CERN/PI 128.3.63

1. De nombreuses opérations chimiques dans le laboratoire de haute radioactivité doivent être effectuées avec des dispositifs de commande à distance derrière des écrans de briques en plomb. Une faible quantité de radiations traverse les briques, mais Henri Bersinger, que l'on voit ici procédant à la dissolution d'une cible irradiée, porte un f i lm détecteur sur sa manchette pour mesurer ces radiations.

Chimie nucléaire au CERN

par G. RUDSTAM

Chef de groupe, Chimie nucléaire ;

Division de Physique nucléaire Certaines personnes seront étonnées d'apprendre que dans un laboratoire

consacré à la physique des hautes énergies on trouve également des chi­

mistes. Cela est toutefois vrai, et M. Rudstam, Chef du groupe de chimistes,

donne ici un aperçu de leurs travaux. Il définit en premier lieu le terme

« chimie nucléaire », puis décrit quelques expériences typiques effectuées

par le groupe et leur relation avec les problèmes de physique des hautes

énergies, mentionnant en particulier le séparateur d'isotopes électromagné­

tique uti l isé pour de nombreuses études. Il termine enfin en faisant quel­

ques propositions sur le genre d'expériences qui pourraient être effectuées

au CERN à l'avenir, particulièrement si l ' intensité du faisceau du synchro-

cyclotron était encore augmentée.

QU'EST-CE QUE LA CHIMIE NUCLÉAIRE ?

Les grands accélérateurs du CERN, le synchrotron à

protons et le synchro-cyclotron, offrent des possibilités

de recherches pratiquement uniques, non seulement

dans le domaine de la physique des hautes énergies

mais aussi dans ce domaine de la chimie connu sous le

nom de chimie nucléaire. Un groupe de chimie nuclé­

aire a donc été formé au CERN afin de profiter de

cette occasion d'étudier les réactions nucléaires pro­

duites par des particules de hautes énergies. Comme

on peut s'y attendre, les expériences comprennent ce

que l'on pourrait appeler des problèmes typiques de

chimie nucléaire, tels que la spallation et la fission (l'éjection de petits fragments d'un noyau et la sépa­

ration d'un noyau en deux parties approximativement

égales). De plus, toutefois, en abordant l'étude des

réactions nucléaires du point de vue de la chimie, on

peut obtenir des renseignements sur les interactions

entre les particules élémentaires, et la chimie nuclé­

aire devient ainsi un complément des expériences

effectuées par les physiciens étudiant ces phénomènes.

Il est peut-être intéressant de commencer en expli­

quant la signification de l'expression «chimie nuclé­aire». Friedlander et Kennedy en donnent une excel­

lente définition dans leur livre bien connu Nuclear and

Radio ch.émistry : «Nous estimons que la chimie nuclé­aire étudie les réactions des noyaux atomiques et les propriétés des espèces nucléaires résultantes, exacte­ment comme la chimie organique étudie les réactions et les propriétés des corps composés organiques». Il ne

faut pas confondre la chimie nucléaire et la radio-chimie qui, elle, utilise des méthodes semblables à

celles de la chimie nucléaire pour résoudre les pro­

blèmes de caractère chimique dans d'autres domaines

scientifiques ou techniques (et qui ainsi pourrait être

appelée chimie nucléaire appliquée). Pour éviter tout

malentendu il convient aussi de souligner que la chi­

mie nucléaire n'a aucun rapport avec la chimie sous irradiation, qui concerne les effets chimiques des

radiations.

CHIMIE NUCLÉAIRE ET PHYSIQUE NUCLÉAIRE

Il est évident que le chimiste nucléaire et le physi­

cien nucléaire s'intéressent tous deux aux réactions

nucléaires. Quelle est donc la différence entre eux ? La

différence ne réside en fait que dans les méthodes

employées pour résoudre les problèmes scientifiques.

Souvent le chimiste et le physicien désirent obtenir

des renseignements sur le même sujet. Le physicien

utilise les méthodes de physique alors que le chimiste

se tourne vers les moyens chimiques. Le but est le

même mais la manière d'aborder le problème diffère.

L'étude de certaines propriétés des réactions nuclé­

aires est plus aisée si l'on utilise les méthodes de phy­

sique alors que pour d'autres les procédés chimiques

sont plus appropriés. Ainsi, grâce à la chimie, on peut

obtenir des renseignements très détaillés sur la distri­

bution des éléments lourds restants, alors que les

diverses particules légères émises pendant la réaction

sont mesurées à l'aide de méthodes de physique. On

obtient une description complète de la réaction en

combinant les résultats de ces deux types de recher­

ches.

EXPÉRIENCES A L'ÉTUDE

Pour des raisons d'ordre pratique, les expériences

effectuées au CERN par le groupe de chimie nuclé­

aire doivent être divisées en deux catégories : celles qui

mettent en jeu de petites quantités de radio-activité et

celles dans lesquelles le niveau de radio-activité est

élevé. Il est indispensable de bien séparer ces deux

types d'expériences, pour la simple raison qu'une très

petite contamination provenant d'expériences à un

niveau élevé de radio-aativité peut anéantir complète­

ment les résultats d'une expérience où la radio-activité

est faible. Par conséquent, les expériences sont effec­

tuées dans des laboratoires différents et des échantil­

lons fortement radio-actifs ne sont jamais introduits

dans les locaux utilisés pour des travaux faiblement

radio-actifs. La fig. 1 montre une partie d'une expé­

rience effectuée dans un laboratoire «chaud». En outre,

31

2. Waltraut Riezler remplace une partie d'un compteur à bas niveau à l'intérieur de son écran épais de briques en acier et en plomb.

l'appareillage pour ces deux types d'expériences est

différent. Les travaux faiblement radio-actifs exigent

l'utilisation de compteurs à faible bruit de fond, un

événement toutes les quelques minutes (figure 2).

D'autre part, la plupart des instruments utilisés pour

mesurer de fortes radio-activités possèdent un bruit

de fond trop élevé pour des échantillons faiblement

radio-actifs.

Les expériences qui utilisent les faisceaux externes des accélérateurs ne fournissent que des échantillons

faiblement radio-actifs. Un exemple d'une telle expé­

rience est l'étude des réactions induites par des pions

dans une cible en cuivre donnant comme produit le

nucléide radio-actif nickel 65, <65Ni, les symboles sont

expliqués dans le texte encadré ci-contre) : 6 5Cu + JT = 6 5Ni + JC+ + JT,

et 6 5Cu + jt+ = 6 5Ni + K+ + Jt+.

Ces réactions ont été étudiées en utilisant des pions

positifs et négatifs de 2,7 GeV pour obtenir des ren­

seignements sur les interactions pion-pion, notamment

les sections efficaces absolues pour l'interaction de Jt+

avec K+ et de Jt+ avec Jt". Ceci est un exemple de la for­

mation de produits de réaction à faible radio-activité.

Par exemple, la radio-activité du nickel 65 produit par

la réaction de pions négatifs sur du cuivre était d'en­

viron 10 désintégrations par minute, alors que la radio­

activité provenant de la réaction des pions positifs

n'était que de trois désintégrations par minute.

CERN/PI 4820

Une autre expérience en cours utilisant un faisceau

externe consiste à déterminer en valeur absolue les

sections efficaces de certaines réactions capables de

contrôler des faisceaux de protons de 19-24 GeV. Les

réactions suivantes ont été choisies pour des mesures : 2 7A1 + p = 2 4Na + 3p + n, 2 7A1 + p = i 8 F + 5p + 5n, 1 2 C + p = n C + p + n.

Le sodium-24, fluor-18 et carbone-11 produits par la

réaction sont radio-actifs, de sorte qu'il est possible'

de mesurer le nombre d'atomes produits dans une cible

en aluminium ou de carbone. La section efficace repré­

sente la probabilité pour un proton incident de pro­

duire une réaction déterminée de sorte que si la section

efficace est connue, on peut déduire le nombre total de

protons incidents grâce à la radio-activité mesurée.

Il est évident que les expériences mentionnées ci-

dessus exigent une collaboration étroite entre physi­

ciens et chimistes, et pour cette raison le groupe de

chimie nucléaire comprend aussi quelques physiciens.

L'irradiation de cibles à l'intérieur des accélérateurs du CERN provoque une forte radio-activité. Ces ma­

chines sont donc utilisées pour une série d'expériences

sur les phénomènes de la fission et de la spallation,

dont le but est de fournir des renseignements sur :

— la section efficace pour la formation des divers nu-cléides formés ;

— la quantité de mouvement des nucléides formés ;

— le moment angulaire (ou spin) des nuciléides formés.

Pour de telles études, il convient de mesurer les

-, / rendements des produits, leur parcours (la distance

> ] qu'ils parcourent avant de s'arrêter) et les proportions

dans lesquelles on trouve les divers isomères ou diffé­

rents états d'un même nucléide.

Grâce au séparateur d'isotopes électro-magnétique du

groupe (fig. 3), il est maintenant possible de mesurer

les rendements des réactions avec un degré de pré­

cision beaucoup plus élevé que précédemment. Ce

dispositif a été conçu spécialement pour l'étude des

produits des réactions nucléaires. Le séparateur est un

appareil à double focalisation qui produit des échantil­

lons bien séparés et de bonnes dimensions (fig. 4). Les

isotopes sont recueillis sur des feuilles d'aluminium

minces — dispositif très pratique pour les mesures de

radio-activité (épaisseur négligeable, mince couche de

fond, petites dimensions — diamètre environ 2 mm). Ce

3. Dans cette photo du séparateur d'isotopes électro­magnétique, la source d'ions se trouve à l'extrême droite et l'aimant est le grand objet noir que l'on voit à sa gauche. On peut voir Stig Sundell procédant à quelques ajustements du collecteur.

point et le fait très important que chaque échantillon

ne contient qu'une seule sorte d'activité (et des éven­

tuels produits de désintégration) sont les raisons pour

lesquelles on peut obtenir un degré de précision très

élevé.

La technique utilisée dans les études du rendement

de la réaction est brièvement la suivante. Une grande

variété de produits se forment lorsque la substance

constituant la cible est irradiée dans l'accélérateur. La

cible irradiée est ainsi d'abord plongée dans un sol vent

approprié et l'élément choisi est séparé chimiquement

du reste des produits. On donne à l'élément une forme

adéquate et on l'introduit dans la source d'ions du

séparateur d'isotopes. La séparation des isotopes est

effectuée — parfois en quelques minutes —, les collec­

teurs (un collecteur pour chaque isotope qui présente

de l'intérêt) sont retirés et l'activité de chaque échan­

tillon est mesurée. Différents types de compteurs sont

QUELQUES NOTES D'EXPLICATION

Comme dans le cas de la chimie ordinaire, il serait

t rop long et t rop compl iqué d'uti l iser des mots pour

décrire chaque réact ion. On utilise plutôt des symboles

appropr iés et toute réaction peut être exp r imée sous

torme d'une équat ion plus simple. A i n s i , au l ieu

d'écrire « l ' isotope de cuivre avec une masse a tomique

de 65 unités, réagissant avec un p ion négatif , produi t

simultanément un isotope de nickel a v e c une masse

atomique de 65 et l'émission d'un p ion posit if et d 'un

pion négatit », on a simplement :

65Cu + Jt" = 6 5 N i + n+ + 7ï\

Dans les exemples cités dans cet article, C u est le

symbole du cuivre, Ni du nickel , A l de l 'aluminium,

Na du sodium, F du tluor et C du carbone; zi repré­

sente le meson pi ou p ion , p le p ro ton , n le neutron

et 5p représente cinq protons. Le nombre f igurant

en indice supérieur représente la masse atomique

(c'est-à-dire la quant i té de matière du noyau par rap­

port à celle contenue dans un proton ou un noyau

d 'hydrogène) , et le signe + ou — représente la charge

électr ique lorsqu'i l est nécessaire de l ' indiquer expl ic i te­

ment. Ces symboles sont standardisés, de sorte que

lorsqu'ils sont connus, ils peuvent être utilisés et com­

pris universellement.

Le compteur bêta est utilisé pour mesurer le taux

d'émission de particules bêta par des noyaux radio­

actifs.

Le spectromèfre bêta mesure les énergies des particules

bêta. Le spectromèfre à scintil lations est un spectro­

mèfre utilisant des détecteurs à scintil lations.

Les compteurs gamma et les spectromètres gamma sont

utilisés pour les mesures relatives aux rayons gamma.

La speefroscopie nucléaire est l 'étude des divers états

dans lesquels un noyau peut exister, de manière

analogue à la recherche des états d 'énergie atomique

dans la speefroscopie opt ique. A ins i , au lieu d 'étudier

la lumière émise par les atomes exjfés, on étudie p lu ­

tôt les radiations émises par les noyaux excités.

Un nucléide est une espèce atomique déterminée pos­sédant un nombre donné de protons et de neutrons dans son noyau.

Les isotopes sont des nucléides du même élément

chimique, c'est-à-dire possédant dans leur noyau le

même nombre de protons mais un nombre dif férent de

neutrons. (En fait, le terme « isotope » est encore

utilisé couramment comme synonyme du mot plus ré­

cent « nucléide ».)

5. Inge Jarstorff vérifie la position d'un échantillon dans l'échangeur automatique d'échantillons. Chaque ouverture près du bord peut accep­ter un échantillon qui est amené automatiquement sous le compteur — chiffre 9 — pendant un temps déterminé à l'avance. Les échelles de comptage électronique, les enregistreurs et d'autres accessoires se trouvent à droite sur le rayonnage.

utilisés pour ces mesures y compris les compteurs

gamma et bêta et les spectromètres à scintillations

bêta et gamma. Pour faciliter le comptage, le groupe

d'Électronique du C'ERN a construit un echangeur

d'échantillons automatique dans lequel on peut intro­

duire jusqu'à 40 échantillons. Grâce a ce dispositif, il

est possible de compter et de réutiliser continuellement

les échantillons les uns après les autres pour obtenir

la diminution du taux de comptage en l'onction du

temps.

Un exemple des résultats obtenus grâce à ces tech­

niques est donné à la fig. 6 qui montre les quantités

relatives de quelques 13 isotopes d'iode différents for­

més dans la fission de l'uranium par des protons de

600 MeV.

Comme la détermination des rendements de la réac­

tion est basée sur la mesure de la vitesse de décrois­

sance radio-active des nucléides radio-actifs, il con­

vient de connaître les modes de désintégration des

nucléides qui présentent de l'intérêt. Il est par consé­

quent nécessaire d'effectuer des travaux sur la spec-

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NOMBRE DE MASSE

4. Courbe montrant le résultat de la séparation des isotopes du kryp­ton. Après avoir passé dans le séparateur, les atomes dont le nombre de masse diffère d'une unité se trouvent à environ 10 mm les uns des autres.

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