HAL Id: jpa-00234062
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Submitted on 1 Jan 1947
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Sur l’estimation rapide des énergies d’électrons de
vitesses moyennes et faibles
Tsien San-Tsiang, C. Marty, B. Dreyfus
To cite this version:
Comme valeurs moyennes « et v, nous choisirons
d’où
et
La valeur « donnée par
(34)
permet
de trouver lapremière approximation
de(33)
avec la valeurapproximative
de J. et de(35)
et(36)
don-nant alors oc, et on pourra obtenir ladeuxième
approximation
et ainsi de suite.Approximation
plus grossière
et erreurqua-dratique
moyenne. - Admettons que ),7; soit assezpetit
pourpouvoir
développer
(30)~ (31)
et(32)
en
posant
el:’;
=I + 1.z.
On auraCe sont les
équations
(14),
(15 bis)
et(16 bis)
danslesquelles
on aremplacé
par ~
mpar
mv v
et
Mo
par Onpourrait
donc obtenir une solu-tionapproximative
en utilisant les formules données dans le cas où la source est à vie moyenne assezbrève. Mais cette remarque nous sera surtout utile
pour calculer l’erreur
quadratique
moyenne, car là des valeursapproximatives
sont suffisantes. Il n’est donc pas nécessaire de refaire un calculcomplet;
onpourra
simplement
utiliser(22),
(19 ter), (20 ter)
et(21 ter)
à la condition deremplacer Mo
parMow,
m et de
multiplier
lesintégrales
figurant
dans(t9 bis), (20 bis)
et(21 bis)
par
·Manuscrit reçu le 28 juillet 1947.
SUR L’ESTIMATION RAPIDE
DES
ÉNERGIES D’ÉLECTRONS
DE VITESSES MOYENNES ET FAIBLESPar TSIEN
SAN-TSIANG,
C. MARTY et B. DREYFUS. Laboratoire de Chimie Nucléaire,Collège
de France(Paris).
Sommaire. 2014 On définit la portée comme étant la distance joignant l’origine à l’extrémité d’une
trajectoire électronique. On a établi expérimentalement que la portée moyenne est, pour des négatons d’énergie inférieure à 50 keV, dans un rapport constant avec le parcours moyen. Cette relation permet
d’estimer rapidement l’énergie d’électrons monocinétiques. En appendice, on donne aussi la relation entre le parcours moyen des électrons et leur énergie (comprise entre 1 à 100 keV) et le rapport entre le parcours moyen vrai et sa projection horizontale.
Introduction. - La théorie
quantique
du ralen-tissement desparticules chargées dans
la matière(Bethe [1])
permet
de calculerthéoriquement
pour des électrons laperte
d’énergie cinétique
pour urieunité de
longueur.
En choisissant convenablement lepotentiels
moyend’excitation,
terme difficilement calculable intervenant dans la théorieprécédente,
l’un de nous[2]
a pu établir une relation entre le parcours moyen etl’énergie
initiale desélectrons,
relation
qui
est en bon accord avecl’expérience
(mesures
à la chambre de Wilson de parcours moyens d’électronsd’énergie comprise
entre i et 5okeV).
La relation obtenue est très utile dans l’étude desrayonnements
électromagnétiques
de faibleénergie
comme on en rencontre souvent en
physique
nucléaire. Pour cesphotons,
les méthodes de détec-tion parcompteurs
ou par chambres d’ionisationne sont
plus
assez sensibleslorsque
les faisceauxsont de faible intensité. En
revanche,
onpeut
observer dans une chambre à détente à
pression
réduite les
trajectoires
desphotoélectrons
individuels,mesurer leur parcours et, par
là,
atteindrel’énergie
de la raie
électromagnétique
initiale.Le
principal
inconvénient de cette méthode est lalongueur
des mesures. Auxpressions
où il est néces-saired’opérer,
lestrajectoires
desnégatons
sonttrès sinueuses et nécessitent le relevé de nombreux
points.
Il était donc intéressant de rechercher s’il existait une relationstatistique simple
entre le vrai parcours d’un électron et saportée
définie comme ladistance
séparant
l’origine
de l’extrémité de latrajectoire.
Pratiquement,
on a cherché àopérer
de lafaçon
suivante : un faisceau
monochromatique
X ou ycrée,
dans une chambre de Wilson àpression
variable,
desphotoélectrons
dont on mesure le parcours II etla
portée
P. Larépartition statistique
desportées
et des parcourspermet
de calculer les valeursmoyennes P2
et P et accessoirement ld(pour
leconfronter à la valeur
théorique
déduite de la for-mule deBethe).
Nous avons utilisé comme source dephotoélectrons
les raies .K du cuivre et y du Ra D. Afin de ne pastrop allonger
cetarticle,
nous nedécrirons avec
quelques
détails que lesexpériences
relatives aux raies K Cu.
LES R,AIES K DU CUIVRE.
Dispositif
expérimental.
- Lerayonnement
K du cuivreayant
uneénergie
très faible(8,o5keV
pour
KY.l)’
nous avons utilisé la chambre à détente àpression
variable construite par F. Joliot[3],
remplie
d’air à17°-Ioo
mm. Ledegré
de détente était de1,3
et letemps
d’efficacité(mesuré
à l’aidedes rayons a émis par une
petite
source dePo,
suivant la
technique
décrite dans l’article citéci-dessus)
de 0,02 s.Pour éviter tout fond continu le
spectre
K du cuivre étaitproduit
parl’absorption
complète
des
particules
a d’une source depolonium
de 82 milli-curies dans un écran de cuivre de 13 mg : cm2 sui-vant unprocédé
déjà
employé
par Bothe etFranz
[4],
d’unepart,
I. Curie et F. Joliot[5],
d’autrepart.
Pour des raisons de commodité depréparation,
la source étaitdéposée
sur une feuillede nickel. Afin de bénéficier d’un
grand
angle
solide,
la source et les écrans de cuivre étaientportés
par un cône de laiton fixé sur laparoi
de lachambre
(fig.
i).
Lerayonnement
pénétrait
dans l’enceinte del’appareil
Wilsonaprès
avoir traverséune fenêtre
d’aluminium
de!~
zng :cm2;
enoutre,
pour absorber les
protons
projetés
par la sourcede
Po,
on avaitdisposé
un écran decellophane
de6,8
mg : cm2 entre la feuille de cuivre et la chambre.Bien que la source ait été
purifiée
avecsoin,
il restait encore un certain
nombre
derayions P
du
spectre
deRa E,
mais à lapression
où les mesuresont été
effectuées,
ces derniers ne laissentplus
aucunetrace dans
l’appareil
Wilson.Fig. I. - Radiateur de
photons.
Les
trajectoires
desphotoélectrons
ont étéphoto-graphiées
stéréoscopiquement
etgrâce
à unstéréo-comparateur
de Pülfrich on a pu remonter à lalongueur
réelle des parcours[6].
Le filmemployé
était l’émulsion KodakSuper
XX.Résultats. - A. DISTRIBUTION DES PARCOURS
DES PHOTOÉLECTRONS. - Sur environ 3oo
clichés,
nous avons mesuré 230
trajectoires
dont la distri-bution des parcoursexprimée
enmillimètres
d’air à1°-760
mm est donnée sur lafigure
2 a. Les raies X lesplus
intensesqui
fournissent desphoto-électrons dans le domaine
énergétique qui
nousintéresse sont données dans le Tableau I.
On trouvera
également
dans ce tableaul’énergie
et le parcours moyen
théorique
desphotoélec-trons
[2].
On remarquera que si l’on
reporte
sur lafigure 2 a
les parcours moyensprécédents,
les raies Cu Kx et Ni sontpratiquement
confondues formant le groupe leplus
intense.Comme,
dans la zoned’énergie
comprise
entre 7
et10 keV.,
lesrépartitions
de parcours d’électronsmonocinétiques
semblent trèslarges
(4o
à 5o pour 100 du parcoursmoyen),
ce groupe interfère
largement
avec Ni Ka et CuKg,.
Il est donc difficiled’analyser
en détail ladistri-bution des parcours, d’autant
plus
que les mesuresil ne reste
plus
que 82 pour I oo de l’intensité ci-dessus pour lerayonnement
du cuivre et 33 pour 100 pour celui du nickel(traversée supplémentaire
de l’écran decuivre).
Enappelant :
le
temps
d’efficacité del’appareil
Wilson.;
u.--i, les coefficients
d’absorption massique
de l’air pour lesrayonnements envisagés;
1,
laplus grande
dimension
de la chambre dansl’angle
solidedfi ;
Fig. 2. -
Répartition des parcours et des portées de photoélectrons.
(les flèches en 2 a indiquent les parcours théoriques dans l’air des photoélectrons de différentes raies).
au
stéréocomparateur
introduisent des erreurssysté-matiques qui
tendent à diminuer la valeur de ceux-ci(voir plus loin);
nous nous contenterons de remarquerque la
position
du maximum sur lafigure
2 aindique
un parcours moyen de1,55 mm
en bon accord avec la valeurthéorique
dei,5j
mm.Pour établir la distribution des
portées
(fig. 2 b),
nous n’avons considéré que la contribution des parcours
compris
entre et 2 mm afin de ne pas faireintervenir
trop
dephotons
L ou dupolonium.
Les résultats sont
groupés
dans le TableauII,
colonne A. Ils seront discutés en même
temps
que les données relatives aux raies du Ra D.B. RENDEMENT ABSOLU EN PHOTONS K PAR
RAYONS a DE Po. - Nous
appelons
rendement absolu x enphotons
K par a de Po pour un élémentdéfini,
le nombre dephotons
excités par l’arrêt total d’uneparticule Y.
dans la matière considérée. Ce rendement est sensiblement le mêmequ’il s’agisse
du cuivre ou du nickel[5].
Si la source de Po émet N rayons x par seconde dansl’angle ;
7:", onproduira,
d’après
notredispositif expérimental,
photons K
du cuivre ou du nickel par seconde etdans
l’angle
solide dit. A l’entrée de lachambre,
on observera
photoélectron.s
par détente.Le calcul
approché
desintégrales
ci-dessus conduit à la relationnumérique
(avec T
== 0,02s)
.r IL
Sachant que l’on voit de 5 à 10
photoélectrons
pardétente,
ceci nous donne x ~ ~ . ~ o-~photons
par a. La valeur fournie par 1. Curie et F. Joliot[5]
était1,8.
10-3. On nepeut
doncparler
que d’unaccord en ordre de
grandeur
étant donnéel’approxi-mation faite dans le calcul des
intégrales précédentes
etl’imprécision
sur T(notons,
d’ailleurs,
que le:-employé
correspond
à untemps
d’efficacité pourrayons x; pour les
rayons [3
mous, ’7 est certainementplus
petit,
cequi rapproche
notre valeur de x de celle antérieurementtrouvée).
LES RAIES DU
Nous avons
repris
ensuite les mesures de parcoursTABLEAU IL
de Ra D effectuées à la chambre de Wilson par deux d’entre nous
[7].
Lerayonnement
électro-magnétique
du Ra D étant trèscomplexe
[8]
et les distributions des parcours des électronscorres-pondants
sechevauchant,
il n’est paspossible
d’utiliser toutes ces dernières pour étudier la
relation
portée-énergie. Cependant,
en serapportant
auxanalyses
de parcours données dans lespubli-cations
précédentes,
on remarquera que certainesraies suffisanuent
séparées
conviennent pour notre étude. Ce sont :les raies y nucléaires E
(23,2 keV),
D(32 keV),
A
(46, ~ keV) ;
les raies X de 8:~Bi
Lx
(i o,8 keV),
L3
(13,o keV).
On a relevé les
trajectoires
desphotoélectrous
correspondants
soit dansl’air,
soit dansl’argon.
Les résultats
globaux
sontgroupés
dans les colonnes Bà G du Tableau II où, pour
chaque
raie,
on donne : le nombre de rayonsutilisés,
les parcours moyensthéoriques
[2]
et observésII,
la moyennequadra-tique
de laportée
V p2,
laportée
moyenne P.~Quelque
soient les raies et les gazemployés,
les distances sont évaluées en millimètres d’airà
150-76o
mm.DISCUSSION DES
RÉSULTATS.
Expériences
dans l’air. - A l’aide du TableauII,
on a tracé les variations du parcours moyen II et de la
portée
quadratique
moyenne en fonctionde
l’énergie (fig.
3) (on
n’a pasindiqué
les valeurs deP trop
voisines desprécédentes).
Lespoints
expérimentaux
se situent à peuprès
depart
et d’autre des courbes. Il est assez difficile d’estimer les différentes causes d’erreurs sur les parcours etles
portées.
Onpeut
direqu’on
est enprésence :
10 d’erreurs sur les
trajectoires
individuelles duesau manque de netteté des
trajectoires
d’électrons dans les gaz à bassepression.
D’autrepart,
et ainsi que nous l’avonsdéjà
remarqué,
la substitution auvrai parcours d’une
ligne
brisée dans les relevés aupetite
de lalongueur
destrajectoires,
mais nejoue
pratiquement
pas sur lesportées.
Des estimationsfaites dans le cas des
expériences
avec les raies CuKindiquent
que l’erreur est de l’ordre de 10 à 20 pour 100 sur la mesure des parcours, d’environ1 5 pour
i oo sur les
portées;
Fig. 3. - Parcours et
portées des électrons en fonction de leur énergie.
Valeurs du rapport portée moyenne .
parcours moyen
2° d’erreurs
globales
causées par l’enchevêtrement des raies. Nous avons vu, eneffet,
que pour le cuivreaussi bien que pour le Ra
D,
il n’ajamais
étépossible
d’avoir unecomposante
définie d’unspectre
X ou y etqu’on
devaittoujours
tenircompte
plus
oumoins
de la contribution de raies voisines. Il est
alors
néces-saire d’isolerarbitrairement
uneportion
de larépar-tition des parcours et de ne considérer que les
portées
correspondantes.
Cette méthode a deux inconvénients comme nous l’avonsdéjà signalé
dans lesexpériences
avec le cuivre : d’unepart,
on neconsidère pas tous les
photoélectrons appartenant
àun même groupe
(CuK:x + NiKf3,
parexemple),
et,
d’autrepart,
on introduitmalgré
tout lacontri-bution
de raies voisines(NiKx).
Onpeut
avoir uneidée de l’ordre de
grandeur
de ces erreursglobales
encomparant
les valeursthéoriques
des parcours moyens aux valeurs déduites des distributions des parcours. Les écarts n’excèdentjamais
8 pour 100, ce que l’onpeut
considérer comme assez satisfaisant.Les résultats
peuvent
encore êtreprésentés
sous une autre forme : lesrapports
desportées
moyennes. 7 .. ~ .
aux parcours moyens
IJ
et-il
fluctuent(voir
TableauII)
autour de valeursqui
sontrespecti-vement
0,67
et o,63 avec des écarts relatifsn’excé-dant,
en aucun cas, 5 pour 100. Nous pouvons doncdire que, dans le domaine
d’énergie inférieur
à 5okV,
lerapport
de laportée
moyenne(*) au
parcours moyen est constant,Expériences
dansl’argon.
- Nous pouvonstirer
beaucoup
moins derenseignements
des mesureseffectuées dans
l’argon,
car nous nedisposons
que de peu de raies.Cependant,
les deux valeurs obtenuesnous
permettent
de penser que les relationsprécé-dement établies sont
probablement
valables dans le cas del’argon.
Nousprendrons
comme valeur desrapports
Ces valeurs sont
plus
petites
que les valeurscorres-ponda.ntes
trouvées dansl’air,
cequi
est normal enraison du
plus
grand
nombre
de chocs subis par les électrons dans les gaz de numéroatomique
élevé.Conclusion. - Les
relations que nous venons de donner :
portée
moyenne = const.-20132013201320132013-201320132013 = const.
parcours moyen
permettent
d’estimerrapidement
l’énergie
d’une raiemortocinétique
d’électrons par desim.ples
mesuresde
portée.
Ceprocédé
sera fort commode toutes les foisqu’on
cherchera à mettre en évidence une raie Xou y de faible
énergie (inférieure
à 5okV)
et peuintense,
comme c’est souvent le cas pour lescap-tures d’électrons K.
Toutefois,
laprécision
n’est pas tellequ’on puisse
distinguer
des raiesd’énergies .
voisines et d’intensitécomparable.
APPENDICE I.
Relation entre le parcours moyen et
l’énergie
d es électrons(entre
1 et 100keV).
- La formulenon relativiste de Bethe
[1]
donnant laperte
d’éner-gie
cinétique
des électrons par unité delongueur
est
où m, V, F, sont la masse au repos, la vitesse et la
charge
del’électron; Z, N, I,
le numéroatomique,
le nombre d’atomes par centimètre cube et le
poten-tiel moyen d’excitation de la matière traversée. B est une
quantité
sansdimensions,
proportionnelle
aupouvoir
d’arrêt de la matière etqu’on
peut
nommer le nombre d’ arrê t.
La validité de cette formule est limitée au domaine
d’énergie
compris
entre i et 5o keV. En pre-(*) Entendue soit comme portée moyenne proprement dite P, soit comme portée quadratique moyenne~P2.
274
TABLEAU IIL
Relation entre le parcours moyen (ramené à l’air 15-1-î60 mm)
et
l’énergie
des électrons ( à 100elcV).
nant I == 100
eV,
l’intégration
de(A)
nouspermet
d’obtenir la relation entre le parcours moyen et
l’énergie
des électrons[2]
qui
estreproduite
sur lafigure
4
(avec
les valeursexpérimentales
obtenuesau cours de ce
travail).
L’accord entre la courbethéorique
et lespoints
expérimentaux
est satis-faisant.Si nous
exprimons empiriquement
la relation entre le parcours des électrons et leur vitesse initiale par une formule dutype
il = où K = const,
on trouve que n varie entre 3 et
4
quand l’énergie
augmente
de i à 5okeV([3 = ~
variant de o,1à
o,4
et reste très voisin de4
(loi
deWhid-dington [9])
àpartir
de E =4o
keV(fig.
4
bis).
En admettant que n varie peu
entres
et ~
= a, 55
keV)
cequi
estvraisemblable,
nous pouvons obtenir facilement la relation entre le parcours et la vitesse àpartir
des données recueillies pour des électronsd’énergie comprise
entre
4o
et 5o keV :où [3
= ,
a v et c étantrespectivement
les vitesses de l’électron et de la lumière.Fig. l~. -
Relation entre le parcours moyen (~)
et l’énergie des électrons (E).
Il n’est donc pas nécessaire
d’intégrer
compliqué)
pour desénergies
comprises
entre 5o et 10o keV.Le résultat des calculs est donné dans la
figure
4
et le Tableau III.Malgré
l’insuffisance desstatis-tiques
dans lesexpériences
sur lesphotoélectrons K
duspectre
de créés par une source intensede Ra
D,
lespoints
trouvés(cercles
sur lafigure 3),
s’accordent assez bien avec la courbethéorique.
Ceci nous
permet
de dire que la relation entre le parcours etl’énergie
des électrons est valable pour ledomaine
énergétique
de i à i oo keV. APPENDICE II.Relation entre le parcours moyen et le parcours
projeté
moyen(sur
leplan
horizontal).
- Lorsqu’on
n’aplus pilaire
à un groupe denégatons
monocinétique,
on nepeut
pas utiliser les mesuresde
portées
pourdécomposer
unspectre
électro-nique
et déduirel’énergie
des différentescomposants.
Dans ce cas, il faut revenir à l’étude dit vrai parcoursdans
l’espace.
Mais commepratiquement
il estbeaucoup
plus
facile de mesurer les parcoursprojetés
sur un pian
(utilisation
d’unappareil
dephoto
à un seulobjectif),
nous avons recherché s’il existaitune relation
simple
entre la moyenne de ceux-ci et le parcours vrai. Les donnéesexpérimentales
fournies dans ce travail
permettent
de tracer la distribution des parcoursprojetés
et d’évaluer pour l’air lprapport
parcours
projeté
moyen~ "
parcours moyen
vrai
Les résultats sont
groupés
dan-s le Tableau IV. TABLEAU IV.Dans les limites d’erreurs
expérimentales,
onpeut
admettre que ce
rapport p reste
constanf el voisin de0, 8 2.
Il convient toutefois de noter que ce résultat
n’est pas
indépendant
des conditionsexpérimentales
utilisées. En
particulier,
la valeur durapport p
== 0,82 serapporte
à des mesures faites avec une chambredont la hauteur utile
(zone
éclairée)
est de l’ordre de 2 cm. D’autrepart les
parcoursréellement
observésdans
l’appareil
Wilson ont deslongueurs
comprises
entre I et 3 cm.Il
peut
êtreégalement
utile pourdécomposer
un
spectre
oupréciser
si un groupeélectronique
estmonocinétique
de connaîtreIa
variation de lalargeur
d’une raiesimple
d’électrons en fonction del’énergie
de ceux-ci. En faisant passer par les
points
connusexpérimentalement
la courbereprésentant
la varia-tionthéorique
de lalargeur
des raiesélectroniques
en fonction de
l’énergie [10]
on obtient le tableausuivant :
TABLEAU V.
Naturellement
si l’on mesure le parcours parprojection
horizontale,
lalargeur
relative d’une raiequelconque
croît. Il semble raisonnable d’évaluercette
augmentation
à 20 pour 100 de lalargeur
donnée dans le Tableau V.Nous tenons à remercier le Professeur F.
Joliot,
qui
nous aproposé
lesujet
de cetravail,
pour les moyensqu’il
a mis à notredisposition
dans sonlaboratoire,
ainsi que pour les conseils bienveillantsqu’il
n’a cessé de nous donner. Nous remercionségalement
M. G. Bouissièresqui
apréparé
la sourcede Po utilisée dans la
première partie
de cette étude.Enfin,
nous tenons à dire notregratitude
au Centre National de la RechercheScientifique
pour les allo-cationsqu’il
a fournies à deux d’entre nous.Manuscrit reçu le 16 juillet 1947.
BIBLIOGRAPHIE.
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Phys., 1933, XXIV, 1, p. 523.
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Appendice du présent article).
[3] F. JOLIOT, J. de Physique, 1934, 5, p. 216.
[4] W. BOTHE et H.
FRÄNZ,
Z. f. Physik, 1928, 52, p. 466.[5] I. CURIE et F. JOLIOT, J. de Physique, 1931, 2, p. 20.
[6] D. SKOBELTZYN, Z. f. Physik, 1930, 65, p. 773. [7] TSIEN SAN-TSIANG et C. MARTY, C. R. Acad. Sc., 1945,
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[8] TSIEN SAN-TSIANG, Phys. Rev., 1946, 69, p. 38.
[9] R. WHIDDINGTON, Proc. Roy. Soc., 1912, 86, p. 360.