CHAPITRE III

L’isomérie du brome 80.

4. Les électrons de conversion. — Nous avons déjà donné au premier paragraphe du chapitre premier un certain nombre de renseignements sur le mode d'obtention des deux états isomères de ‘°Br. Nous ne reviendrons pas sur ce point. Nous y avons vu que le noyau de l’isotope 80 du brome peut exister sous deux formes de périodes 18 minutes et {,5 heures. Chemin faisant nous avons eu l’occasion de signaler que la période de 18 minutes était celle de l’état fondamental et la période de 4,5 heures, celle du niveau excité métastable. Nous avons également indiqué que la transition de l’un à l’autre s’effectuait avec une forte conversion interne. Il nous faut maintenant revenir sur ces différentes questions pour un examen plus détaillé.

Dès que fut certaine l'existence de ce cas d’isomérie, on s’efforça de déterminer le rayonnement associé à chacune des deux périodes et l’on constata très vite (43) (44) que toutes deux étaient associées à l'émission du même spectre Ê de limite supérieure 2 + 0,1 Mev. Nous savons maintenant (paragraphe 3, chapitre premier) que ceci résulte d’un équilibre de régime entre le produit de 4 h. 1/2 et le produit dérivé de période 18 minutes qui est en réalité le seul à émettre un spectre £.

Plus tard les mesures au spectrographe magnétique de Valley et Mac Creary (45) (46) ont montré qu’à la période 4,5 heures étaient associées trois raies électroniques d'énergies :

23,6 3010 47,2 kev.

La différence d'énergie entre les deux raies les plus énergiques étant de 11.7 kev, c’est-à-dire égale, à la précision de l'expérience près, à la différence entre les énergies limites d'absorption K et L du brome ('), Valley et Mac Creary en ont conclu que ces deux raies

() Celles-ci ont pour valeurs respectives : 13,45 et 1,55 kev.

étaient les raies de conversion K et L d’un même quantum qui se trouve être égal à 48,9 + 0,4 kev.

Quant à la troisième elle est interprétée comme étant soit la conversion K d’un quantum de 37 kev, soit la conversion L d’un quantum. de 25 kev. Dans le premier cas la raie de conversion L se confondrait avec la raie de conversion K du quantum de 48,9 kev. Dans le second cas la raie de conversion K aurait une énergie de 11,9 kev et dans celte région les plaques photographiques utilisées ne sont pas assez sensibles pour que la détection de cette raie, si elle existe, soit possible. |

Nous ferons remarquer qu’une autre possibilité compatible avec les résultats des mesures n’a pas été envisagée par Valley et Mac Creary. Elle consiste à attribuer les deux raies les moins énergiques à un quantum de 37 kev mais à considérer les raies de 47,2 kev comme la conversion K d’un quantum de 60,6 kev dont la conversion L serait négligeable. Nous verrons cependant que si les mesures au spectrographe magnétique ne permettent pas d'éliminer cette hypothèse, les mesures que nous avons faites montrent qu’elle doit être rejetée. Nous n’en tiendrons pas compte dans ce qui suit, nous bornant à indiquer au moment voulu les raisons de ce rejet.

Le fait que les électrons de conversion sont associés à la période 4,5 heures et non à la période 18 minutes nous indique que 4,5 heures est la période de la transition isomérique, tandis que 18 minutes est

.la période de désintégration 8 du niveau fondamental. Nous allons maintenant indiquer des expériences d’un autre type qui conduisent à la même conclusion.

2. Application de l'effet Szilard-Chalmers à la transition isomérique. — Nous avons déjà signalé l’importance du rôle que l'effet Szilard- Chalmers (47) joue dans l'étude de l’isomérie nucléaire, Nous allons maintenant sur le cas particulier du brome préciser en quoi il consiste. Nous commencerons par rappeler son mode d'application habituel, et pour fixer les idées nous raisonnerons encore sur le cas particulier du brome et nous décrirons la façon dont nous avons préparé les sources radioactives utilisées au cours de nos expériences. Nous nous proposons de préparer par action des neutrons lents sur le brome naturel les isotopes radioactifs 80 et 82 de cet élément. Pour cela nous partons du bromure d’éthylène C:H,Br; que nous plaçons dans un flacon entouré de paraffine au voisinage de la source de neutrons que constitue la cible de berylium frappée par les deutérons du cyclotron. Considérons dans la molécule du bromure d’éthylène un atome de brome dont le noyau vient de capturer un neutron. Le noyau composé se trouve dans un état fortement excité et libère rapidement son énergie d’excitation en un ou plusieurs photons, mais cette émission s'accompagne d’un recul du noyau émetteur et le

recul est assez énergique pour que l’atome de brome qui le subit soit arraché à la molécule à laquelle il appartenait. Il y aura donc au sein du bromure d’éthylène des atomes libres de brome plus ou moins ionisés et ces atomes seront justement ceux dont le noyau aura capturé un neutron c’est-à-dire seront devenus radioactifs. Il suffit d’un lavage à l’eau pour extraire du bromure d’éthylène les atomes libres de brome et l’on conçoit que l'eau de lavage ainsi obtenue présente une concentration d’activité (c'est-à-dire le rapport nombre d’atomes de Br radioactifs nombre total d’atomes de Br mure d’éthylène à la fin de son irradiation. On a, en fait, procédé à une véritable séparation des isotopes du brome, les isotopes non radioactifs restant avec le bromure d’éthylène, les isotopes radioactifs étant entraînés par les eaux de lavage. Il est bien évident qu'aucune méthode chimique ne permettrait d'obtenir semblable résultat.

Il est clair que chaque fois qu’un noyau subira une transformation accompagnée d’un recul suffisant pour l’extraire d’une molécule où il figurait, il y aura possibilité de séparation du produit transformé et du produit non transformé. On peut se demander si en particulier le produit d’une transition isomérique ne peut être de cette manière séparé de sa substance-mère.

Calculons donc les valeurs des énergies de recul. On trouve facilement que si un noyau émet un photon d'énergie W (exprimé en unités mc?) l'énergie de recul du noyau est égale, avec les mêmes unités, à :

) beaucoup plus grande que le bro-

ER 2 p= 3 650 A W?, A étant le nombre de masse du noyau. Si nous appliquons cette formule à l'émission d’un photon de 4g kev (— 0,096 moc?) pour le brome (A — 80), nous trouvons :

E= 3,16.10- mc? — 0,016 ev.

Cette énergie est très faible et ne saurait amener la rupture d’une liaison moléculaire.

Supposons alors que ce soit un électron de conversion qui soit expulsé avec l'énergie cinétique W. L'énergie de recul du noyau est alors donnée par :

Ve I

Be pnNEEe) et l’on voit que lorsque W est petit devant l’unité le recul du noyau peut être plus important lors de l'émission d’un électron de conversion que lors de l'émission d’un photon. Appliquons cette formule à

CONTRIBUTION A L'ÉTUDE DE L'ISOMÉRIE NUCLÉAIRE 39 la raie de conversion K du photon de 49 kev du brome (W — 35,5 kev — 0,0695 mc?) ; on trouve :

Pi, T0 10% MC — 0,244 0.

Cette énergie n'est qu’une quinzaine de fois plus grande que la précédente. Elle est encore bien faible pour permettre de rompre une liaison moléculaire. Cependant l'expérience montre que la séparation des deux isomères est possible. Avant d'examiner comment ce résultat a été obtenu, signalons l'explication suggérée par Daudel (48) et qui permet de comprendre que malgré une aussi faible énergie le rendement des séparations par effet Szilard-Chalmers soit bon : la conversion interne ayant créé une case vide dans la couche K ou L, ce vide va se combler par chute d’un électron plus extérieur, lequel sera à son tour remplacé par un électron encore plus extérieur et de proche en proche on arrivera à créer un vide dans la couche des électrons de valence. C’est cette disparition d’un électron de valence qui amènerait la rupture de la liaison.

Quoi qu’il en soit, il n’est pas douteux que cette rupture existe. L'expérience a été faite pour la première fois par Segré, Halford et Seaborg (49). Ces auteurs firent la synthèse du bromure de butyle tertiaire en utilisant du brome radioactif obtenu par irradiation de bromure d’éthylène par neutrons lents. Ils constatèrent que les produits qui se séparaient s'étaient enrichis en brome de période 18 minutes. De Vault et Libby (50) firent des expériences particulièrement claires en utilisant en solution ammoniacale les ions BrO*-— comportant du brome radioactif. Les atomes qui se séparent par recul sont à l’état d'ions Br- et il est facile de les précipiter sous forme AgBr. Dans ces conditions on observe que, si l’on fait la précipitation à une époque où l’activité de 18 minutes présente en fin d'irradiation a complètement disparu de la solution et où il ne reste qu'une décroissance de période 4,5 heures : 1° l’activité du précipité décroît avec la

ériode 18 minutes et 2° l’activité du bromate resté en solution a considérablement diminué lors de la précipitation et augmente ensuite avec la période 18 minutes. Ces expériences mettent clairement en évidence le fait que le rayonnement appartient au noyau de période 18 minutes et que celui-ci est bien le dérivé du noyau de période 4,5 heures.

3. Etude des rayons X et y. — Lorsqu'il y a conversion interne dans la couche K, la case vide qui se trouve créée se remplit par chute d’un électron d’une couche moins liée, et cette chute s'accompagne de l'émission de la raie K correspondante. De même toute conversion dans la couche L s'accompagne de l'émission d’une raie L. On doit donc observer en même temps que les électrons de conversion l’émission de raies X de l'élément qui subit la transition isomérique.

Lo ANDRÉ BERTHELOT

L'émission des raies K du brome a été effectivement observée par Roussinow et Yusephowitch (12). Ces auteurs ont pu les identifier avec certitude comme appartenant au brome en employant la méthode des absorbants sélectifs. Nous avons déjà dit (chap. Ier, $ 1er) l'importance de cette identification et la nécessité de les distinguer des raies du sélénium et du krypton.

Les raies K du brome (Ka, — 1 041,6 UX, Ka> — 1037,6 UX) se trouvent placées entre les discontinuités d'absorption K de l’arsenic et du sélénium ce qui conduit à des coefficients d'absorption très différents dans ces deux substances de numéros atomiques cependant voisins. Théoriquement on doit avoir (Eh. —.199/6t (Eh. —00 1e xpérience donne bien des résultats de cet ordre. S'il s'était agi de raies du sélénium elles ne se seraient pas trouvées entre les limites

d'absorption et les “auraient été très voisins. Restait la possibilité

des raies du krypton qui se trouvent comprises entre les mêmes limites. Elle fut éliminée en étudiant l'absorption du rayonnement dans le mercure et le plomb. En effet les raies K du krypton sont comprises entre les discontinuités d'absorption L de ces deux éléments tandis que les raies K du brome sont extérieures à cet intervalle.

L'identification aux raies K du brome des rayons X émis constitue une nouvelle preuve de la transition isomérique.

Grindberg et Roussinow (53) ont d’autre part cherché quels étaient les photons émis au cours de la transition isomérique. On peut s’attendre d’après les résultats relatifs aux électrons de conversion à ce que soient émis des photons de 48,9 kev et de 37 ou 25 kev. D’après le coefficient d'absorption dans l'aluminium des photons émis leur énergie a été estimée voisine de 37 kev. D'une façon plus précise la méthode des absorbants sélectifs a permis de dire que cette énergie était comprise entre 35,9 et 37,4 kev. Il n’a été observé aucun photon de 25 kev ni de 49 kev. Il semble donc que de ces mesures on puisse déduire :

19 Le quantum de 48,9 kev est complètement converti ; u

20 La raie électronique de 23,6 kev est la raie de conversion K d’un

photon de 37 kev et non la raie de conversion L d’un photon de 25 kev.

&. Le schéma de la transition isomérique. — L'ensemble des résultats précédemment rapportés permet donc de conclure que le niveau métastable du brome est celui qui a la période 4,5 heures, que la transition au niveau fondamental est accompagnée de l'émission de quanta complètement convertis du 49 kev et de quanta partiellement convertis de 37 kev. Finalement dans l’état fondamental le brome 80 est radioactif B et se transforme en krypton 80.

Il reste maintenant à interpréter l'existence de deux quanta différents. Deux hypothèses se présentent :

1° Le niveau métastable est situé à 49 kev du niveau fondamental et il existe un niveau intermédiaire situé à 37 kev de l’un des deux niveaux extrêmes. La transition peut se faire soit directement (émission d’un quantum de 49 kev) soit en passant par le niveau intermédiaire (émission de deux quanta de 37 et 12 kev).

20 Le niveau métastable est situé à 86 kev du niveau fondamental et la transition se produit en passant par un niveau intermédiaire situé à 49 kev de l’un des niveaux extrêmes et à 37 kev de l’autre.

Dans le premier cas la transition serait accompagnée soit du quantum de 49 kev soit du quantum de 37 kev ; dans le second cas elle serait accompagnée de l’un et de l’autre.

La première hypothèse est soutenue par Valley et Mac Creary (46) qui opposent à la seconde l'argument suivant : on n'observe pas de transition directe entre le niveau de 86 kev et le niveau fondamental.

La seconde hypothèse est par contre soutenue par Grindberg et Roussinow (47), mais ces auteurs n’indiquent pas la raison qui leur fait passer la première sous silence. Nous verrons plus loin que nos expériences permettent de conclure en faveur de cette seconde hypothèse.

5. Les coefficients de conversion. — Nous avons dit que absence de rayons y de 49 kev avait amené à penser que ce quantum était complètement converti tandis que le quantum de 37 kev ne le serait que partiellement. Nous allons maintenant examiner les mesures qui ont été faites jusqu’à présent pour préciser quantitativement la conversion de ces quanta.

1° Détermination de De Vault et Libby (54).

De Vault et Libby ont cherché à déterminer la valeur du coefficient de conversion d’après le rendement de l’effet Szilard-Chalmers appliqué à la séparation des deux isomères. Ils ont trouvé en variant les conditions expérimentales que 85 0/0 de l’activité de 18 minutes étaient séparables du produit en équilibre de régime, d’où ils ont conclu que 85 o/o des transitions se faisaient avec émission d’un électron de conversion.

De plus ils ont cherché à compter les photons de 37 kev. Ils sont arrivés à la conclusion que 37 0/0 des transitions se faisaient avec émission d’un tel photon. Ils précisent d’ailleurs qu'il ne s’agit là que d’un ordre de grandeur.

20 Détermination de Grindberg et Roussinow (53).

Ayant mis en évidence l'existence des y de 37 kev, ces auteurs ont également cherché à en déterminer le nombre. Pour cela ils ont commencé par mesurer le rapport R entre le nombre de quanta X de 13,5 kev et le nombre de y de 37 kev. Or il y a un quantum X émis

par conversion dans la couche K, de sorte que si on admet une conversion totale du quantum de 49 kev et un coefficient de conversion « pour le quantum de 37 kev, il ya 1 + « quanta X émis par transition. Ceci suppose que l'on admet la deuxième hypothèse du paragraphe 5, et en outre que toute la conversion du quantum de 49 kev se passe dans la couche K ce qui n’est certainement pas exact puisqu'on observe la raie de conversion L au spectrographe magnétique. Il faut encore tenir compte de ée qu’une certaine proportion des quanta X sont annihilés par effet Auger. Si f désigne la proportion de ceux qui sortent effectivement et si p et p’ désignent le rendement du compteur pour les photons de 13,5 et 37 kev on doit avoir :

= pfli + à) Sa De la mesure de R on peut donc déduire « si l’on connaît f qui est donné dans les traités relatifs aux rayons X, p et po’ qui sont des quantités assez difficiles à déterminer. De leurs mesures Grindberg et Roussinow ont déduit « — 0,5. Comme ils n’ont pas publié le détail de leurs expériences et en particulier la détermination de Lil est

assez difficile de se rendre compte de la précision que comporte ce résultat.

3° Les mesures de Siday (55).

Siday a effectué des expériences à la chambre de Wilson dans le but de mesurer le coefficient de conversion du quantum de 49 kev. Il a déterminé les énergies des électrons d’après leur parcours dans la chambre et a montré qu’on avait trois raies qui correspondaient à celles mesurées de façon plus précise par Valley et Mac Creary. Supposant que le quantum de 49 kev est émis à chaque transition il a calculé pour une série donnée de clichés :

1) le nombre d'électrons de conversion ;

2) le nombre de noyaux dans l'état fondamental qui se désintègrent ;

3) le nombre de noyaux dans l’état métastable qui subissent la transition isomérique ;

Le rapport du nombre 1) au nombre 3) donne le coefficient de conversion interne.

Malheureusement le calcul de ces différents nombres est assez difficile d’après les données de la chambre de Wilson. En effet pour qu'une trajectoire puisse être mesurée convenablement il faut qu’elle soit entièrement comprise dans la zone éclairée de la chambre, C’est donc, pour une source donnée seulement une certaine fraction des rayons émis dans l'angle solide 4x qui seront utilisables. De plus cette fraction est une fonction du parcours, donc de l'énergie des rayons. C'est dans l'évaluation de cette fraction que réside, pensonsnous, la plus grande imprécision de l'expérience.

La source utilisée était déposée sur une feuille de cellophane argentée placée au centre de la chambre, la probabilité que possède un rayon d’être mesurable est déterminée par la hauteur du faisceau lumineux utilisé. Il faudrait en toute rigueur calculer la probabilité pour que ce rayon ne sorte à aucun moment de la zone éclairée. Or ce calcul est pratiquement inextricable en raison des déviations nombreuses subies par les électrons de faible énergie tout au long de leur parcours. Siday a pris pour solution approchée celle qui consiste à ne considérer que les deux points extrêmes de la trajectoire, c’est-à-dire qu'il a utilisé la probabilité qu’on aurait si les électrons se propageaient en ligne droite. Or il nous semble que cette façon d’opérer introduit une erreur considérable car il est bien certain qu'il ne suffit pas que les points extrêmes soient situés dans la zone éclairée pour que la trajectoire entière y soit.

Une seconde cause d’erreur réside dans la façon dont a été effectuée la correction due à la présence de *?Br (34 heures) toujours mêlé aux deux isomères de ‘Br. En effet Siday a fait appel aux résultats d’un autre auteur donnant le rapport entre le nombre des 8 de ‘?Bret de #0Br. Or un tel résultat n’est valable que pour des conditions d’irradiation bien définies. En particulier la façon dont les neutrons sont ralentis peut amener des différences considérables dans la proportion du rayonnement des deux périodes. Il est indispensable que la proportion des rayons £ de 34 heures soit déterminée sur la source même qui sert à la détermination du coefficient de conversion. Enfin, comme nous le verrons plus tard, ?Br présente aussi des raies de conversion gui dans les mesures de Siday devaient se superposer aux raies de $0Br. Il n’en a pas été tenu compte.

En conclusion la valeur donnée du coefficient de conversion du quantum de 49 kev est pour la couche K égale à 0,43 et pour la couche L environ un dixième de la valeur précédente. Mais il nous semble pour les raisons que nous avons indiquées que la précision de ces valeurs doit être assez faible. Nous verrons d’ailleurs ultérieurement que nos résultats sont en désaccord avec ceux de Siday.