{"id":1706,"date":"2014-02-03T16:16:35","date_gmt":"2014-02-03T15:16:35","guid":{"rendered":"http:\/\/www.cloudylabs.fr\/wp\/?page_id=1706"},"modified":"2025-09-05T20:25:02","modified_gmt":"2025-09-05T19:25:02","slug":"particules-alpha","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.cloudylabs.fr\/wp\/particules-alpha\/","title":{"rendered":"Interaction des particules alpha"},"content":{"rendered":"

Les images ci dessous sont tir\u00e9es du livre remarquable de Bothe, Gentner et Maier-Leibniz, publi\u00e9 en 1940 : An Atlas of Typical Expansion Chamber Photographs.<\/i> Elles sont toutes prises dans une chambre \u00e0 expansion <\/em><\/a>de Wilson.<\/p>\n

Recul du noyau lors de sa d\u00e9sint\u00e9gration \u03b1<\/span><\/h4>\n
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Recul des noyaux lors de la d\u00e9sint\u00e9gration alpha. F.joliot, 1934<\/em><\/p><\/div>\n

Image ci contre :<\/em> Dans cette chambre \u00e0 brouillard la pression est 76 fois moindre que dans les conditions standard. Comme la densit\u00e9 \u00e9lectronique du milieu est plus faible les noyaux ont des parcours plus grand car le nombre de collision in\u00e9lastique avec les \u00e9lectrons atomique est r\u00e9duit. On peut de cette fa\u00e7on mettre en \u00e9vidence le recul d\u2019un noyau d\u00fb \u00e0 la d\u00e9sint\u00e9gration alpha. Lorsqu\u2019un noyau \u00e9met une particule alpha, le noyau et la particule ont tous les deux la m\u00eame charge (+) et se repoussent \u00e9lectrostatiquement. Le noyau bien plus lourd que la particule alpha, re\u00e7oit peu d\u2019\u00e9nergie cin\u00e9tique lors de la r\u00e9pulsion \u00e9lectrostatique tandis que la particule alpha tr\u00e8s l\u00e9g\u00e8re, part avec une quantit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie cin\u00e9tique \u00e9lev\u00e9 du fait de la conservation de la quantit\u00e9 de mouvement mnoyau<\/sub>Vnoyau<\/sub>=m\u03b1<\/sub>V\u03b1<\/sub>. Par exemple dans la r\u00e9action 210 Po => 206 Pb+\u03b1<\/em>, l\u2019\u00e9nergie cin\u00e9tique de la particule alpha est de 5,77 MeV et celle du noyau de plomb 0,11 MeV. La particule alpha peut parcourir avec cette \u00e9nergie jusqu\u2019\u00e0 4 cm dans l\u2019air (\u00e0 pression standard) tandis que le noyau de plomb tr\u00e8s fortement ionis\u00e9 (charge Z) et tr\u00e8s lent, seulement une centaine de microm\u00e8tre (la perte d’\u00e9nergie dE\/dx<\/a>, est proportionnel au Z\u00b2\/v\u00b2 de la particule).<\/p>\n

Sur la photo ci dessus du Radon 219 (gazeux) \u00e0 \u00e9t\u00e9 inject\u00e9 dans la chambre.  Le noyau se d\u00e9sint\u00e8gre en 215Po en \u00e9mettant une particule \u03b11 (6,5 MeV). Lors de l\u2019expulsion de la particule \u03b11, le noyau 215Po \u00ab recule \u00bb, perd momentan\u00e9ment une partie de son nuage \u00e9lectronique, il devient ionis\u00e9 ce qui permet au noyau de former une trace de son parcours dans la chambre (les chambres \u00e0 brouillard ne d\u00e9tecte que le passage des particules charg\u00e9es dans la mati\u00e8re). La fl\u00e8che bleu sur l’image indique la direction du d\u00e9placement du noyau 215Po. La demie vie du 215Po \u00e9tant tr\u00e8s faible (1.15 ms), il se d\u00e9sint\u00e8gre imm\u00e9diatement en 211Pb. La d\u00e9sint\u00e9gration se fait par une autre \u00e9mission alpha \u03b12 (7,4 MeV): l\u00e0 aussi le noyau de 211Pb recule (fl\u00e8che blanche) pendant l\u2019\u00e9jection de la particule \u03b12 et percute au tout d\u00e9but de sa trajectoire un noyau massif du milieu (oxyg\u00e9ne, azote) qui recule aussi sous l\u2019impact de 211Pb (fl\u00e8che jaune).  Sous l’effet du recul d\u00fb \u00e0 l’\u00e9mission d’une particule alpha les noyaux de 215Po et de 211Pb acqui\u00e8rent respectivement des vitesses de 336 km\/s et de 357 km\/s (dans le vide) ce qui leur permet de franchir une distance de 0,1 mm dans l’air \u00e0 pression standard. La pression est tr\u00e8s r\u00e9duite dans cette chambre (1 cm Hg) ce qui permet d’observer des traces de quelques mm de longueur.<\/p>\n

Les noyaux de recul pr\u00e9sentent une ionisation notablement plus forte que les particules alpha \u00e0 cause de leurs faibles vitesses et leurs charges \u00e9lev\u00e9es. On peut noter que l\u2019\u00e9paisseur de la trace du noyau collisionn\u00e9 (fl\u00e8che jaune) diminue \u00e0 la fin du trac\u00e9 car la charge effective du noyau diminue et donc la perte d’\u00e9nergie (le noyau capture<\/a> au fur et \u00e0 mesure de son ralentissement des \u00e9lectrons du milieu jusqu’\u00e0 redevenir un atome neutre immobile ne laissant plus de traces). Ce noyau du milieu percut\u00e9 (faisant la trajectoire indiqu\u00e9e par la fl\u00e8che jaune) ne peut pas \u00eatre un noyau l\u00e9ger comme l’hydrog\u00e8ne car sa trace n’est pas caract\u00e9ristique d’un proton : la grande densit\u00e9 d’ionisation indique qu’il s’agit d’un noyau fortement charg\u00e9 toutefois \u00e0 un niveau moindre que 215Po et 211Pb (c’est donc un noyau plus l\u00e9ger que ces deux derniers \u00e9l\u00e9ments), et sa trace de tr\u00e8s faible longueur \u00e0 un noyau massif lent. Un proton (noyau d’hydog\u00e9ne) produit une trace de plus faible \u00e9paisseur qu’une particule alpha avec une port\u00e9e dans l’air \u00e0 pression standard d’une trentaine de cm pour 5 MeV d’\u00e9nergie cin\u00e9tique.<\/p>\n

D\u00e9sint\u00e9gration alpha d’un noyau excit\u00e9<\/span><\/h4>\n
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D\u00e9sint\u00e9gration alpha d’un noyau de 214Po excit\u00e9 (1926)<\/p><\/div>\n

\"decay<\/a>

Origine du peuplement des \u00e9tats excit\u00e9s<\/p><\/div>\n

Une source de 214Bi diaphragm\u00e9 est plac\u00e9 dans la chambre dans l\u2019air \u00e0 pression atmosph\u00e9rique. Le 214Bi se d\u00e9sint\u00e8gre par \u00e9mission b\u00e9ta- et devient le 214Po. Le 214Po se d\u00e9sint\u00e8gre par \u00e9mission alpha en 210Pb. On observe les particules alphas de la d\u00e9sint\u00e9gration 214Po=>210Pb. On y voit une particularit\u00e9 : une particule alpha a un parcours de 9 cm alors que toute les autres ont un parcours normal de 6.9 cm. Ce ph\u00e9nom\u00e8ne provient des \u00e9tats excit\u00e9s du noyau de 214Po peupl\u00e9s par la d\u00e9sint\u00e9gration du 214Bi. Lorsque le 214Bi se d\u00e9sint\u00e8gre en 214Po le sch\u00e9ma de d\u00e9sint\u00e9gration montre que 19.1% des rayonnements b\u00e9ta sont \u00e9mis vers le niveau fondamental du noyau de 214Po. Les rayons b\u00e9ta de cette transition ont alors une \u00e9nergie maximale de 3.27 MeV. Cependant, le sch\u00e9ma montre que le 214Bi peut \u00e9mettre des rayonnements b\u00e9ta de moindre \u00e9nergie en cr\u00e9ant un atome de 214Po dans un \u00e9tat excit\u00e9. Si l\u2019on prend un exemple, 3.1% des \u00e9lectrons de d\u00e9sint\u00e9gration du 214Bi sont \u00e9mis \u00e0 une \u00e9nergie max de 3.27-1.543=1.72 MeV, cr\u00e9ant un noyau de 214Po excit\u00e9 \u00e0 1,543 MeV. Le retour du noyau \u00e0 l\u2019\u00e9tat d’\u00e9nergie fondamental  se fait (entre autre<\/a>) par \u00e9mission de rayonnements gamma (fl\u00e8che pointill\u00e9e jaune) dans l\u2019exemple, par \u00e9mission d\u2019un gamma de 1.543 MeV. Le noyau de 214Po une fois dans l\u2019\u00e9tat fondamental se d\u00e9sint\u00e8gre par \u00e9mission alpha en peuplant quasiment \u00e0 100% le niveau  fondamental du 210Pb (certaines particules alpha sont \u00e9mises \u00e0 moindre \u00e9nergie et donne aussi des noyaux de 210Pb excit\u00e9s). Nous avons vu qu\u2019il \u00e9tait possible que des noyaux de 214Po soit cr\u00e9es dans des \u00e9tats excit\u00e9s. Il arrive parfois que l\u2019\u00e9tat excit\u00e9 a une vie si courte que le noyau se d\u00e9sint\u00e8gre avant qu\u2019il ne se d\u00e9sexcite par \u00e9mission gamma. La particule alpha de d\u00e9sint\u00e9gration re\u00e7oit alors, en plus de l\u2019\u00e9nergie normale de d\u00e9sint\u00e9gration (ici 7.83 MeV), l\u2019\u00e9nergie d\u2019excitation \u00e9conomis\u00e9e (par ex +1.543 MeV ou + 2,118 MeV). Le sch\u00e9ma montre que quelques niveaux du 214Po parmi des dizaines<\/a>.<\/p>\n

<\/a><\/p>\n

Diffusion multiple des alpha dans des gaz l\u00e9ger et lourd<\/span><\/h4>\n
\"alpha<\/a>

Particules \u03b1 d\u2019une source de Polonium diaphragm\u00e9 par une fente dans diff\u00e9rent gaz.
A gauche : Air et partie egale d\u2019eau et d\u2019alccol sous 18 cm Hg
Au milieu : Gaz lourd Xe + alcool sous 10cm Hg
A droite : idem que pr\u00e9c\u00e9demment, mais sous 3.5 cm d\u2019Hg. Dans la partie sup\u00e9rieure du diaphragme, les particules \u03b1 sont ralenties par 18 \u03bcm de mica<\/p><\/div>\n

L\u2019interaction des particules \u03b1 avec le champ \u00e9lectrique des noyaux du milieu se manifeste par de petites d\u00e9viations de leur trajectoire qui donne au total une faible courbure, irr\u00e9guli\u00e8re, \u00e0 la trajectoire. Ces d\u00e9viations augmentent rapidement lorsque la vitesse des particules diminue; on peut constater sur les photographies l\u2019augmentation de la diffusion multiple vers la fin des trajectoires notamment sur l’image \u00e0 droite o\u00f9 la feuille de mica en partie sup\u00e9rieur diminue l\u2019\u00e9nergie initial des particules. La diffusion multiple augmente fortement avec le num\u00e9ro atomique de la substance travers\u00e9e. Sur les photographies au milieu et \u00e0 droite on remarque que les d\u00e9viations des particules \u03b1 dans le X\u00e9non (A=132) peuvent atteindre des angles important, jusqu\u2019\u00e0 180\u00b0 (le parall\u00e8le peut \u00eatre fait ici avec l\u2019exp\u00e9rience de Rutherford avec la diffusion des particules \u03b1 sur une une feuille d\u2019or) . Lorsque les particules alpha sont d\u00e9vi\u00e9s par des noyaux lourd, elle perdent de l\u2019\u00e9nergie cin\u00e9tique qui est transf\u00e9r\u00e9 au noyau (jusqu\u2019\u00e0 12 % de l\u2019\u00e9nergie cin\u00e9tique initiale lors d\u2019un choc frontal avec un noyau de Xe) raccourcissant leurs parcours dans le milieu.<\/p>\n

<\/a><\/p>\n

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A gauche : Diffusion de particule alpha dans l\u2019hydrog\u00e8ne. La longue trajectoire fine partant vers la droite est le proton.
Au milieu : Diffusion de particules alpha dans du gaz H\u00e9lium
A droite : Diffusion de particules alpha dans l’azote gazeux<\/p><\/div>\n

La diffusion des particules sur les noyaux ob\u00e9it aux lois des chocs \u00e9lastique. Les angles que font les directions des particules secondaires avec la direction initiale sont li\u00e9s aux vitesse des particules avant et apr\u00e8s le choc et sont donn\u00e9 par le rapport des masses des deux noyaux, ainsi que les lois de conservation de la quantit\u00e9 de mouvement et de l\u2019\u00e9nergie. A l\u2019issu d\u2019une collision \u00e9lastique non \u00ab frontal \u00bb, l\u2019angle \u03b8 entre les deux particules vaut<\/a> :<\/p>\n