocinétiques (polonium)
à l’aide du mêmecompteur
proportionnel,
enprésence
et en l’absence de rayons y, la hauteur desimpulsions
étantmesurée,
comme sur lesenregistrements
avecl’azote,
àpartir
du centre du souflle : un groupe de o, 2 MeV delargeur
sans y, voit son ordonnée maximum diminuer de moitié et salargeur tripler
quand
la chambre est soumise à unrayonnement
comparable
en intensité à celui de la source deneutrons. Notons enfin la difficulté de définir
exac-tement le centre du
souffre,
et l’erreursupplémen-taire
qui
en découle.Nous avons
également
voulu discuter lapart
del’équation personnelle
de l’observateur dans laprécision
desrésultats;
des mesures serapportant
à des
particules d’énergies régulièrement
distribuées ont mis en évidence une attirance nette des nombresentiers de
millimètres,
dans l’évaluation de la hauteur desimpulsions.
Cedéfaut,
s’ils’appliquait
àplusieurs
enregistrements
de sensibilitéparfaitement
constante,pourrait
faireapparaître
des maxima erronésrégu-lièrement
espacés
sur la courbe dedistribution;
mais depetites
variations de sensibilité d’unenre-gistrement
à l’autre(i
à 5 pour 100environ)
nousont
obligé
à faire des correctionsrelatives,
c’est-à-dire àrapporter
toutes les sensibilités à celle de l’une des séries de mesures; dans cesconditions,
les nombres dedésintégrations correspondant
à des hauteurs entières nes’ajoutent plus uniquement
entreeux et une
compensation
de l’erreurpersonnelle
s’établit
automatiquement.
C. Résultats. --- Les courbesprésentées
ont été obtenues en faisant la somme dequatre
enregis-trements différents totalisant
4o
h de pose. Lesfluctuations
indiquées
surquelques points
nerepré-sentent que la fluctuation
statistique
laplus probable
sur le nombre des
désintégrations;
il y aurait lieu de lescompléter
par lesfluctuations,
déjà
mention-nées,
surl’énergie, qui proviennent
de l’ionisationparasite
des rayons y et des erreurs de mesure; lacomposition
de ces deux fluctuations est sansdoute
responsable
del’irrégularité
dans la hauteur des maximaqui,
tantôt sontaigus,
tantôt se réduisent à desimples paliers;
de ces derniers nous avonsretenu ceux
qui,
surplusieurs
séries de mesures,apparaissent
systématiquement;
les flèchespoin-tillées
indiquent
les niveauxqui
sont incertains àcause du nombre insuffisant de transmutations.
1. Dans le domaine commun aux courbes des
figures
i et 2, nous notons :a. Confirmation des groupes à
2,25-2,60
et2,78
MeV;
anciennes valeurs : -.2,25-~,55-2,?5;
~
Fig, i.
b.
Apparition
d’un groupe nouveau à2,42 MeV,
qui pourrait correspondre
à celui donné parSzalay
[3],
etqui
avait,
jusqu’ici, échappé
àl’observation;
c. Les deux groupes
précédemment
situés à3,05
et
3,30,
mais mal définis par suite de leurétalement,
révèlent une structure :
3,o3
et3,18-3,33
et3,46.
2. Au delà de3,5
MeV(fig.
2 et3),
nous pouvonscomparer nos résultats à ceux d’autres auteurs : le niveau très
large
signalé
parWilhelmy
[4],
à4,9
MeV,
correspond
chez nous à l’ensemble destrois niveaux :
4.66-4,82-4,98.
Le groupe3,76
confirme la valeur déduite de la réaction inverse :
(Maurer) [5] :
3,74;
mais le niveau voisin3,89
n’apparaît
pas sur notrefigure.
L’accord avec les résultats de Ortner etProti-winsky
[6]
estmédiocre,
mais nousignorons
laprécision
de leurs mesures.3. L’intervalle entre maxima est relativement
régulier
dans tout le domaineétudié;
sa valeur moyenne est o, 2 MeV.Mais,
comme nous l’avonsindiqué,
les erreurs inévitables que nous commettons dans la mesure desénergies
nous interdisent deencore inférieure aux très
grandes
énergies;
c’est dire que lepouvoir
de résolution de notrecompteur
Fig. 2.
serait encore insuffisant pour mettre en évidence
une structure
plus
fine dans la série desniveaux,
principalement
auxénergies supérieures
à5,5
MeV.Fig. 3.
Des mesures ultérieures nous
permettront
sans doute de dire si les maximaspécialement larges,
tels que4,o2-~,36-~,g8-5,58,
etc. ne doivent pas être subdivisés.Actuellement,
nous ne pouvons pasdonner de résultats indubitables sur la densité des
groupes situés au-dessus de
5,5
M e V.D.
Interprétation
des résultats et discussion.- 1. Nous ne donnons
pas
d’interprétation
certaine à tous les maxima observés sur noscourbes,
carplusieurs
des difficultés soulevées dans nosdiscus-sions
précédentes
n’ont pas encore été résoluesexpérimentalement;
enparticulier,
restent à déter-minerl’importance
de la réaction àprotons
(N14
+ n 2013 N15 - Cl4 +p)
dans les transmutationsenregistrées,
et larépartition énergétique
du rayon-nement yaccompagnant
chaque
transmutation. Ortner etProtiwinsky
avaient pu, par la combi-naison desénergies
de 12 groupesmesurés,
montrer que4
seulement étaient des niveaux de résonance du noyaucompound
N15(5,11-6,04-6,50-6,81),
tandis que les autres nereprésentaient
que des transitions de l’un de ces4
niveaux aux 2 niveaux d’excitationde actuellement connus : 2,2 et
4,4 MeV;
nos mesures nepeuvent
pasapporter
d’appui précis
à cetteinterprétation,
carl’espacement
des groupesE,,,B
est, chez nous, assezrégulier,
et l’intervalle moyen est du même ordre degrandeur
que laprécision
avec
laquelle
les auteursprécédents
définissent lesniveaux du bore
(o,2
MeVenviron);
parsuite,
si nous nous fixons une valeur constantereprésen-tant par
exemple
un niveaud’excitation,
il estpossible
dans nos mesures de fairecorrespondre
àune série de maxima de forte
énergie
une série demaxima
d’énergie
moindrequi représenterait
alors les groupes detransition; mais,
avec la remarqueprécédente,
on se rendcompte
que cetteopéra-tion reste valable
quelle
que soit la valeur constanteadoptée.
Nous n’excluonspourtant
pas lapossibilité
d’un tel processus, car sur nos courbes nous trouvonsune forte
proportion
departicules
d’énergie
faible,
ce que l’on
pourrait comprendre
ensupposant
que
l’énergie
d’un neutron trèsrapide
ne secon-centre que
partiellement
sur laparticule
« émise et que le noyau de bore reste excité dansbeaucoup
de cas. Nousadmettons,
néanmoins,
que lesvaleurs
obtenues
par Maurer dans la réactioninverse ce --»
N14 ~
n) correspondent
cheznous à des transmutations sans excitations du noyau final : groupes situés à
1,40-2,05-2,78-3,33-3,76.
Seule une étude du
spectre
de rayons y pourra nousrenseigner
sur les états d’excitation dubore,
mais,jusqu’à présent,
notredispositif expérimental
ne s’est pasprêté
à l’observation simultanée des deuxphénomènes.
Nous n’avons pas pu
également
distinguer
lapart
de la réaction àprotons
dans le nombre total desdésintégrations
observées;
il n’est pasimpossible
qu’une
telle réaction intervienne pourexpliquer
les maxima de faibleénergie (o, 6
à 1,5MeV),
car lapénétrabilité
de la barrière depotentiel
estplus
grande
pour lesprotons
que pour lesparticules
«réac-39
tion
(n, p)
estexoénergétique : Q
= + o, 6M eV ;
si 1 e s maxima lesplus
bas sontimputables
à cette réaction,les neutrons
qui
en sontresponsables
doivent avoirune
énergie
sensiblementplus
basse que dans laréac-tion
(n, oc), qui
estendoénergétique
Q
=- 0,35MeV;
pour le groupe à o,6o
MeV,
les neutrons seraient lents. Il sera intéressant de se rendrecompte
si des groupes moinsénergiques
encoreapparaissent,
et depréciser,
mieux que nous ne l’avons faitjusqu’alors,
lapart
des neutrons lents dans la structure desgroupes les
plus
bas.Signalons qu’étant
données les dimensions actuelles de la chambre d’ionisation et lapression
d’azoteutilisée,
seuls desprotons
d’énergie
inférieure à 2 MeVpeuvent
avoir leur parcours entier dans la chambre. Il ressort enfin des mesuresde
Baldinger
et Huber171
que la section efficace de la réaction(n, p)
est environquatre
fois moindre que celle de la réaction(n, oc),
pour des neutronsd’énergie
voisine de2,8
MeV :2. Ces réserves
faites,
nous supposerons, pour lasuite de notre
exposé,
que tous les maximacorres-pondent
à des niveaux de résonance ducom-pound
N15. Nousdonnons,
dans le tableausuivant,
la série
complète
de 32niveaux,
parénergie
crois-sante de o,6à 7
MeV;
nous avons calculé la valeur absolue des termesET
parrapport
à l’étatfonda-mental,
enprenant
comme bilanénergétique
Q
= -o,35
M eV et commeénergie
de liaison de laparticule
a au noyau N15 : II,1 MeV.3. Nous avons
déjà indiqué
que l’intervalle entre niveaux est sensiblement constant : o, 2o MeV enmoyenne, ce
qui
conduit à unelargeur
partielle
rx
de l’ordre de 100 00o eV
[ 10] ;
nos mesures récentes ne confirment donc pasl’aspect
queprésentaient
nospremiers
enregistrements
où l’intervalle semblait croître avecl’énergie depuis
o,6jusqu’à
3,5 MeV,
la densité
semble,
aucontraire,
à peuprès
égale
aux
grandes
et aux faiblesénergies.
Nous
signalons
queSzalay
et Maurer ont donnéune suite de niveaux relatifs au noyau
compound
N14 déduits de la réaction + ex - M4 -N,’- °;
+ n;l’espacement
moyen est o,3 MeVenviron,
c’est-à-dire d’un ordre degrandeur
voisin de l’intervallemesuré par nous
(pour
pour desénergies
d’excitation
comparables.
Nous avons cherché
également
à comparer notreintervalle moyen aux valeurs
théoriques
que l’onpeut
calculer àpartir
des divers modèles nucléaires actuellementproposés [8] :
a. En
supposant
lescorpuscules
nucléaires libres de touteliaison,
c’est-à-dire en traitant le noyaucomme un
mélange
de deux gaz formés deprotons
et de neutrons,l’espacement
D pour uneénergie
d’excitation U de 15 M eVI
iVIeV)
serait,
au
maximum,
de 30 000’~r,
valeur manifestement inférieure à notre résultat.b. En
supposant
lesparticules
nucléaires douées de liaisonsanalogues
à celles des électrons dans lesmétaux,
on obtient :(J
étant le momentangulaire
du noyauNI5).
Il y a ici désaccord entrel’espacement
sensiblement constant de nos niveaux et leurrépartition
théo-rique
qui
en faitprévoir
un nombre croissant assezrapidement
avecl’énergie.
c. En
prenant
enfin comme modèle celui de lagoutte
liquide,
cequi
suppose de fortes interactionsentre constituants
nucléaires,
le calculdonne,
pour U = ~ 5
MeV,
D = ~ oooV,
valeur considéra-blementplus
faible que la nôtre. Dans ce derniercas, le désaccord entre théorie et
expérience
adéjà
été observé à d’autres occasions pour les noyaux
légers
(A
inférieur à 5o parexemple),
car pour unpetit
nombre decorpuscules
nucléaires,
leshypo-thèses sur
l’analogie
avec lagoutte
liquide
ne sontplus
valables.4. Nos mesures se
prêtent
mal à la détermination de la section de choc de la transmutation(n, car
le faisceau de neutrons a unspectre
de vitessesinhomogène
et mal connu. Nous pouvonspourtant
faire une estimation
grossière
du nombre de neutrons traversant par seconde la chambred’ionisation,
dontl’énergie
soitcomprise
entre 2,6 et 3,oMeV,
defaçon
que l’onpuisse
les comparer à ceux utilisés parBaldinger
et Huber : admettonsqu’une
source Radon-Be émette 20 oooneutrons-seUl,
de toutesénergies,
par millicurie et dans unangle
solideQ r,
et que seulement i pour 100 de ceux-ci ait
l’énergie
indiquée;
avec une source de 30o m3 et unangle
solide moyen utilede i/6ooe
de4 T environ,
nousobtenons une émission de io2
n-sec-1;
l’un de nosenregistrements
fait avec une chambre de2,5 cm de
profondeur
et4
kg
depression
nousfournit 3. 0-2 transmutation-sec-1. Nous en
dédui-sons (’j # 4. 10-25
cm2,
soit environ le double de la valeur donnée parBaldinger
et Huber. Notre résultat donne l’ordre degrandeur
(à
un facteur 3ou 5
près, peut-être),
de la section moyenne sur uneque la valeur des auteurs
précédents
n’intéressequ’un
domaine bienplus
étroit,
d’unelargeur
compa-rable à celle de l’une de nos raies de résonance.5. Plusieurs niveaux existent à des
énergies
voisines etsupérieures
à celle de la barrière depotentiel
de B"(environ
cette observation semble unappui
important
àl’hypothèse
de N. Bohr que dans le choc entre un noyau et uneparticule
rapide l’énergie
incidente commence par sedissé-miner sur tous les
corpuscules
nucléaires et ne selocalise pas immédiatement sur la
particule projetée;
c’est une démonstrationexpérimentale
intéressante de cequ’il
est nécessaire de neplus
considérer la transmutation comme unproblème
de choc entre deux corps et que nousdevons,
pour desénergies
d’excitationsupérieures
à 15 MeV,
envisager
unnoyau
complexe,
constitué dans le cas del’azote,
de 15
corpuscules.
t
6. Nous chercherons enfin à
rapprocher
nosrésultats des indications données sur les états
quantiques
ducompound
par ladiffusion
anomaleFig. 4.
de
particules
oc sur du bore : ce - N15 -B" +
cx;nous
publions
la courbe de Riezler[g] ( fig. 4) qui
se
rapporte
à la diffusion sousgrand angle,
etrésumons les déductions faites par M. G. Beck
[10]
à l’occasion de nos mesuresprécédentes (énergies
inférieures à
3,5
MeV) :
la seule diffusionpotentielle
nepeut
pasexpliquer
lesgrandes
valeurs duses variations en fonction de la vitesse des
parti-cules
incidentes;
il fautadmettre,
parconséquent,
une diffusion de résonance due aux niveaux de
N15,
mais,
étant donnée lamultiplicité
de cesniveaux,
les valeurs 1 devraient varier
périodiquement
en fonction de la vitesse desparticules;
l’oncomprend
bienpourtant
que cette structurepériodique
n’ait pas été mise en évidence parRiezler,
carl’espacement
de ses
points
expérimentaux
esttriple
environ de l’intervallequi
existe entre nos niveaux. Nousferons,
en outre, les remarques suivantes(fig. 4) :
a. La diffusion anomale semble commencer à des
énergies
voisines de2,5
MeV(v
=i,3.10~
cm/sec) (3),
tandis que nous avons
signalé
des groupes encoremoins élevés : nous sommes donc amenés à penser que les niveaux les
plus
bas ont uncomportement
différent des autres
(réaction
àprotons
parexemple).
b. Laséparation
des deuxparties
de la courbe de Riezler se fait à v =1,6
à1,7.109
cm/sec,
soit =3, g
à4,4 MeV,
c’est-à-dire à uneénergie
voisine de la barrière de
potentiel.
Le dernierpoint
expérimental
de Riezlercorrespond
chez nousà
= 5,3 MeV;
c’est dire que toute la courbe estcomprise
dans le domaine où nos mesures sont lesplus précises.
c. Pour rendre
compte
des deuxparties
ainsidélimitées,
ilfaudrait,
ou bienenvisager
une densité de niveaux trois foisplus
forte au-dessus de v =I,7.io9, qu’en
dessous,
ou bien admettreque les niveaux les
plus
élevés ont un momentcinétique
moyensupérieur
à celui des niveaux depetites énergies (Beck).
Or,
nos résultats ne font pasapparaître
de densité croissante ettendent,
parconséquent,
à confirmer la deuxièmehypothèse;
des mesures ultérieures nouspermettront,
sansdoute,
d’élucider cette
question importante,
et nousespé-rons exposer, dans un
prochain
Mémoire,
une possi-bilité d’ordonner les niveaux en tenantcompte
des momentscinétiques
des noyaux N15.L’auteur
exprime
sa reconnaissance à M. le ProfesseurThibaud,
pour l’intérêtqu’il
a bien vouluporter
à cetravail,
entrepris
etpoursuivi
sous sadirection;
il remercieégalement
M. G. Beck pour la discussion deplusieurs
résultats et Mme Lambertqui
s’estchargée
de l’extraction desampoules
de Radon. (3) Si v est la vitesse de la particule x incidente, l’énergie Ex+aconsidérée dans un système où le centre de gravite serait au
, , - mvl 11 l
repos, " est donnée par i .
2 10
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