IL NUOVO CI3/ENT0

Vol. VI, N. 2

12 5farzo 1949

Nuovo metodo per la determinazione dell'energia dei quanti emessi da sorgenti deboli. !~r CECCARELLI, M. MERLIN e A. I~0STAGNI Istituto di Fisica dell' Univevsitd di Padova - Centro per lo studio degli ioni veloci del C. N . R.

(ricevuto il 15 Gennaio 1949)

Riassunto. -Si discute la possibflits di applicare lo spettrografo magnetico di G. 0ce~IALI~I alla determinazione dell'energia dei quanti 7, attraverso l'effetto fotoelettrico o l'effetto Compton di questi su un opportuno radiatore. Esperienze preliminari col potassio e col radio dimostrano questa possibilitY. I1 metodo appare partieolarmente vantaggioso per sorgenti deboli ed estese. Vengono esposti pure i risultati di misure sullo spettro ~ del potassio.

1. - I1 metodo ideale per determinazioni di precisione degli spettri di raggi g e n e r a t i da processi nucleari ~ n o t o r i a m e n t e quello che si f o n d a sull'osservazione dei raggi ~ di conversione interna, con uno s p e t t r o g r a f o magnetico a focalizzazione semicircolare e rivelazione fotografica delle particelle (~). Ma esso riservato alle sorgenti di alt~ intensit~ specifica, dell'ordine del millicurie in un v o l u m e dell'ordine del m m 3 od inferiore: vale a dire, in pratica, ~ riserv a t o agli elementi r a d i o u t t i v i naturuli pesanti, ed a pochi elementi artificiali p r e p a r a t i su l a r g a scala coi mezzi pifl moderni. Campo di applicazione ben pifl vasto hanno i m e t o d i che s f r u t t a n o i raggi di conversione (( esterna )), liberati in un o p p o r t u n o radiatore, per effetto fotoelettrico, per effetto C o m p t o n o per materializzazione. L ' e n e r g i a di questi raggi viene m i s u r a t u ancora collo s p e t t r o g r a f o mugnetieo, sostituendo perb di solito alla l a s t r a fotografica, per la rivelazione, il c o n t a t o r e a filo, che consente m a g giore sensibilitY, sia pure con sacrificio nel potere risolutivo. I n questo caso la sorgente di ruggi ~. pub avere v o l u m e assai m a g g i o r e : in p a r t i c o l a r e lo spessore utile pub essere dell'ordine di 1/% se ~ ~ il coefficiente d ' a s s o r b i m e n t o tot~le della radiazione ~ ne]la sorgente stessa. Dimensioni l i m i t a t e deve avere invece il r a d i a t o r e : a r e a dell'ordine del em 2, in m a s s i m a , e spessore tale da p o t e r t r a scurare la p e r d i t a d ' e n e r g i a degli elettroni a t t r a v e r s o ad esso.

(1) Cfr. per es. N. FEATHER: Rep. on progr, in phys., 7, 66 (1940).

15~

M. CECCARELLI, M. MERLIN e A. ROSTAGNI

Un certo g u a d a g n o in ((luminosit~ )) rispetto allo spettrografo semicircolare 6 offerto dallo spettrografo s lente m s g n e t i c a (fondato sull'aberrazione cromatica dalls lente stesss) il qu~le a m m e t t e aperture ~lquanto msggiori senzs grave scapito del potere risolvente. L ' a r e s del r s d i s t o r e conserva lo stesso ordine di grandezza. Secondo indicazioni di M. DEUTSCHe coll. (~) si pub giungere, con uno s t r u m e n t o di questo tipo, s studisre radiazioni 7 con u n ' i n t e n sit~ di ~ 1 , 5 . 1 0 5 quanti per sec ( ~ 5 . 1 0 -~ curie), emesse da sorgenti di dimensioni non superiori al cm. Sorgenti di minore intensit~ assoluts o specifics sono state studiate sinora esclusivamente con metodi d'assorbimento, sis della radiazione ~, stessa che dei raggi ~ secondari, in base slla p r e s u n t s conoscenza della legge d'assorbim e n t o in funzione dell'energia. Tali metodi non danno per6 che un affidamento l i m i t a t o q u s n d o ls radiazione in essme non sia m o n o c r o m s t i c s , o qu~ndo ls scarsa intensit& imponga dei compromessi nella geometria del dispositivo. 2. - :Esiste un altro tipo di spettrografo magneti~o, che 6 stato i n t r o d o t t o da G. OCCHIALI~I nel 1931 (8) per lo studio dl sorgeuti molto deboli di raggi ~, precisamente per la determinazione del limite superiore dell'energia hello spettro. Esso 6 stato applicato nella sua f o r m a originale dall'OCCmALI~I allo studio della radiosttivit~ del rubidio, e dn D. BOCCIAlCELLI(4) a quells del potsssio; pifi recentemente, con varie modificazioni non essenziali, d~ W. F. L~B~Y e D. D. LEE (s) a t u t t s u n a serie di elementi n s t u r a l i e srtificiali + con r a d i o a t t i v i t ~ ~. Ci 6 s e m b r s t o che questo m e t o d o potesse essere applicato con vantaggio allo studio dells radioattivit~ ~. e, per un primo orientsmento, s b b i s m o co, - , p~o,~o ~ = = o~o~e ~ ol~u,,i,~o struito il dispositivo illustrato in fig. 1. ebanike ~ vetr'o Vu cont~tore C, f o r m s t o d~ uno scheFig. 1. letro d ' o t t o n e (precisamente u n tubo di 24 m m di diametro, nel qusle sono state p r s t i c a t e 3 aerie di finestre rettangolari, di m m 24 • 5) rivestito intern a m e n t e da una foglia d'A1 di 0,01 mm, 6 posto sull'asse di lma scstola cilindrica di 95 m m di diametro interno, a t e n u t a di vuoto. La scatola cor.tienc la consueta miscela di Trost per i contatori, ad u n s pressione complessivs di 100 Torr. L'insieme viene posto in un campo magnetico uniforme, parsllelo all'asse del cilindro, d'intensit~ regolabile a piacere. Se u n s sorgente di raggi ~ viene p o s t a salla p s r e t e i n t e r n a della scstola, in assenza di csmpo, u n s fiazione d e t e r m i n s t s dei rsggi traverser~ il contatore e dar~ origine s un certo [tumero d'impulsi. I1 c s m p o magnetico, i n c u r v a n d o le traiettorie degli elettro#i, far~ v a r i s r e il n u m e r o medio d'impulsi per secondo. I n psrticola.re vi sar~ un valore

{2) M. DEUTSCH, L. G. ELLIOTT e R. D. EvAns: R.S.I., 15, 178 (1944). (a) G. OCCHIAT.ISI:Rend. Line., 14, 103 (1931). (4) D. BOCCIARELLI:Rend. Linc., 15, 686 (1932). (5) W. F. LIBSY e D. D. LEE: Phys. Rev., 55, 245 (1939).

NUOVO

METODO

PER

]CA D E T E R M I N A Z I O N E

DF, L L ~ E N E R G I A

DEI

QUANTI

ECC.

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eritico Ho del e~mpo per cui pifl nessun elettrone di energia E ~ E,, proveniente d s l l s p u r e t e p u b rsggiungere il eontatore, in q u s n t o la su~ t r a i e t t o r i s diviene, nel caso pifi f~vorevote, un eerchio t a n g e n t e al e o n t s t o r e . Si a p p l i e s la relazione 2

(1)

H o ( R - - r) = - v / E ~ + 2mc~E,, , e

dove r e R sono i r s g g i del c o n t a t o r e e dells sestols. 3. - Con tmo s t r a t o di 0,12 m m di KCI, o p p o r t u n ~ m e n t e pudfieato, sull~ p a r e t e a b b i a m o o t t e n u t o , per il n u m e r o n d ' i m p u l s i al see in funzione di H , la e u r v a di fig. 2, ehe ei r i s e r v i a m o di diseutere in seguito. E s s a ~ d o v u t s

n

Hf

2

I

~

,ooo

','

2ooo 3

i 4

"o

o o 5

6

-4.000 l

7

t

I

t

5000 iI

"8

9

gau$3

H~lO-3y

Fig. 2. o v v i a m e n t e a l l ' a t t i v i t ~ ~ del K 4~ L ' e r r o r e statistieo ~ di qualehe unit~ per cento sui singoli punti. Volendo applicare il m e t o d o alla d e t e r m i n a z l o n e dell'energia dei quanti 7 a b b i a m o rivestito la p a r e t e i n t e r n a della scatola con una lamina, di p i o m b o di 1 m m di spessore, d e s t i n a t a a fungere da radiatore, so tto l'azione dei raggi T di uno spesso strato di KC1 (,-~ 5 em, 4 kg e o m ? l e s s i v a m e n t e ) 10osto all'esterno. I~e basi del eilindro erano coperte i n t e r n a m e n t e da due dischi d'A1 di 5 m m di spessore. ]l t u t t o era poi s c h e r m a t o s l l ' e s t e r n o con sleuni c m di P b , sl]o scopo di ridurre l'effetto di fondo dei raggi eosmiei. L ' a n d s m e n t o del numdro n d'impulsi/see con H 6 r s p p r e s e n t s t o in fig. 3 (eurva t r a t t e g g i a t a ) ; 1s p u n t e g g i s t a r a p p r e s e n t s la v a r i s z i o n e de] rondo, in assenza del p o t a s s i o ; la e u r v a continua infine, differenza delle due, r a p p r e senta l'effetto n e t t o d o v u t o all~ r~dlaz;one T del potassio.

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M. CECCARELLI, M. MERLIN

e

A. ROSTAGNI

L a fig. 4 r i p r o d a c e l ' a n d a m e n t o analogo o t t e n u t o sostituendo al sale di potassio un p r e p a r a t o di radio poato a conveniente distanza dall'apparecchio. Infine la fig. 5 contiene l ' a n d a m e n t o d i n o t t e n u t o , con KC1, quando al r a d i a t o r e di P b si sostituisce a n r a d i a t o r e di 4 m m di A1, rivestendo invece le basi con dischi d ' e b a n i t e . 4 . - Nel d i a g r a m m a di fig. 3 r i t e n i a m o di p o t e r assumere c o m e valore critico del c a m p o il vMore Ho = 3500 -F 300 gauss nel quMe ha inizio un piane-

~t I'5

,\

H0

[

2o00 ~,~ooo 4

o

Gooo

8

~o

1'2

8000

gous~

~

H9 iO -~

Fig. 3o

t15

5

2000 I

4000

,

4

I

~

8

6000

8000

, I

1o

Ip

I)

14

1 0 0 0 0 gaUSS I

i'6 . _

n~ I0 -~

Fig. 4. rottolo sensibilmente orizzontale, sulla c u r v a c o r r e t t a per il fondo, per u n a estensione di circa 2000 gauss. Dai dati geometrici (R = 4,65 cm) si r i c a v a in base a (1) E ~ ~ 1,36 -F 0,15 MeV . Ammesso, come giustifieheremo fra poco, ehe gli elettroni interessati p r o v e n -

NUOVO METODO PER LA D E T E R M I N A Z I O E N DELL~ENEI~GIA D E I Q U A N T I ECC.

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gano da] livello K de] P b per effetto fotoelettrico (energia di legame hv = 0,09 ~r risttlt~ per l'energia dei qu~nti y primari, emessi d~l potassio =

hv

=

1,45 =J= 0,15 M e V .

D~lla fig. 4, relativa at Ra, ricaviamo analog,%mente Ho = 5000 :j: 300 gauss E~ ----2,15 ~ 0,15 M e V ,

hv = 2,24 ~= 0,15 MeV .

Dalla fig. 5 si ricava Ho ~= 3900 • 400 gauss e, t e n u t o eonto t h e questa v o l t a R = 4,35 era, si deduce t

E~ = 1,36 • 0,2 M e V . L a probabilit/~ dell'effetto fotoelettrico nell'A1 per raggi sopra 1 M e u di energia 6 affatto trascur~bile rispetto a quella dell'effetto Compton. Ammesso

[~",,[,, I

"

2000

\14ooo

6ooo

8ooo gauss

Fig. 5. quindi ehe Em corrisponda al valor massimo dell'energia degli elettroni di rinculo (quanto diffuso a 180o), si ottiene hv = Em + 0,22 = 1,58 • 0,2 M e V . Circa l'attribuzione del valore di E~ o t t e n u t o col P b ad elettroni fotoelettrici, si pub osservare che effettivamente il r~pporto fra le sezioni effic~ci di assorbimento fotoelettrico e di diffusione Compton ad a t o m i P b fr~ 1 e 2 MeV 6 dell'ordine di 1/5 appena, e quindi deve ~ttendersi una prevalenza numerica del seeondo effetto. Ma a quest~ consider~zione si contrappongono le seguenti. Anzitutto l'energia degli elettroni fotoelettrici, cost~nte (in qtt~nto p r a t i c a m e n t e t u t t i escono dal livello K), supera di oltre 0,1 MeV quella massima degli elettroni Compton helle condizioni considerate. L~ legge di distribuzione angolare di questi ultimi favorisce d ' a l t r o n d e le energie minori, e l'emissione ad angoli grandi coll~ direzione d'incidenza: il ,rapporto fra le probabi-

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M. C ~ C C A R : E L L I ,

M. M E R L I N

e A. R O S T A G N I

lit~ di emissione a 0 o e 180 ~ eolla direzione d ' i n c i d e n z a (con energia m a s s i m a e minima rispettivamente) ~0/~0180 --- 0 , 0 7

per

h~ = 1,5 M e V .

5Tell'effetto fotoelettrico invece, a p o r t e l ' i n d i p e n d e n z a dell'energia d~emissione daIl'angolo, a b b i a m o u n a n e t t a p r e v a l e n z a di elettroni emessi nell'emisfero anteriore, rispetto alla direzione d'incidenza. T u t t o concorre d u n q u e a dare agli elettroni fotoelettrici il maggior peso in questa misura, che rivela il l i m i t e superiore delle energie presenti. 5. - Pifl i n c e r t a a p p a r e l ' i n t e r p r e t a z i o n e della c u r v a di fig. 2, r e l a t i v a allo s p e t t r o ~ del potassio. Come valore critico del e a m p o si p o t r e b b e a s s u m e r e Ho = 3200 ~ 200 gauss, dove la curv~ si r a c c o r d a con un t r a t t o rettilineo a lieve p e n d e n z a , che si p r o l u n g a sino ai c a m p i m a s s i m i applicati. Yi ~ p e r b inoltre a n p u n t o angoloso ben netto in corrispondenza di H~ = ]600 gauss che fa p e n s a r e ad un c a r a t t e r e complesso dello spettro. U n ' i p o t e s i di questo genere ~ s t a t a gi~ a v a n z a t a da D. BOCCIARELLI in base alle esperienze c o m p i u t e collo stesso metodo, e poi, in t e r m i n i pifl precisi, in base ad esperienze d ' a s s o r b i m e n t o (6): secondo quest'A, la radiazione ~ del potassio e o n s t e r e b b e infatti di due c o m p o n e n t i , unu c o m p o n e n t e di 0,4 MeV p e r il 60 %, ed u n a di 0,9 McV per il 40 % dell'intensit~ totale. G. YIEvEsu e coll. (7), da misure in c a m p o magnetico, deducono p u r e l'esistenza di due c o m p o n e n t i di 0,3 e 0,7 MeV. Ai nostri valori H~ ed Ho corrispondono rispett i v a m e n t e energie di 0,48 ed 1,27 MeV: d~ i n t e r p r e t a r e perb come limiti superiori di due b a n d e d'energia, m e n t r e quelle indicate dagli Autori citati r a p p r e s e n t a n o p i u t t o s t o le energie pifl probabili nolle b a n d e stesse. G r a n d e ~ poi la variet~ dei risultati degli altri Autori. Ar.cora col m e t c d o di OCCHIALINI, LIBBY C LEE (s) t r o v a n o un valore unico per l ' e n e l g i a E~ = = 0,725 • 0,100; con uric specia!,e s p e t t r o g r a f o m a g n e t i c o ~ focalizzazione semicircolare ])ZEL:EPOW e coll. (9) t r o v a n o 1,35 =~ 0,05 MeV; in c a m e r a di Wilson, FRAI~CHETTI e GIOVA~NOZZI (lo) o t t e n g o n o u n ' e n e r g i a m a s s i m a di 1,7 MeV, con un a n d a m e n t o che s e m b r a t u t t a v i a e o n f e r m a r e l'esistenza di due b a n d e , con valori pifl p r o b a b i l i dell'energia fro 0,3 e 0,4 MeW la p r i m a , fra 0,5 e 0,7 la seconda. Osservazioni pifl recenti con m e t o d i d ' a s s o r b i m e n t o port a n o a valori pifl elevati, da 1,41 ~ 0,02 (1~) a 1,9 =L 0,2 MeV (~2). 6. - Non m i n o r e incertezza r e g n a t u t t o r a circa i valori deWenergia dei q u a n t i y del K ~~ T u t t i concordano n e l l ' a m m e t t e r e , in m a n c a nza di indicazioni in contrario, che si t r a t t i d i u n a radiazione m o n o c r o m a t i c a . Ma se dalle sue osservazioni del 1931 BEHOU~EK (13) era p o r t a t o ad a t t r i b u i r e a d e s s a

(6) D. BOCCIAR]~LLI: Rend. Line., 7, 830 (1933). (7) G. H]~vEsY, M. PAHL e R. HOSEMANN: Nat., 134, 377 (1934). (s) L . c.

(9) D. (lo) S. (11) 0. (12) L. (13) F.

DZ]~L]~POW, M. KoPJov-~ e E. VOI~OBJOV: Phys. Rev., 69, 538 (1946). FRA~CHE~rTI e M. GIOVANNOZZI:Rend. Zinc., 1, 1078 (1946). HIRZ]~L e H. W~FL~R: H.P.A., 19, 216 (1946). B. BORST e J. J. FLOYD: Phys. Rev., 74, 989 (1D48). BEI~OUN~:: Zs. J. Phys., 69, 655 (1931).

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u n ' e n e r g i a di 0,9 MeV, quelle successive di GRAY e TARRANT (14) i n d i c a v a n o invece il v a l o r e di 2 MeV, m e n t r e quelle recentissime di GLEDI~SCI~ e GRAS (~s) e di MEYER e coll. (~6), s e m p r e b a s a t c sulla m i s u r a del coefficiente d'assorbim e n t o della radiazione "l, d a n n o r i s p e t t i v a m e n t e 1,55 ed 1,5 MeV. YIII~ZEL e WXFFLER (xT) infine, da m i s u r e d ' a s s o r b i m e n t o deg]i elettroni C o m p t o n gener a t i in A1, d e s u m o n o un v a l o r e di 1,54 =L 0,1 MeV. I1 nostro valore di 1,45 d- 0,15 MeV, o t t e n u t o per via c o m p l e t a m e n t e indip e n d e n t e , si accorda bene con qaesti valori pifi recenti. I1 valore di 2,24 + 0,15 MeV, indicato dalle nostre misure come limite superiore dell'energia quantica nel eomplesso spettro del l~a B + C, si accorda molto bene d ' a l t r o n d e col valorc 2,2]9 o t t e n u t o da ELLIS e ASTO~ (~s) come energia inassima delle radiazioni rivclabili collo s p e t t r o g r a f o magnetieo semicircolare, a t t r a v e r s o gli elettroni liberati per effetto fotoclettrico nel P t . I1 nostro m e t o d o non si p r e s t a n a t u r a l m e n t e ad analizzare la s t r u t t u r a dello s p e t t r o stesso, eomposto di m o l t e righe poco discoste. 7. - R i t e n i a m o dunque di p o t e r coneludere the l'applicazione dello spettrografo di OOCmALI~I a m i s u r e di raggi 7 ~ possibile, e offre dei dccisi v a n t a g g i p e r lo studio dcgli spettri deboli, per eui non si conosccva sinora altro mezzo che le misllre d ' a s s o r b i m e n t o . L a superiorit~ di esso sugli altri tipi di spettrograft m a g n e t i c i dal p u n t o di v i s t a della sensibilit~ si c o m p r e n d e in quanto, con u n ' a p e r t u r a utile dello stcsso ordine di grandezza, utilizza u n ' a r e a della sorgente che pub essere centinaia di volte pifl gr~nde. Nell'applicazione agli s p e t t r i y senlplici, a t t r a v c r s o cffetto fotoelettrico nel radiatore, si ha poi il v a n t a g g i o di a v e r e uno o pochi valori definiti dell'energia elettronica, in luogo della successione c o n t i n u a a intensit~ decrcseente verso il limite superiore caratteristica degli spettri ~, ehe pub rendere t a l v o l t a incerta la dcterminazione del liniite stesso. Le esperienze descritte h a n n o c a r a t t e r e p r e l i m i n a r e : esse a v e v a n o lo scopo di p r o c u r a r e elementi per lo studio di un dispositivo piil razionale che ~ ora in preparazione. (14) L. H. GRAY e T. P. TARRANT: P~'oc. Roy. Sot., 143, 681 (1934). (1~) E. GLEI)ITSCH e T. G~AF: Phys. Rev., 72, 640 (1947). (16) H. A. M]~Y~R, G. SCHWACHHEIM e M. D. SOUZA SANTOS: An. Ac. Bras., 19, 189 (1947). (17) L . c.

(is) E. RUTHERFORD, J. CHADWICK e C. D. ELLIS: Radiation ]rom radioactive s~bstances (ed. 1930), p. 507.

SUMMARY The circular magnetic spectrograph introduced by G. 0CCIIIALINI for the investigation of ~-ray spectra with very low intensity (described in .~at., 128, 374 (1931), by 1). BOCCIARELLI) can be also applied to 7-ray spectra. This possibility is discussed, and proved by preliminary experiments on the y-rays of K 4~ and Ra B + C , which are described here. As a secondary radiator Pb (photoelectric effect) and A1 (Compton effect) have been used. The metod is expected to be particularly useful for extended radioactive sources of low intensity. Preliminary experiments on ~-rays from K 4~ are also reported.