chapitre IL

3. Les différents types d’isomérie possibles. La conversion interne. — Considérons un noyau À qui dans son état fondamental A, est radioactif 6 et se transforme en un noyau B dans un état B, qui n’est

pas nécessairement l’état fondamental.

Supposons que À présente un niveau 4 $. s métastable A, et demandons-nous quelle Le Dre peut être l’évolution de celui-ci. À, ——i—— y . , 1

En premier lieu, nous devons remar- RE LR quer que nous avons peu de chances Fe :

, CR Net es net d'observer une transition de A, au Po niveau B, avec émission 6 car le chan- Li

Fig. 1

gement de spin À; A, étant supposé élevé et la transition & A, — B, s’effectuant avec un changement de spin aussi faible que possible, on aura encore une différence élevée entre À, et B; et par suite peu de chances

de combinaison £.

Une première possibilité offerte à A, est alors d'évoluer par émis-

sion 8 vers un niveau de B pour lequel le changement de spin soit moindre. Ce niveau peut être supérieur ou inférieur à B, (fig. 1). Il est clair qu'à moins d’une coïncidence exceptionnelle les deux spectres 8 de A, et de A, auront des énergies maxima différentes. Leur différence sera y; ++ ou | y, —+ | suivant le cas, et l'émission Ê sera suivie de l'émission de quanta différents pour assurer le retour à l’état fondamental. :

S'il se trouvait que B, ou B; soit un niveau métastable, on réaliserait deux séries parallèles de filiation $. Un tel cas n'a jamais été observé jusqu'ici.

Le type de transformation que nous avons envisagé se trouve réalisé par exemple dans le cas de Hô ainsi qu'il résulte des travaux de Lawson et Cork (8) et de Curtüs et Richardson (9). La figure 2 donne le schéma de la transition dans ce cas, d’après ces auteurs.

Une deuxième possibilité offerte au niveau À, est d'évoluer vers l’état fondamental avec libération de l’énergie d’excitation. C’est le cas le plus fréquemment réalisé. Citons comme exemple celui de ‘ln dont la figure 3 donne le schéma de transition. Dès maintenant il importe de faire une remarque importante sur la façon dont est libérée l’énergie au cours de la transition faisant passer du niveau métastable au niveau fondamental, et que nous désignerons ee __Jruen plus brièvement à partir de maintenant NAO sous le nom de fransition isomérique.

En principe lors d’une transition entre deux niveaux d’un système quantifié l'énergie est libérée sous forme d’un photon dont la fréquence est donnée par la relation bien connue

=. Mais dans le cas particulier où le système est un noyau atomi-

que les choses se compliquent. L'expérience montre que souvent on observe, au lieu du photon d'énergie E, un électron arraché à l’une des couches périphériques et possédant une énergie cinétique égale à E—EK,, E, désignant l'énergie de liaison de l’électron avant son extraction. On a considéré pendant longtemps que ceci était dû à un effet photoélectrique occasionné par le photon dans les couches électroniques du propre noyau qui l’a engendré. De là le nom de conversion interne donné à ce phénomène, et celui de coefficient de conversion interne donné à la quantité :

es Ne+N,

CONTRIBUTION A L'ÉTUDE DE L’ISOMÉRIE NUCLÉAIRE 9

représentant la fraction du nombre des photons émis qui subit la conversion interne. Dans l'expression précédente, N, et N, sont respec-

tivement le nombre d’électrons de conversion et le nombre de photons qu’un expérimentateur peut observer, N, + N, représente selon le

point de vue de l’effet photoélectrique interne le nombre total de photons initialement émis, ou encore le nombre total de transitions.

En réalité on sait maintenant à la suite des travaux de divers théoriciens (10) que cette façon de voir n’est pas exacte, l’effet photoélectrique interne étant dans la plupart des cas complètement masqué par un effet plus important qui est le suivant. Le noyau est, par le champ coulombien, en interaction constante avec les électrons qui l’entourent. De là résulte la possibilité d'une cession directe de l'énergie d’excitation du noyau à l’un d’eux sans que soit nécessaire la création intermédiaire d’un photon. Du point de vue de l’énergie emportée par l’électron, il n’y a aucune différence entre les deux processus envisagés. Mais la différence s’introduit quand on envisage les probabilités de transition. En effet dans le premier cas on n’a qu'un seul mode de transition : l'émission d’un photon, et la probabilité de cette émission représente à elle seule la probabilité totale de transition. Dans le second cas, par contre, on a deux possibilités indépendantes pour l’évolution du noyau excité : l'émission d’un photon et l'émission d’un électron de conversion ; par conséquent la probabilité de transition est maintenant représentée par la somme de ces deux probabilités partielles.

On définit alors le rapport d'embranchement :

cette grandeur étant liée au coefficient de conversion par : I I A Te

Ayant ainsi défini le phénomène de conversion interne, nous donnerons maintenant l'important résultat expérimental suivant : les iransilions isomériques sont presque loujours accompagnées d'une très forte conversion interne. Nous verrons au chapitre II dans quelle mesure la théorie permet de rendre compte de ce résultat.

Il arrive fréquemment que la période du niveau métastable (transition isomérique) soit plus grande que celle du niveau fondamental (émission 8). Dans ce cas on aboutit au bout d’un certain temps à un équilibre de régime entre les deux états isomères. C’est le cas par exemple pour le brome 8o dont le niveau métastable présente la période 4,5 heures et dont le niveau fondamental n’a que 18 minutes

de période. Nous pouvons représenter cette circonstance par le schéma :

PB Re S0Br — Cr

en indiquant par des parenthèses qu'il y a conversion interne du quantum émis. s

Si l’on irradie du brome avec des neutrons lents on forme des noyaux de ‘Br dans l’état fondamental (émission $ de période 18 minutes) et dans l’état métastable (transition isomérique de période 4,5 heures). La transformation de ces derniers donne à son tour lieu à la production de noyaux à l'état fondamental, de sorte que

l’ensemble des phénomènes peut se représenter par :

80 80 INSEE Br vend Kr ben Er

Le produit de période 18 minutes se forme donc, d’une part, pen” dant l'irradiation, par capture de neutron et, d’autre part, après l'irradiation, comme produit de la transition isomérique.

Si l’on étudie le rayonnement du produit de l'irradiation avec un compteur ordinaire à paroi mince qui laisse passer les rayons Ê mais arrête les raies de conversion trop peu énergiques, on constate que ce rayonnement se présente comme la superposition d’un rayonnement de période 18 minutes et d'un rayonnement de période 4,5 heures. Or à cette dernière période sont associées seulement les raies de conversion auxquelles le dispositif expérimental n’est pas sensible. Si nous en observons quand même la présence c’est que, lorsque les noyaux de période 18 minutes initialement présents ont disparu, nous avons atteint l'équilibre de régime entre les deux noyaux ‘°Br° et “Br et que, comme il est bien connu, le rayonnement émis par le noyau de période 18 minutes décroit alors en réalité avec la période 4,5 heures. On doit alors observer que le même rayonnement est associé aux deux périodes, par exemple en lui trouvant la même limite supérieure ou la même forme de courbe d'absorption. C'est bien en effet le résultat que donne l'expérience.

Pour en terminer avec les différents types d’isomérie, signalons enfin qu'il peut se faire que le noyau dans l’état fondamental soit stable. La transition isomérique présente alors les mêmes caractères que lorsque le niveau fondamental est radioactif. Ce cas se présente, par exemple, pour les isotopes 113 et 115 de l'indium.

4. Les méthodes expérimentales. — Naturellement toutes les méthodes expérimentales de la physique nucléaire trouvent leur emploi

CONTRIBUTION A L'ÉTUDE DE L'ISOMÉRIE NUCLÉAIRE II

dans l'étude de l’isomérie. Mais il est intéressant de signaler quelques aspects particuliers qui leur ont été donnés par divers expérimentateurs en raison des caractères propres aux problèmes examinés.

19 Lorsqu'on veut étudier à l’aide de compteurs de Geiger les électrons de conversion émis au cours des transitions isomériques on est gêné par le fait qu’étant de faible énergie ils sont très absorbables. De là résulte la nécessité d'employer des compteurs à paroi très mince, Nous signalerons dans cet ordre d'idées la réalisation par Pontecorvo d’un compteur dont la paroi est formée par une feuille d'aluminium de 5 & roulée, rempli d’air à la pression atmosphérique et fonctionnant sous 5 000 volts, et utilisé dans ses expériences avec M. Dodé (15).

2° L'étude des raies X émises au cours de la transformation peut apporter une preuve de la transition isomérique. Le problème a été étudié dans le cas du brome 80 par Roussinow et Yusephowitch (12) lorsqu'il s'agissait d'établir quelle était l’évolution du niveau de période 4,5 heures. On pouvait imaginer en plus de la transition isomérique les deux éventualités suivantes :

80p * K CaPt: 80

Br D Ed S0Kr 36 "

Les raies émises auraient été respectivement celles du sélénium ou celles du krypton. Or l’expérience, sur laquelle nous reviendrons plus en détail au chapitre III, montre que les raies émises sont celles du brome ce qui ne peut s’interpréter qu’en admettant l’évolution :

= (NX) NBr° + Br.

3° Le procédé Szilard-Chalmers a trouvé dans l'étude de l’isomérie un domaine d'application particulièrement intéressant. C'est, semblet-il, dans le cas du brome que l'application en fut faite pour la première fois par Segré, Halford et Seaborg (13). Nous nous bornons pour l'instant à signaler l'importance de ce procédé, nous y reviendrons plus longuement par la suite.

5. Méthode d’obtention des paires d’isomères. — On peut distinguer trois façons d'obtenir des états métastables.

19 La plus fréquente est l’obtention à la suite d’une réaction nucléaire. Nous avons déjà vu au début de cet exposé comment dans le cas du brome on obtenait les deux états isomères suivant le schéma :

xBr" Le Q

ne iDr > Dr" + SEBr + @

Toutes les réactions nucléaires comportant comme stade intermédiaire la formation d’un noyau composé dans un état fortement excité sont susceptibles d’être utilisées dans ce but.

> Comme produit de désintégration £. C’est le cas de la paire UX>-UZ dont nous avons parlé au Paragraphe rer, D'une façon générale c’est ce mode de formation qui a conduit à la découverte des isomères des noyaux stables. Nous citerons par exemple le cas de %Kr° obtenu comme produit de désintégration B de ;Br.

Br re SKr' nee a Rr stable.

3° Par excitation du noyau :

a) Par neutrons rapides :

Dodé et Pontecorvo (11) ont réalisé l’excitation nucléaire du cadmium à l’aide des neutrons rapides de Rn + Be. Le phénomène consiste en une diffusion inélastique au cours de laquelle le neutron initialement capturé par le noyau est ensuite relâché avec une énergie diminuée. Le reliquat est conservé sous forme d’énergie d’excitation par le noyau.

b) Par rayons X ou y (fluorescence nucléaire) :

Pontecorvo et Lazard (14) ont réussi en bombardant de l’indium avec un spectre continu X d'énergie maximum 1,5 à 2 Mev obtenu à l’aide d’un générateur d’impulsion à exciter un état métastable de période 4 heures environ. On a pu retrouver ce même état ultérieurement par réactions corpusculaires et montrer avec certitude qu’il

s'agissait d’un état isomère du noyau stable {I

8. Tableau des cas d’isomérie actuellement connus. — Le tableau ci-dessous donne d’après la table de physique nucléaire de Mattauch et Flügge (15), complétée par quelques renseignements extraits d’un article de Helmolz (16), les cas d’isomérie connus. Dans les cas où l'identification a été faite le niveau métastable est désigné par un astérisque.

tion

La lettre D, dans la 4° colonne, indique qu’un doute subsiste encore sur la réalité du cas d’isomérie.

Élément

Energie

Acti- | période | d'eXCita- || Élément

vilé tion (Kev.)

Période

20 mois

Energie d’excitation (Kev.)

Energie Énergie d’excita- Demon t cti- d'excita-

Élément à tion

196 ou 197

Au lou st.