CHAPITRE II

Les théories et les modèles.

4. Les lois empiriques de Mattauch. — Avant d'aborder l’examen des raisons théoriques que l’on peut invoquer pour rendre compte des états métastables nous commencerons par examiner deux lois empiriques qui ont été formulées par Mattauch (17).

ire Lor : /l n'existe aucun cas d’'isomérie parmi les noyaux pair-pair.

Mattauch, examinant les cas d’isomérie connus en relation avec le caractère pair ou impair du nombre de protons et de neutrons constituant le noyau, a dressé le tableau suivant (!) :

Nombre Isomères de noyaux connus sûrs douteux DANS 163 o 2 (1,2 o/o) Noyaux | . an 108 6 (5,6 oJo) 1 (0,9 oo) stables NE Ve L : à Noyaux Dee 19 0 0 radioactifs | DSTI 151 12 (8 0/0) 5 (3 0/0) ANTCIClS ENTER RCE 100 8 (80/0) 4 (4 0/0) Noyaux D=DP ME 20 0) 0 radioactifs pa PEUT 15 0 () naturels ILE Re 9 1 (11 0/0) Co)

d’où résulte la loi énoncée plus haut, si l’on ne tient pas compte des deux cas d’isomérie douteux : ‘Ba et *’Pb dont on ne peut actuellement affirmer l’existence avec certitude.

Il est bon pour comprendre cette règle d’ouvrir ici une parenthèse pour rappeler comment cette question de la parité du nombre des particules intervient déjà pour expliquer la fréquence des isotopes stables.

Parmi les éléments stables 1l n’en existe que quatre qui soient du type 1-2 et encore sont-ils au début du tableau périodique. Ce sont :

HT OL PSI INt

Par ailleurs les éléments pour lesquels un des nombres de particules est impair est le même, qu’il s'agisse de protons ou de neutrons, et le nombre de noyaux du type pair-pair est un peu plus élevé que l'ensemble des deux. On a été conduit (18) à interpréter ce fait à la lumière du principe de Pauli qui autorise deux particules élémentaires identiques à se trouver dans le même état quantique à condition que les deux spins soient antiparallèles. Ces particules sont de la sorte en mesure d’interagir beaucoup plus énergiquement que si elles se trouvaient dans des états quantiques différents et réalisent un état plus condensé donc énergétiquement plus stable. Prenons un

(:) Nous avons, en fait, modifié quelques nombres de la publication originale pour tenir compte de résultats plus récents, ces modifications étant d’ailleurs sans aucune importance pratique.

CONTRIBUTION A L'ÉTUDE DE L’ISOMÉRIE NUCLÉAIRE 17

exemple pour fixer les idées. Partons d’un noyau pair-pair, par exemple, 2Ti (22 p et 26 n) et essayons de former à partir de là un noyau impair-impair en ajoutant un proton et un neutron. Ajoutons d’abord une seule penche suivant qu'il s’agit d’un proton ou d’un neutron nous formerons #V ou #11 mais de ces deux isobares l’un est sûrement instable et se transforme en l’autre. L'expérience montre qu'ici c'est Ti qui est stable et par suite c’est le neutron que nous devons ajouter le premier. Si nous ajoutons maintenant un proton, il ne réagira que très faiblement avec le neutron précédent, tandis que si nous ajoutions un second neutron qui se trouverait dans le même état quantique que le premier il y aurait une interaction beaucoup plus forte et par suite la fixation de la particule serait plus exoénergétique. De là résulte que des deux isobares 2Ti et %V c’est le premier qui doit être stable et le second qui doit se transformer en l’autre. C’est bien ce que montre l'expérience. Le raisonnement eût évidemment été le même si au lieu d’un neutron la première particule donnant lieu à un noyau stable avait été un proton. Il montre pourquoi les noyaux stables à nombre de particules pair ont séparément un nombre de neutrons et un nombre de protons pair. Les quatre exceptions signalées plus haut s’interprètent en admettant qu’en raison du faible nombre de particules et de l’égalité du nombre des protons et des neutrons, le proton et le neutron peuvent se trouver dans des états quantiques très voisins permettant une interaction importante. Ceci cesse d’être vrai dès qu'il y a excès de neutrons par rapport aux protons.

Pour en revenir à l'isomérie, nous concevons que pour porter un noyau pair-pair dans un état excité nous devrons en raison de son état de condensation plus élevé lui fournir plus d'énergie. Autrement dit on doit s’attendre à ce que les noyaux pair-pair aient un premier niveau excité assez élevé. Nous avons déjà signalé que quelles que soient les idées émises pour expliquer l’isomérie, la métastabilité d’un niveau excité se trouve d'autant plus faible que son énergie est élevée. On arrive ainsi à comprendre que l’on n'observe pas \d'i80mérie dans le cas des noyaux pair-pair.

Il est intéressant de rapprocher cette interprétation d'une remarque de Feather et Bretscher (19). Dans les noyaux radioactifs naturels, l'étude des rayons y et des structures fines de rayons « renseigne sur les niveaux excités d’un certain nombre d’éléments. On constate qu’on peut faire un classement des noyaux en deux groupes :

19 ceux dont le premier niveau est élevé (>> Goo 000 eV);

20 ceux dont le premier niveau est bas. Ce dernier groupe com-

prend :

ÉRaGs: 02,9 KV *#ThC: 238 KV "LRaE : 47 kV #RaC' : 62 kV LHC UO RV:

Or tous ces noyaux sont du type impair-impair. Les deux autres noyaux radioactifs naturels du même type sont #AUZ-UX: et SMTh». L'isomérie du premier et un raisonnement développé par Feather et Bretscher, que nous ne reproduisons pas, pour le second, font penser que ces deux noyaux possèdent aussi un niveau excité de faible énergie. D'où l'on déduit que, au moins dans le domaine des radioéléments naturels, tous les noyaux impair-impair ont un premier niveau bas, ce qui est en somme la contre-partie du fait que les noyaux pairpair ont un premier niveau élevé. Pour les noyaux du type pairimpair il semble qu'actuellement on ne puisse rien dire. Les deux possibilités doivent exister.

2 Loi : Tous les noyaux stables dont l’état fondamental possède un spin éqal à 9/2 présentent le phénomène d'isomérie.

Cette deuxième loi vient de l’examen des cas d’isomérie des noyaux stables. Nous les reproduisons ci-dessous en indiquant les spins correspondants : :

8 107-109 113 15 34 204-206 SKr STE AND HER Holn pa ba Ph:

Dans cette liste figurent tous les noyaux dont on sait qu’ils possèdent le spin 9/2 à l'exception de “Bi, qui ne paraît pas avoir jusqu'ici donné lieu à une recherche d’isomérie. Il serait intéressant de savoir si cette loi se conserve pour les noyaux radioactifs, mais malheureusement on ne sait pas en mesurer le spin. Mattauch avait indiqué que le Lutécium, élément radioactif naturel dont on sait que le spin est supérieur à 7, présentait aussi un cas d’isomérie. Toutefois celui-ci paraît assez douteux.

D'après Flügge (20), cette seconde loi s’interprète facilement si l’on admet que les états à spins faibles sont toujours plus probables que ceux à spins élevés, d’où lorsque le niveau fondamental a le spin 9/2 une grande probabilité pour que le premier niveau ait le spin 1/2. La différence des spins égale à 4 détermine alors, selon le point de vue de von Weizsäcker, la métastabilité. Il faut d’ailleurs remarquer que l’on devrait avoir la même probabilité de rencontrer la configuration inverse, c'est-à-dire le spin 1/2 pour le niveau fondamental et le spin 9/2 pour le premier niveau excité. Ce pourrait être le cas de