Remarques sur la constitution des noyaux atomiques - I.

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Remarques sur la constitution des noyaux atomiques - I.

K. Guggenheimer

To cite this version:

REMARQUES

SUR LA CONSTITUTION DES

NOYAUX

ATOMIQUES.

I.

Par K. GUGGENHEIMER.

Sommaire. 2014 Limites de stabilité des diverses catégories d’atomes. Existence probable à l’intérieur des noyaux de couches indépendantes de neutrons et de protons.

Chaque

catégorie

d’atomes est _{caractérisée par} sa

charge

nucléaire Z et sa masse M. Selon toute

_probaT

bilité la

_synthèse

_progressive

des atomes de

_plus

en

plus

lourds se fait essentiellement par deux processus

distincts. Le

_premier

est la liaison successive des

neu-trons aux _{noyaux, le}

_second,

_quand

_{il y} a

_lieu,

la trans-formation d’un neutron en

_proton,

soit par émission

d’un

_électron,

soit par addition d’un

positron

(’).

Par

conséquent,

on

_peut

encore caractériser un _{atome par} le nombre P des

_protons

et le nombre AT des neutrons

contenus dans son _noyau

_(2).

Certains auteurs

_pensent

₍₃₎

_que

_chaque

_{groupe de} deux

_protons

s’unit

_toujours

_par une liaison

particu-lièrement forte avec un _{groupe de deux} neutrons, de

manière à former une

_particule

a. Ces

_{particules, qui}

jouent

un rôle essentiel dans les transformations

radio-actives,

apparaîtraient

ainsi comme des unités

consti-tuantes des éléments stables non radioactifs.

_Cependant,

d’après

une

_hypothèse

due à Bartlett

₍₁₎

et

_développée

par Elsasser

(5),

il serait

_possible

_{que les interactions}

entre neutrons et

_protons

soient de telle nature

_qu’au

lieu des

_particules

oc, ce soient les

_protons

_qu’il

faille

considérer comme constituants

_primordiaux

des noyaux et que leur liaison se fasse par couches

succes-sives. Il serait alors

_possible,

ou même

_nécessaire,

d’attribuer à

_{chaque proton}

des nombres

_quantiques

déterminés.

’

Dans ces conditions il semble

_{particulièrement}

inté-ressant _{de classer tous les noyaux} connus en fonction de leurs nombres iV de neutrons et de leurs nombres 13 de

_protons.

On obtient ainsi le schéma de la

_figure

1,

où les nombres N et l’ sont

_{portés respectivement}

en abscisses et en ordonnées. Les

_isotopes

se trouvent ainsi sur une même

_horizontale,

P =

_CI’,

les atomes contenant un même nombre de neutrons sur une même

verticale,

.N = Cte. Ce dernier mode de

_groupement

jouera

dans ce travail et dans ceux

_qui

suivront un rôle

important.

C’est

_{pourquoi je}

me suis

_permis

de proposer (1) La conservation du moment _{d’impulsion exige} l’existence du neutrino et sa participation à cette réaction (W. Pauli)

(2) BV. HEtSENBERc, Z.

_Physik,

1932, 77, p. 1; 1932, 78, p 156;

1933, 80, p. 587; E. _ibid., 1933, 82, p. 137.

(3) L. LANDE, _Phys. Rev. _{1933,43, p. 620} et _{624; GAMOW,} Consl1-tution of Atonzic Nucléi and

Radioaclivily,

Oxford, 1931.

(4) J.-Il. BART1.ETT, Nctture, 1932, 130, p. 130; Phys. 1931, 4’1, p. 310 ; 1932, 42, p. §15.

’

(5) W. ELSASSER, J.

_Phys.,

1933, 4, p. 549.

un nom nouveau : comme ces atomes de même nombre N sont en

_quelques

sorte

_isotopes

_par

_rapport

au nombre de

_neutrons,

nous les

_appellerons,

_pour

_abréger

le

langage,

des isotopes. Nous pourrons alors

désigner

chaque espèce

de noyau par un

_symbole

à deux indices

(/~,

iV).

La

figure

présente

encore

_quelques

_lacunes,

car les

_expériences

ont

_pOrté

_presque

_uniquement

sur les éléments

_qui

_{ont pu être}

_analysés

au

_{spectrographie}

de masses.

Dans la

_ligmre

₍₁₎

se trouvent

_quelques

droites

auxi-liaires : Elles relient les noyaux pour

lesquels

un nombre maximum de

_protons

est _{atteint pour la}

_première

fois

par les séries successives et ceux _pour

les-quels

le même

_phénomène

se

_produit

_pour

les neutrons et les séries successives

_{d’isotopes.}

Ces droites limitent donc le domaine à l’intérieur

_duquel

existent des noyaux stables en

_quantités

mesurables. C’est

_pourquoi

nous

_appellerons

ces

_lignes

les litnites extérieures de

stabilité.

Si _{l’on compare les} limites due stabilité

_respectives

des noyaux de nombre

protonique

P

_pairs

et

_impairs,

on trouve _{que le domaine de stabilité est}

_beaucoup

_plus

étroit pour ces

_derniers,

la distance entre leurs deux-limites ne

_dépassent

_{pas c~ l’ == 2}

_e)

ou AN - 2.

On constate en

_outre,

_que ces limites de stabilité ne s’inclinent vers

_{l’arrière,}

cc

_qui

_{signifie qu’à}

condition de comparer

toujours

entre eux _{des noyaux} de même

_parité,

les nombres maximuln et minimum de neutrons des noyaux ne diminuent

_{jamais quand}

P

augmente;

réciproquement,

les nombres minimum eL maximum de

_protons

ne diminuent

_{jamais quand}

N

augmente.

(Dans

le schéma de

Lande,

où les noyaux sont ordonnés suivant les nombres

_possibles

de

parti-cules oc et de neutrons en

_excédent,

ces

_règles

ne sont nullement

_valables).

Signalons

encore

_qu’il

_{y a des} endroits, surtout

_près

de

_(29,~J4)

_(47,60)

_(6~,88),

où les limites de

_stabilité,

d’abord très

_voisines,

_divergent

ensuite.

La

_figure

1 montre immédiatement les

_{régularités}

simples

qui

valent pour les noyaux

légers.

On

recon-nait les successions

_régulières

entre

_(B,3)

et

_(8,8)

entre

(8,8)

et

_{(16,~1 C~).}

Dans ces deux

_régions,

les limites de stabilité sont

_parallèles

entre elles et ont la direction ~le la

_diagonale

- Il =

const.)

Entre

(17,17)

et

(1) W. D. HAPKINS, _PAys. Rev., 1931, 38,

254

(62,92)

l’apparence

est

_{beaucoup plus complexe,}

avec

des séries

_d’isotopes

et d’isolones

_parallèles

entre

_elles,

et

_beaucoup

cl’isobares

(ceux-ci

sont situés sur une droite

_parallèle

à la

_{diagonale ~V-~-}

P ~

_{Cl@@). L’aspect}

devient ensuite

_{plus simple,}

avec _peu d’isobares.

Cependant,

on _{remarquera aussi dans le domaine}

compris

entre P ce 17 et P -- 62

_{plusieurs régions}

où les limites de stabilité sont

_{rectilignes, parexemple :}

(22,24)-(24,26)-(26,28)-(28,30)

parallèle

à

(22,28)-(24,30).

(30,36)-(32,38)-(34,40)

-;36,42)

et

(30,40)-(32,44)-(34,48) ;

’ ou encore

_{(42,50) - (44,52)}

_parallèle

à

(40,56)-(42,58)-(44,HO) ;

(fi8,70)-(50,7i)

(52,78)-(54,82)

est de nouveau moins

incliné et

_parallèle

à

_{(~0,6~)~~~, ï0).}

Fig 1.

Abscisses : nombre de _neutrons

_constituant

le noyau.

., , ,

. constituant le noyau. Ordonnées : nombre de

_protons

constitaant le noyau,

e _Noyaux obtenus au _{spectrographe} de masses.

o _Noyaux observés _{spectroscopiquement} et extrêmement rares. x _Noyaux naturellement radioactifs.

On n’a pas tenu compte ici des noyaux à radioactivité artificielle.

L’allure

_rectiligne

des limites de stabilité nous

montre, quand

elle se

_manifeste,

_que ces limites sont

déterminées non _{par le}

_rapport

_N/P

des nombres de neutrons et de

_protons,

_{mais par le}

_rapport

des nombres de neutrons et de

_protons

additionnels

_qui

peuvent

s’intégrer

aux _noyaux.

Dans les

_exemples

cités le

_{rapport ONI,I’varie}

entre

1 : 1 est 2 :

1,

mais il arrive des cas où il

_prend

des

va-leurs sensiblement

_plus

_grandes

ou

_plus

_petites.

Ces derniers cas

_présentent

un intérêt

_particulier

et nous y reviendrons.

L’inclinaison des limites de stabilité fournit une me-sure

_qualitative

el

_{peu[-être grossière,}

du

_rapport

des

énergies

de liaison d’un nouveau

_proton

et d’un nou-veau neutron.

_Quand

l’inclinaison est

_faible,

la liaison des neutrons est

_{favorisée, quand}

elle est

_plus

_forte,

le

_rapport

des

_énergies

varie en faveur de la liaison

des

_protons.

Etant donnée

_{l’importance}

du

_rapport

à1V/3P

on

_peut

définir de

_façon

_plus

étroite des limites intérieures de stabilité :

La limite

_{supérieure exprime}

le nombre minimum de neutrons

_qui

doivent être rés avant

_qu’un

nouveau

proton

puisse

s’attacher au _{noyau; la limite inférieure} est le nombre minimum de

_protons

_qui

doivent être liés avant que de nouveaux neutrons

_{puissent s’ajouter}

à l’édifice nucléaire.

Une seconde mesure

_grossière

du

_rapport

des

éner-gies

de liaison s’obtient en

_comparant

les différences entre les nombres maximum et minimum de neutrons

pouvant

être liés pour un ~’ donné. Nous

_appellerons

cette

_grandeur

la «

_{largeur isotopique}

». De

même,

il

nombres maximum et minimum de

_protons

compati-bles avec un certain nombre N de neutrons.

Sur les

_figures

de 2a et sont

_portées

en fonction

des nombre IV et P les

_{largeurs isotoniques}

et

isotopi-ques. Les

figures 2 6 et

3 à ;

qui représentent l’une,

l’in-clinaison

3Nmax

/3P

des limites intérieures en fonction

de

P,

l’autre

_AP.,,..IAN

en fonction de ,V montrent avec les

_premières

un

_{parallélisme}

_remarquable.

Fig. 2 a. - Largeur isotopique

Fig.

2 b. - Limite

inférieure 20132013±’

en fonction de P. Fig. 3 a. - Largeur isotonique

Fig. 3 6. - Limite

supérieur- à

_en fonction de A. à IV

Un trait

_{particulièrement caractéristique}

des limites de stabilités et de leurs distances c’est

_qu’elles

ne sont pas

généralement

constantes et

qu’elles

ne varient même pas de manière

monotone,

comme il faudrait

_s’y

attendre si les lois d’interaction étaient elles-mêmes

représentées uniquement

par des fonctions monotones.

L’expérience

montre un

_aspect

différent : des sections à allure

_monotone,

_interrompues

de

_temps

en

_temps

par des chutes

brusques.

Les discontinuités des

éner-gies

de liaison mettent

_{généralement}

en évidence des effets de

_quanta.

En

_particulier,

l’allure des courbes

suggère

l’idée que les

_grands

sauts des

_énergies

de liaison

correspondent

t à l’achèvement d’une couche close et

à la naissance d’une nouvelle

_enveloppe.

La courbe des

largeurs isotopiques (fig.

2a)

présente

par

exemple

plu-sieurs maxima très

_nets,

encore _{accentués par} une chute

brusque qui

les _{suit t immédiatement. Tandis que la}

liai-son d’un nouveau neutron est en

_général

de

_plus

en

_plus

favorisée _par

_rapport

à celle des

_protons,

au fur et à

mesure _{que la}

_charge

des noyaux

_augmente,

il se

pro-duit des renversement subits en faveur des

_{protons :}

ainsi

_{pour P =}

_{20, 36,}

54,

84.

Il est

_remarquable

_que ces renversements sont situés de

_préférence

au

_voisinage

des gaz nobles. Il semble par

conséquent qu’il

existe certaines

_analogies

entre les

enveloppes

successives de

_protons

et les couches

élec-troniques

extérieures au _{noyau. Mais}

_{l’interprétation}

des

_phénomènes

se

_complique

du fait que les variations

brusques

du

_rapport

des

_énergies

de liaison

_peuvent

signifier

aussi bien un

_changement

de

_l’énergie

de

liai-son _{des neutrons que des}

_protons

ou des deux simulta-nément. Seules une

_analyse

et une discussion

_précises

permettront

de

_distinguer

l’influence des neutrons de celle des

_protons

dans

_chaque

cas

_particulier.

plu-256

sieurs groupes nets. Les discontinuités les

pluc

accen-tuées se trouvent aux

_points

ii° =50 et 1V = 82. La

largeur

isotopique

y atteint ses valeurs

_{maxima (6}

et

_8).

(On

observe aussi une

_{largeur égale}

_{à 6 pour iV} =

70,

mais en ce

_point

les isotones extrèmes sont d’une rareté

exceptionnelle).

Aux nombres 50 et 82

_{correspondent}

aussi des maxima nets dans la courbe des

_largeurs

isoto-piques. Le sens

de cette coïncidence sera encore à discuter. Les isotones lV = 50 et N = 82 sont en outre les seuls où il existe deux noyaux distincts de

charge

im-paire.

Dans les deux cas, les limites de stabilité

supé-rieures et inférieures sont verticales au même

_endroit,

(cf.

fig.

1a et

_lb),

encadrant une série d’isotones : entre

{36,~0)et

(40,50)

d’une

_part,

entre

_(38,50)

et

_(£2;50)

de l’autre et de même entre

_(54,82)

et

_(58,-s2)

d’une

_part,

entre

_(5fi,8?)

et

_(o2,82)

de l’autre. Elles coïncident donc entre

_(38,50)

et

_(fi0,50)

et entre

_(56,82)

et

_(58,82).

Il faut insister sur ce

_fait,

_{que la limite inférieure de} stabilité

_peut

se

_{diriger parallèlement}

à une série d’iso-tones. Car _{il montre nettement que les neutrons} et les

protons

s’attachent aux _{noyaux -} du moins à ces

endroits - _comme constituants

primordiaux

et

indé-pendants

les uns des autres. Par

_exemple,

_{que le}

noyau contienne 36

protons,

ou

_{38, le}

nombre maximum de neutrons attachés est le même. Si les deux

_protons

ajoutés

les derniers se liaient avec deux neutrons de manière

_{particulièrement}

_{forte pour} former une

parti-cule a, ceci

signifierait

que 36

protons peuvent

attacher 50

_neutrons,

soit 14 en

_surplus,

_{tandis que pour 38} pro-tons _{il n’en reste que 12} en

_surplus

au maximum. Les

circonstances sont

_analogues

_{pour le 8~e neutron.} Si

les noyaux consistaient essentiellement en

_particules

x et

_neutrons,

on devrait

_prévoir

_{que la limite de} stabi-lité ne

_prend

lamais

une inclinaison

_plus

forte _que

celle de la

_diagonale,

car alors l’excédent maximum de neutrons libres diminuerait

_quand

le nombre de

parti-cules oc

_augmente.

Le _{fait que les limites de stabilité sont verticales} sur

une

_longueur

_{notable montre que, dans cette}

_région,

les nombres maximum et minimum de neutrons sont

indépendants

de P.

La coïncidence des limites inférieures et

_supérieures

parait s’expliquer

immédiatement en admettant

_qu’il

se

produit

pour une valeur déterminée du nombre ,V une

discontinuité de

_l’énergie

de liaison

_{des neutrons,}

abso-lument

_{indépendante}

de la valeur du nombre P.

C’est ce

_qu’on

_peut

_prévoir

_{si l’on suppose}

_qu’une

nouvelle couche de neulrons

_prend

naissance

indépen-demment de la

_charge

nucléaire.

Voici un nouvel

_argumenl

en faveur de no tre

hypo-thèse : dans les

_longues

séries

_{d’isotopes,}

leur abon-dance

_augmente

_d’abord,

_{passe par} un

_maximum,

_pour décroître ensuite. Au

_contraire,

les séries P = 38 et

P = 56 s’arrêtent

_brusquement

à

_l’isotope

le

_plus

abon-dant dont le nombre iV est

_justement

_{50 pour l’une et} 82 pour l’autre.

Signalons

que la différence entre ces deux

nom-bres,

trente-deux,

est

_égale

à la

_longueur

de la

période

à

_quatre

_quanta

_principaux

du

_système

pério-dique.

Dans un travail ultérieur nous discuterons de

_façon

plus précise

et à l’aide d’autres méthodes les relations entre les

_énergies

deliaison,

les limites et les divisions

possibles

en _{sous-groupes des couches successives de} neutrons et de

protons.

Ce travail a été effectué au Laboratoire de

_Physique

Expérimentale

du

_Collège

de France. Je

_prie

M.

Lange-vin de recevoir ici ma sincère

_gratitude

_{pour les} facili-tés

_qu’il

_{m’a accordées pour mener 1 bien} ces

recher-ches Il m’est tout

_{particulièrement agréable}

_de pou-voir

_exprimer

ma

_profonde

reconnaissance à M. Bauer pour ses conseils

_précieux,

sa

_grande

bonté et l’aide efficace

_qu’il

n’a cessé de me

_prodiguer

durant ce

_temps.