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L’effet Raman dans les gaz à la pression atmosphérique.
III
J. Cabannes, A. Rousset
To cite this version:
L’EFFET RAMAN DANS LES GAZ A LA PRESSION
ATMOSPHÉRIQUE.
IIIPar J. CABANNES,
Faculté des Sciences de Paris et A. ROUSSET,
Faculté des Sciences de Bordeaux.
7. Résultats. - Nous
avons étudié 8 gaz usuels : 5 à molécules
diatomiques (N2,
0,,
CO, NO,
H2)
et 3 à molécules
polyatomiques (C02, N,O, NH3).
Laplupart
de ces gaz sont couramment vendussous
pression
dans le commerce, nous n’avonspréparé
nous-mêmes,
aulaboratoire,
quel’oxyde
de carboneet
l’oxyde
azotique;
lepremier,
par action de l’acidesulfurique
concentré sur l’acideformique;
lesecond,
par l’action d’une solution de sulfate ferreux sur
l’acide
azotique.
Cesprocédés
sontclassiques.
Dans tous les cas, le gaz à étudier est d’abord recueilli dans ungazomètre à
eau sous lapression
atmo-sphérique.
Il est ensuite introduit au moment voulu dans lecylindre-laboratoire préalablement
vidé. Avant depénétrer
dans lecylindre,
le gaz traverse des tubes desséchants(qui
diffèrent suivant le gaz àdessécher)
et un filtre de coton tassé.Le tableau suivant contient l’essentiel de nos
résultats
quantitatifs :
-.Po
désigne
ici le facteur dedépolarisation
relatif à la brancheQ
de la bande Raman defréquence
1,);
pdésigne
le facteur dedépolarisation
mesurée pour l’ensemble des branchesP,
Q,
R.Nous discuterons et nous
compléterons
ces résul-tats dans lesparagraphes qui
vont suivre.8. Azote et
oxygène. -
Pour obtenir les bandes Raman de l’azote et del’oxygène,
il suffit deremplir
d’air lerécipient
et de poser une dizaine d’heures. Sur lecliché,
on observe deux fois la bande 2331 cm-l de l’azote(excitée
par i.4o4?
et4358)
et une foisla bande
r 554
cm-’ del’oxygène (excitée
par~. 4358).
Leslongueurs
d’onde de ces bandes sont4468, 4851
et
4675
À-Nous avons fait de nombreuses mesures sur chacun des deux gaz
pris
à lapression
atmosphérique.
Nousavons obtenu : Pour l’azote ,
Pour
l’oxygène
Les deux valeurs du facteur de
dépolarisation
diffèrent d’unequantité
nettementsupérieure
aux erreursd’expérience,
mais toutes les deux sont voisines de o, zo. On est loin de la valeurprévue
par la théorie
trop
simpliste
que nous avonsexposée
au début de notrearticle,
c’est-à-dire0,73
pourl’azote et o,66 pour
l’oxygène.
D’ailleurs,
cette théorie faisaitprévoir,
de l’azote àl’oxygène,
unevariation du facteur de
dépolarisation
de la bande Raman en sens inverse de celle du facteur dedépola-risation de la bande
Rayleigh.
Or,
l’expérience
montre que le facteur dedépolarisation
de la bandeRaman,
comme celui de la bandeRayleigh,
augmente
lorsqu’on
passe de l’azote àl’oxygène.
Les
propriétés optiques
d’une moléculediatomique
ont lasymétrie
d’unellipsoïde
de révolution.Soient g
etg’
les réfractivitésprincipales,
perpen-diculaire etparallèle
auplan équatorial.
Ladépo-larisation de la bande
Rayleigh
a pourexpression
où
représente l’anisotropie
de la molécule.La
dépolarisation
de la bande Raman de vibra-tion a la mêmeexpression
avec
où a
représente
la distance variable des noyaux. Si la réfractivité g ne variait pas avec la distanceinternucléaire,
on observerait la valeur p, == 0,22qui
n’est pas trèséloignée
des valeursexpérimentales.
211
Pour
justifier
cette invariance de g, supposons les deux noyaux etA2
et l’ensemble des électrons de valence E liés à troispositions d’équilibre,
commele montre la
figure
11.Lorsqu’un
champ
électrique
parallèle
àA1A2
adéplacé
les électronsE,
la forceélastique qui
tend à les ramener àégale
distance desdeux noyaux ne
dépend
pas de la distance a tant que leurdéplacement
restepetit.
La vibration des noyaux dans la molécule ne fait donc pas varier laréfractivité
g.Fig. l 1.
Nous
reproduisons
icil’enregistrement
d’un denos clichés de
l’azote,
obtenu avec une pose de24
hsur la vibration d’intensité I et une pose de
48
hsur la vibration d’intensité
12).
Fig.12.
9.
Oxyde
de carbone. ~- Le gaz que nous avonspréparé
n’était pasrigoureusement
pur. Il restaitun peu d’azote caractérisé par la bande 233~. Nous
avons pu ainsi constater immédiatement que la
dépolarisation
de la bande Raman dansl’oxyde
de carbone estsupérieure
à celle de la bande Raman dans l’azote. Les mesures, faites sur la bande Ramande CO excitée
par 1,
~3~8,
ont donnéAv = 21~4 dr 2 cm-1,
p = o,2g.
La valeur de dv coïncide avec celle
qu’on
tire desspectres
de bande pour le niveau normal11:,
c’est-à-dire2wexe= 2168,89 - 26,o6 = 2i4?-,33.
Dans le
spectre Raman,
Amaldi avait obtenu2 IQ5
cm-’ et Rasetti 2155 cm-’.Comme l’a
remarqué
Kohlrausch,
unefréquence
voisine de 2 108 cm-1
indique
deux atomestriplement
liés. Nous pouvons donc schématiser de la manière suivante la structure
électronique
des atomes et de la moléculeDans ce
schéma,
nous avons omis les électrons i spour
simplifier
et nous avonsdistingué
les deux directionspossibles
duspin
par un trait soitau-dessus,
soit au-dessous du
symbole
de l’électron. On voit immédiatement l’union des deux électrons 2 poet 2 Po pour donner dans la molécule un groupe
fermé (72 et l’union des deux électrons 2 p- et 2
p-pour donner le groupe n2.
-Cette structure
rappelle
celle de la molécule N2(lY)
obtenue àpartir
de deux atomes N à l’état normal(18)
Les deux électrons
T’T
de la molécule CO relient les atomes C et 0 comme s’ilsprovenaient
d’uncouplage
entre l’électron 2 p, d’un ion C- et l’élec-tron 2 p+ d’un ion0~,
les structuresélectroniques
de ces ions étantcomparables
à celle de l’atome neutre normal NCependant,
la différence observée entre les facteurs dedépolarisation
o,ig et 0,29 dans et dans COne
permet
pas d’identifiercomplètement
les struc-tures de ces deux molécules. Sansdoute,
faut-iltenir
compte
de ce que les deux noyaux sontiden-tiques
dans un cas, différents dans l’autre.Chacun sait que les bandes Raman des groupe-ments CO dans les molécules
organiques
n’ont ni la mêmefréquence,
ni la mêmedépolarisa-tion que la bande de
l’oxyde
de carbone. Le carbone etl’oxygène
douhlement liés des cétones donnent Av =I ~08
cm-’;
desaldéhydes,
1 7 1 5 ;
le facteur dedépolarisation
est voisin de o,38. Lasimple
liaison C-0 de l’alcoolméthylique
donne Ij -1034
et p = 0,60. Fait trèsremarquable :
1710 est la
fréquence
de vibration de la molécule CO aupremier
niveau excité 311. Les
spectres
de bandes donnant,en
effet,
pour ce niveauNous pouvons aussi chercher à identifier le groupe-ment CO de l’alcool
méthylique
CH3 OH
avec undes états excités de la molécule CO. Nous trouvons,
vibration .1,.j = Sans
changer
les forces deliaison,
remplaçons
la masse de l’atome C par celle dugroupement
CH3,
la masse de l’atome 0 par cellede
l’oxhydrile
OH. I,afréquence
1 I6G
devient 1068. Elle est voisine de lafréquence
io6fj
du groupe-ment CO dans l’alcoolméthylique.
Nous sommes donc naturellement conduits à
rapprocher
la structureélectronique
du groupe-ment C = 0 des moléculesorganiques
de celle du niveau excité 3H de la moléculed’oxyde
de carbone et la structure dugroupement
C-0(H)
de celle du niveau excité 3.! de cette même molécule.Ainsi,
lorsque
la molécule CO passe du niveau 1~au niveau
3II,
lechangement
dans laconfiguration
électronique
peut
êtrereprésenté
par,
Il
n’y
aplus qu’une
double liaison comme dans legroupement
C = 0 des cétones et desaldéhydes.
Le passage au niveau 3_Ypeut
êtrereprésenté
parIl
n’y
aplus
qu’une simple
liaison comme dans legroupement ¿
(C-0)-H
des alcools.10.
Oxyde azotique.
- En éclairantce gaz avec la radiation î,
~.3~8,
on obtient une bande Raman dont lafréquence
est d v =1876
cm-1 et ladépolarisation 1.
=o,30.
Cette bande est observée pour lapremière
fois. Lafréquence
coïncide,
dans les limites deprécision
de nos mesures, avec lafréquence
de vibration de la molécule NO à l’état normal 2IIqu’on
tire desspectres
de bandesLa
fréquence
n 876
estcomprise
entre cellesde C = 0 et de C = o comme si
l’on avait affaire à une liaison
intermédiaire.
Bien que les structures et 21I des molécules CO et NO soient
différentes,
leur facteur dedépolari-sation est sensiblement le même. Au
contraire,
la moléculeN2, qui
a la même structure 1 s que lamolécule
CO,
avait unedépolarisation
nettementplus
faible( fig. 13).
Ce résultatparaît
confirmer le rôle quejoue
l’identité des noyaux dans la diffusion de la lumière par une moléculediatomique.
Le niveau normal de la molécule NO étant double
et
2nt),
il fallait s’attendre àobserver,
depart
et d’autre de la bande diffusée sanschangement
de
fréquence
Fig. 1 3.
deux satellites
correspondant
aux transitionsavec
Fig. r 4.
213
n’apparaîtraient
pas les satellitescorrespondant
à un doublechangement
dans la vibration des noyaux et laconfiguration
électro-nique.
La faibledispersion
de notrespectrographe
ne nous a pas
permis
deséparer
les troiscomposantes,
mais les deux satellites sont
indiquées
sur lesenre-gistrements
aumicrophotomètre
par un renflementnettement visible vers i oo cm-1 de
part
et d’autrede la raiè centrale
(fig,
Si l’onremplit
leréci-pient
d’unmélange
d’azote etd’oxyde azotique,
de manière à avoir les deux raies Raman 213 3
(N2)
et 1876
(NO,)
l’uneprès
del’autre,
la difiérence des structures saute aux yeux. Il est difficile d’évalueravec
précision
la distance entre la raie centrale et les deuxsatellites;
nous avons mesuré ± Io; cm-1environ.
11.
Oxyde
àzoteux
et gazcarbonique.
--Une molécule XY2
peut
seprésenter
sous lesquatre
formes :
angulaire symétrique,
linéairesymétrique,
linéairedissymétrique
etangulaire
dissymétrique.
Lesfréquences
fondamentales ont les caractères suivantsOr,
nous avonsobservé,
dans lespectre
Raman del’oxyde
azoteux, deux bandesseulement,
et toutes deuxpolarisées
(fig. 15).
Lesfréquences
et les facteurs dedépolarisation
sont : -.Ces deux bandes ont été excitées par les radia-tions
4047
et4358
~,.On voit immédiatement que le modèle linéaire
symétrique
est àrejeter.
D’ailleurs,
l’ordre de gran-deur desfréquences
montrequ’il s’agit,
dans les deux cas, d’oscillations devalence;
lafréquence
~~3 de l’oscillation de déformation serait voisine de 600 cm-’. On a donc bien affaire auxfréquences
v 1 et V2 et,comme les deux bandes Raman sont
polarisées,
le modèleangulaire symétrique
doit êtrerejeté
lui aussi. Nous avons donc une moléculedissymétrique.
Pour choisir entre les deux derniers modèles, il faudrait avoir la bande Va et mesurer son facteur
.
Fig. 15.
observées v1 et 1)2. Nous sommes ainsi
conduits,
par
éliminations,
au modèle linéairedissymétrique
où lafréquence
v3 nepeut
donnerqu’une
bande trèsfaible.
Soient n, et rt2 les
fréquences
d’oscillation dessystèmes
diatomiques
NO et NN. Lesfréquences
decouplage
1)1et 1)2
dans la molécule linéaire NNO"
sont données par
l’équation
dans
laquelle
1B1 est la masseatomique
del’oxygène
et m celle de l’azote.Inversement,
àpartir
desfré-quences
expérimentales ’)1
=I28g et ’)2
= 2222 cm-1nous pouvons calculer n, et n2 par
l’équation
Cette
équation
n’a pas de racinesréelles,
mais onn’est pas loin de la racine double n, =
n2 = I 8I 6 cm-x. Parmi les
fréquences
de vibration de la molé-culeNO,
laplus
voisine de cette valeur est lafréquence
1877
du niveau normal X(2II);
la
fréquence
de la molécule
N2la
plus
voisine est lafréquence
du niveau excité B(3II).
Si nous posons, dansl’équa-tion
(1),
1877
et n2 =iyo4
cm-1,
noustrou-vons, pour les
fréquences
de la molécule v1= 1220et v2
=22I2, ce
qui
n’est pastrop
mauvais.Dans la molécule normale
N20,
les atomes d’azote etd’oxygène
seraient donc liés entre eux comme ils lesont dans la molécule
d’oxyde azotique
X(2Il).
On trouve une confirmation de ce résultat en calculant la distance entre les noyaux extrêmes de la molécule linéaire NNO àpartir
des distances NN et NO que donnent lesspectres
de bandes pour les différents niveauxénergétiques
des moléculesN2
et NO. Les résultats sont contenus dans le tableauOr,
le moment d’inertie de la moléculeN20
a ététrouvé
égal
à 66,o x IO-4~ c.g.s., d’où lalongueur
de la chaîneNNO;
elle est voisine de 2,38 A. Les deuxpossibilités
sontN2
(A)
et NO(A)
ouN2
(B)
et NO(X).
D’après
ce que nous savons sur lesfréquences,
la seconde est seule à retenir. Les distance s internucléaires sont doncLes mêmes considérations
s’appliquent
à l’acideazothydrique.
Lespectre
Raman de celiquide
a étéétudié par
Engler
et Kohlrausch(Z. phys,
Chem.,
Ig36,
34,
21 ).
Il se compose de deuxbandes, 1J1 == 1300
et v2 -
~38g cm-1,
qui correspondent
aux bandes1289
et 2222 cm-1 de la molécule Nous en conclurons que, dans la molécule
N3H,
les trois atomes d’azote sont enligne
droite et que les liaisons de l’atome central avec chacun des atomes extrêmes sontdiffé-rentes. Si nous calcalons les
fréquences
de vibrationde chacun des deux
groupements
N-Npris
isolémentau moyen de
l’équation (2),
nous obtenonset
La
première
est voisine de lafréquence
de vibration de la molécule normaleN2
et laseconde,
voisine de lafréquence
de la molécule d’azote au niveauB(3D).
La formule de l’acide
azothydrique
doit donc s’écrireNous avons étudié nous-mêmes, d’autre
part,
unesolution
décinormale d’acideazothydrique
dansl’eau,
pensant
y retrouver lesfréquences
précé-dentes. Mais les deux bandes que nous avons obser-vées
et
diffèrent notablement de celles du
liquide
pur.La molécule
C02,
linéaire etsymétrique,
peut
êtrereprésentée
par le schéma 0 = C = 0. Lesfréquences
des trois vibrations fondamentales sontLa vibration vi est seule active dans la diffusion de la lumière. On
n’observe,
eneffet,
qu’une
bande Raman.Mais cette bande est dédoublée en
I285,8-I388, ~
et Fermi a
expliqué quantitativement
ce dédouble-ment par uncouplage
entre la vibrationfondamen-tale il
et la vibration du second ordre 2 v3.La
dépolarisation
de la bande Raman du gazcarbonique
a été successivement étudiée parBhaga-vantam et par
Langseth.
Lepremier
auteur donne v = o,20 ; le second est arrivé à observerséparément
lescomposantes
1286et ~ 38g
auxquelles
il attribue les intensités o,6 et 1,0 et lesdépolari-sations
o,18
et0,14.
La faibledispersion
de nosspectrographes
ne nous a paspermis
d’aller si loin. Dans notrepremière
communication à l’Acadé-mie desSciences,
nous avions écrit p =o, i g8
-~- o,010enregis-215
trements, la raie 1286 est à la fois la
plus
intense etla.
plus dépolarisée.
Ces mesures avaient été faites avecl’objectif
deRayton.
Des mesuresplus
récentes, avecl’objectif
deCojan,
ont donné p =o,2r. Ces
deux valeurs s’accordent bien.
Une difficulté
d’interprétation
de nos mesuresprovient
de la variationapparente
de p
avec lalargeur
de la fente duspec-trographe.
Si la fente étaitassez
fine,
on mesureraituni-quement
le facteur dedépo-larisation de la branche centrale
Q
dans la bande de vibration et la mesureaurait un sens
précis.
Mais l’éclairement de laplaque
sensible est alorstrop
faible. Nous avons donc utilisé unefente de
largeur
suffisant pour mesurer ladépolari-sation relative à l’ensemble des branches
P,
Q,
R. L’en-F" 6 ~’ ’ ’ °registrement
du doublet12 8 6- 13 8 9
avait l’allureindi-quée
sur lafigure
16. Nousavons
trouvé,
au centre C de lacomposante
laplus
intense,
p = 0,21; entre les deuxcomposantes, o est
voisin de o, 5.Si nous admettons que
Langseth,
avec unappareil
plus
dispersif
que lenôtre,
a mesuré ladépolarisa-tion de la branche
Q,
nous pouvons chercher àrendre son résultat
comparable
au nôtre enpassant
par la formule .
établie
plus
loin.Si l’on fait P o ~
o, I 4,
cette formule donnep = o, 3 8.
MaisLangseth
a sans doutesuperposé
à la brancheQ
une
partie
des branches P et R. Dans cescondi-tions,
p est inférieur ào,38. Inversement,
si dansnos mesures, les
images
rectangulaires
données par chacune des raies de l’ensembleP,
Q,
R n’avaient pas unepartie
commune, lavaleur p
== seraittrop
faible. Mais, en tout cas, p est certainementcompris
entre o,z eto,4.
Le résultatpermet
déjà
d’infirmer la théorie élémentaire
qui
donnait o,5i. Mais nous pensons que ladépolarisation
de l’ensembledes branches
P,
Q,
R de la bande1389
est très voisine de la valeur p - 0, 2 I i que nous avonsobtenue.
Quant
à ladépolarisation
de la compo-sante 1286, il nous a étéimpossible
de la mesurer,mais nos clichés les
plus
récents montrent que cettebande est moins
polarisée
que la bande1389,
commel’avait vu
Langseth
et contrairement à nospremières
observations.
12.
Hydrogène. - L’objectif
deRayton
donneen i o min les
quatre
raies lesplus
intenses duspectre
del’hydrogène,
c’est-à-dire la raie de rota-tion =587
cm-1 del’orthohydrogène,
excitée par et4358;
la raie de rotation w -3 5Q cm-1
duparahydrogène
excitéepar a
4047
et la raie de vibration w ==4156
cm-1 excitéepar À
3650.L’objectif
Cojan,
moinslumineux,
aexigé
des posesplus
longues,
mais lesimages
sont meilleures. Nousreproduisons
ici un desspectres
del’hydrogène
obtenu avec cetobjectif
(fig. 17) :
sur le clichéoriginal,
la distance entre les raies4078
et4916
Á est inférieure à 3 mm. Les mesures dedépolari-sation ont
exigé
destemps
de pose allant de 6 à24
h.Fig. 1 1. ,
Nous avons pu observer et étudier les raies suivantes :
Sans chercher à mesurer de nouveau les
fréquences
de ces raies
qui
avaient étédéjà
déterminées avecsoin par
Rasetti,
nous nous sommes bornés à l’étudedu facteur de
dépolarisation.
Les raies de rotation sontdépolarisées (o
=0,86).
La brancheQ
de labande
de vibration est fortementpolarisée;
nous avons trouvé p = Pour rendre ce résultatbande de vibration. Ces
dépolarisations
sont liées par la formule-que l’on tire
facilement,
dans le cas des moléculesdiatomiques,
de la théorieproposée
autrefois par l’un de nous en collaboration avec Y. Rocard.Soit une molécule
diatomique
dont les noyauxoscillent l’un par
rapport
à l’autre avec lafréquence
n2;supposons que la molécule tourne en outre autour d’un axe
perpendiculaire
à laligne
des noyaux avecla
fréquence
nl.Désignons
par n, le nombre demolécules par centimètre
cube,
par 6
l’anisotropie
j2
optique
de lamolécule,
par1
el
le carré moyen de la variation de la distance internucléaire r,par N et ~. la
fréquence
et lalongueur
d’onde de la radiation incidente. Posons enfinDans la bande Raman de
vibration,
les intensités lumineuses I et i sont données par le tableau suivant :Branche Q :
Branche P :
Branche R :
(u
et r sont deux coefficientsqui dépendent
de la structure de lamolécule).
d’où la formule
(3).
Le facteur de
dépolarisation
de la bande de vibra-tion de la moléculeH2
est donc p = o,16.13. Ammoniac. - Ce gaz nous a donné un
résultat inattendu. On sait que le modèle
pyramidal,
admis pour la moléculeNH3,
nepeut
émettre que deux raies Raman auvoisinage
de 330ocm-1,
l’une
polarisée,
l’autredépolarisée.
Or,
nous avonsobservé dans l’ammoniac gazeux, non seulement la forte raie
polarisée
3335 et la raiedépolarisée
3520,
mais encore la faible raie3 21 g
observée en 3210dans l’ammoniac
liquéfié
et en3237
dans la solutionaqueuse.
Voici le tableau
comparatif
des mesures faitesdans notre
laboratoire,
sur le gaz et la solution aqueuse, avec les résultats obtenus parDaure,
Kastler et
Berry
sur l’ammoniacliquéfié
et ceuxde Sutherland sur le solide à -
I go" C. Aux raies de l’ammoniac
liquide
que nous donnons dans cetableau,
il fautajouter
la faible raie346o
cm-1 découverte par Costeanu.Dans la solution aqueuse, la mesure de la
dépola-risation de la raie
35og
cm-1(excitée
par 2,
4047)
estpeut-être
faussée par levoisinage
de la raiepolarisée
331 ~ cm-1(excitée
par "’A
4078).
Il sepeut
que la raie
35og
soitdépolarisée.
Dans le gaz, nous avons
mesuré,
pour la raie3335,
le facteur de
dépolarisation
po =0, I 2 ~
(moyenne
entre la valeur
o,Io3
observée sur la raie excitéepar
365o et la valeuro,i46
observée sur la raieexcitée
par ).
D’ailleurs,
étant donnée lagrande
dispersion
des raies de rotation dans unemolécule à faible moment d’inertie comme
NH3,
nous avons admis que le facteur mesuré po étaitrelatif à la seule branche
Q.
Pour rendre tous nosrésultats
comparables,
nous devons passer de ladépolarisation
po à ladépolarisation
p relative à l’ensemble des branchesP,
Q,
R de la bandeRaman,
par la formule