CHAPITRE PREMIER

Le phénomène de l’'isomérie nucléaire.

4. La découverte du phénomène. — La découverte du premier cas d'isomérie connu remonte déjà à plus de vingt ans. C’est en effet en 1921 que les travaux du chimiste Hahn (1) mirent en évidence que le produit de la désintégration 8 de UX,; lui-même radioactif 6, n’était pas caractérisé comme dans tous les autres cas connus par une période de désintégration bien définie, mais se comportait comme un mélange de deux éléments ayant chacun sa propre période. On interpréta ce fait en déclarant que la désintégration 8 de UX; pouvait se faire de deux façons distinctes, conduisant à l’un ou l’autre de deux noyaux différents. On donna un nom à chacun de ces noyaux et on représenta les phénomènes par le schéma suivant :

a AUX:

hi) RES UXIÇ ns Su ete Nr

Ce schéma n'est d’ailleurs pas le seul possible et une variante en a été proposée par Feather (2). Mais c'est là pour nous une question secondaire. Ce que nous voulons retenir c’est que l’on s’est vu en présence de deux noyaux qui, étant tous deux produits par la désintégration 8 du même noyau, avaient nécessairement le même nombre de charge et le même nombre de masse, et qui cependant avaient des propriétés différentes, à tel point qu'on a dû leur donner un nom différent. Les caractères que nous venons d'indiquer constituent en somme la définition du phénomène de l’isomérie. Si nous voulons formuler d'une façon explicite cette définition nous dirons : /! y a isomérie nucléaire chaque fois que deux noyaux ayant le même

nombre de charge et le même nombre de masse (c'est-à-dire encore formés par le même nombre de neutrons et de protons) présentent des propriétés différentes. Par propriétés des noyaux nous entendons pratiquement : le rayonnement émis et la période.

Il ne semble pas que les physiciens se soient beaucoup intéressés à ce phénomène tant que l’on n’en connut pas d'autre exemple. Et pour cela il fallut attendre que la découverte de la radioactivité artificielle vint multiplier le nombre des éléments radioactifs connus.

Le premier cas d’isomérie découvert parmi les noyaux radioactifs artificiels se rapporte au brome, et plus précisément à son isotope de masse 80. On sait que dans son état naturel le brome est un mélange en proportions sensiblement égales de deux isotopes de masses 79 et 81. Or en 1937, Fermi et ses collaborateurs (3) d’une part, Kourtchakov et ses collaborateurs (52) d’autre part, constatèrent que sous l’action des neutrons lents le brome devenait radioactif et que le rayonnement émis décroissait comme si le produit obtenu comportait 3 radioéléments de périodes :

18 minutes ; 4,5 heures ; 34 heures.

Or il est bien connu que les neutrons lents ne peuvent donner lieu qu'à un seul type de réaction nucléaire à savoir la capture radiative au cours de laquelle le noyau irradié fixe un neutron, formant ainsi le noyau isotope dont le nombre de masse est d’une unité supérieure. Le nouveau noyau obtenu, souvent désigné sous le nom de noyau composé, se trouve formé dans un état d’excitation élevé. Il possède en effet un excès d’énergie égal à l’énergie de liaison d’un neutron soit environ 8 Mev. Il va donc tomber à l’état fondamental en libérant cet excès d'énergie sous forme d’un ou plusieurs photons. D'après ce processus nous devrions avec le brome obtenir seulement deux radioéléments, à savoir Br et #Br. Comme nous obtenons trois périodes nous nous voyons dans la nécessité de conclure à l’existence de deux périodes associées à l’un des deux noyaux, c'est-à-dire à un cas d’isomérie.

La même circonstance fut encore observée lorsque le brome fut soumis à des réactions provoquant l'expulsion d’un neutron. Les deux types de réactions qui conduisent à ce résultat sont :

1° l'effet photonucléaire, ou réaction (y, n), qui fut étudié par Bothe et Gentner (4), utilisant pourirradier le brome les rayons y de 17 Mev produits par la réaction des protons sur le lithium ;

2° la réaction n, 2n) qui fut étudiée par Soltan et Wertenstein (5).

Dans ces deux cas on doit s'attendre à n’observer que la formation des deux isotopes Br et ;Br. Or l'expérience montre encore que c’est avec trois périodes que le rayonnement décroit, à savoir :

: 6 minutes ; 18 minutes ; 4,5 heures.

La confrontation de ces résultats avec ceux de Fermi conduit à la conclusion que c’est l'isotope 80 qui possède deux périodes, lesquelles sont 18 minutes et 4,5 heures.

Ce résultat fut confirmé d’une manière toute différente par des expériences de Fleischmann (6). Ce dernier chercha à déterminer l'énergie de résonance des neutrons lents dont la capture donne lieu à la formation des radioéléments de périodes 18 minutes et 4,5 heures. Il utilisa pour cette détermination la méthode d'absorption dans le bore et trouva les énergies de résonance suivantes :

E, (18 min.) = 52 + 5 ev.

E, (4,5 h.) = 53 + 3 ev.

ce qui signifie que ce sont les mêmes neutrons, et par conséquent à moins d’une coïncidence fort peu probable, la même réaction de capture qui est à l’origine de la formation de ces deux radioéléments.

2. Identification de l’isomérie à la métastabilité d’un niveau. — Des expériences de Fleischmann il résulte que la différenciation entre les deux noyaux %Br se produit seulement après la formation du noyau composé. Comme nous l’avons déjà rappelé l'évolution de ce dernier consiste en l'émission par quanta successifs de l'énergie d’excitation qu'il possède, jusqu’à ce qu’il ait atteint son état fondamental. C’est du moins ce que l’on admet généralement dans les cas de capture ordinaire, Mais lorsqu'on est amené à observer, comme résultat de la même capture, deux produits différents on est naturellement conduit à envisager que l’évolution du noyau composé peut s'arrêter sur un des niveaux intermédiaires. Cette circonstance se produira s’il se trouve qu’une règle de sélection interdit la combinaison entre ce niveau et tous ceux qui se trouvent plus bas. Il n’est d’ailleurs pas nécessaire que cette interdiction soit totale, il suffit qu’elle assure au niveau en cause la vie moyenne que l’on observe expérimentalement.

Ainsi, les deux noyaux isomères doivent être considérés comme deux états quantiques différents du même noyau, L'un est l’état fondamental, et par là nous entendons l’état d'énergie minimum pour un nombre de masse et un nombre de charge donnés, que cet état soit stable ou radioactif, L'autre est un état excité, métastable du fait qu'il ne peut évoluer que lentement vers les états d'énergie inférieure pour des raisons qu'il appartient à la théorie d’éclaircir.

Ce point de vue a été formulé pour la première fois par von Weizsäcker (7), accompagné de considérations dont nous reparlerons plus loin. IT était évidemment très tentant de supposer en outre que le niveau métastable en cause était le premier niveau quantique au-dessus de l’état fondamental, ce qui.ne nécessite l'intervention que d’une

seule interdiction de combinaison. Cette proposition fut aussi formulée, mais il est clair maintenant que, au moins dans le cas de l’isomérie du brome, il n’en est pas ainsi. Différents travaux, et en particulier ceux rapportés ici, indiquent que c’est le deuxième niveau, et non le premier, qui est métastable. Une circonstance analogue semble se rencontrer dans d’autres cas, mais leur étude n’a pas encore été suffisamment poussée pour que l’on puisse être tout à fait affirmatif,

D'autre part, quelle que soit la raison théorique que l’on invoque pour expliquer l'interdiction de la combinaison des deux états isomères, on arrive toujours à la conclusion que cette interdiction est d’autant plus forte que la différence d'énergie qui sépare les deux niveaux est plus faible. On doit penser que l’isomérie se manifestera surtout pour des états métastables à faible énergie d’excitation. Il en est qualitativement bien ainsi. Les énergies d’excitation effectivement observées dans les cas d’isomérie s’échelonnent, en ordre de grandeur, entre 50 et 500 kev. On sait que par ailleurs des états excités de quelques Mev se rencontrent fréquemment comme niveaux non métastables.

Enfin, von Weizsäcker a proposé de rattacher l'interdiction de combinaison entre les deux niveaux au fait qu'il existe entre eux une différence de moment angulaire importante. C’est en effet là une règle d'interdiction d'un type très général qui joue un grand rôle dans les spectres atomiques et qui a déjà été utilisée dans le domaine

nucléaire pour l'interprétation du diagramme de Sargent relatif aux probabilités de transition 6. Nous reviendrons plus longuement sur cette question et sur les autres tentatives faites dans le même but au