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HAL Id: jpa-00242640

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00242640

Submitted on 1 Jan 1914

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Sur l’excitation séparée des raies D du sodium par résonance optique

R.W. Wood, L. Dunoyer

To cite this version:

R.W. Wood, L. Dunoyer. Sur l’excitation séparée des raies D du sodium par résonance optique.

Radium (Paris), 1914, 11 (4), pp.119-123. �10.1051/radium:01914001104011900�. �jpa-00242640�

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Sur l’excitation séparée des raies D

du sodium par résonance optique

Par R. W. WOOD et L. DUNOYER [Laboratoire de M. BOUTY. à la Sorbonne.]

Les expériences de l’un de nous sur l’excitation des vapeurs métalliques par des radiations mono-

chromatiques ont montré que les centres d’émission de nombreuses raies spectrales sont probablemcnt assujettis à quelque mode de connexion d’ordre

mécanique ou électrique. Par exemple, dans l’exci- tation de la vapeur de mercure par le rayonnement

de l’étincel!e entre électrodes de cadmium, on a

constaté que cette vapeur émet la ligne ultra-violette de longueur d’onde 2556 quand la lumière qu’elle reçoit a une longueur d’onde inférieure à 2000, c’cst- à-dire plus petite qu’aucune de celles qui fut a cette époque inscrite dans les tables. Dans les spectres de

résonance de la vapeur de sodium et de la vapeur d’iode, nous avons d’innombrables exemples de lignes

associées qui manifestent simultanément leur exis- tence quand la vapeur est excitée par de la lumière

correspondant à une fréqucnce égale à celle de l’une d’entre elles.

Dans un mémoire sur la radiation de résonance de la vapeur de sodium publié par l’un de nous en

1903 1, il a été démontré que cette vapeur, contenue dans un tube de verre préalablement vidé, émettait

le rayonnement caractérisé par les raies D quand l’image d’une flamme sodée était formée au sein de cette vapeur au moyen d’une grande lentille conver- gente ; un cône de lumière jaune marquait le trajet

des rayons excitateurs à travers la vapeur. Lorsqu’on augmentait suffisamment la densité de la YJ peur, la luminosité se réduisait à une couche lince de lumière jaune qui recouvrait la paroi intérieure du

tube, manifestant l’impossibilité pour les radiations e;cilatrices de pénétrer bien avant dans la vapeur.

Des phénomènes tout à fait semblables ont été dé

celés, depuis, par la photographie, dans le ca, de la

sapeur de mercure à la température ordinaire, cette

vapeur étant contenue dans une arnpoule de quart et

soumise à l’excitation de la raie 2536 du mer- cnre 2.

Dans le mémoire en question sur la résonance de la vapeur de sUdtlllll, on suggerait qu’une experience particulièrement interessante consisterait :1 exciter la vapeur par la lumière emise dan, 1 une des rais D

1. WOOD. Jj/u/. Maq. nov 1903.

2. WOOD Phys 1912

seulement, à l’exclusion de l’autre, et u examiner la lumière émise par résonance avec un spectrost ope :

on pourrait de cette manière savoir si les deux centres d’émission peuvent être séparément mis en mouve-

Inent.

De récents perfectionnements apportés par l’un de nous 1 â la manière de faire l’expérience permettent

d obtenir une résonance beaucoup plus brillante, et rendent possibles des observations prolongées sur une période de dix ou quinze heures avec le même ballon,

tandis qu’avec la première méthode l’expérience

devrait prendre fin au bout de trois ou quatre

minutes. Grâce à ces periectionneinenis, il est donc

devenu possible de tenter l’expérience qui vient d’être rappelée sur l’excitation séparéc des centres d’émis-

sion.

Le dispositif employé pour supprimer la lumière

de Dt ou de D2 dans le faisceau excitateur a été récemment décrit par l’un de nous’2; c’est un per- fectionnenlent d’une méthode employée dans bien

des recherches antérieures depuis Fizeau et Foucault.

Elle repose sur les phénomènes de polarisation et

peut ètre brièvement décrite comme il suit.

Si de la lumière monochromatique polarisée reeti- lignement traverse une plaque d’un cristal biréfrin- gent quelconque taillé de telle sorte que l’axe fasse

un angle de 45° avec la direction de vibration, elle se

trouvera u l’emergence polarisée rectilignement et parallèlement ;1 w direction première pour certaines

épaisseurs déterminées du cristal, et polarisée rectili-

gnement mais à angle droit de sa direction première

pour d’autre épaisseurs. Pour les épaisseurs inter-

médiaires. elle sera elliptiquement ou circulairement

polarisée.

Lorsqu’on emploie une plaque de qiartz de

32 mm. d’épaisseur les ondes

-

raie

Di et D2 du sodium sont polarisées un moment à

angle droit l’une de l’autr’’ et l’une ou l’autre d’entre elles peut être supprimée pal’ un nicol convenable

luent orienté. Si la lumière utilisée est de la lumière Hanclie et qu’on l’analyse ensuite avec un spectro-

scope. nll verra L’ spertre sillonné de handes noires tranversales telles que la distance entre un’’ bande

1 1 selon ,BII un Journal ,l, physique. janvier 1914.

2 BB que Phil Maq., mars !"tt.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:01914001104011900

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120

brillante l’t unc bande ohscurc soit de 6 angstroms

environ dans la région du jaune, c’est-à-dire la dis-

tance même des raies D.

Comme il est nécessaire d’employer un grand

condenseur et de travailler avec des cônes lumineux très divergents et convergents, on est conduit à

prendre un bloc de quartz de grandes dimensions, placé entre les deux moitiés du condenseur de nlanière que les ra%oiis le traversent parallèlement.

Sinon, des faisceaux dit1ërents traverseraient le bloc de quartz sous des épaisseurs différentes et auraient des états de polarisation différents. De plus la moitié

de la lumière est tout d’abord perdue par le nicol

p3lariseur. On a pu surmonter la difficulté en

employante au lieu d’un nicol, un grand prisme biré- fringent et en analysant ensuite la lumière au moyen d’un autre prisme semblable. De la sorte, pour une orientation convenable des prismes, les deux images

fournies par la radiation D2 seule étaient superposées,

tandis que les deux images fournies par la radiation

D, (chacune d’intensité deux fois moindre) étaient rejetées l’une à droitc et l’autre à gauche. Gràce à

cet artifice, l’image éclairée par D2 a son intensité maxima, aux pertes près quc la réflexion fait subir à la lumière sur les six surfaces transparentes des prismes et du bloc de quartz.

l,e bloc de quartz dont nous nous sommes servis avait été taillé par lI. Bertin’ dans un beau cristal de quartz du Brésil que l’on avait préalablement exa-

miné o la lumière du sodium entre nicols croisés pour s’assurer de l’absence d’irrégularités d,ins la cristal- lisation. Le bloc fioi mesurait 85 lllmX60 mmX 52 Inlll et nous a donné d’excellents résultats.

La figure 1 montre 11 disposition adoptée. Le

Fig, 1.

prislnc à double image A est oriente de manière que les directions de vibration des deux faisceaux trans- mis soient à 3e du plan vertical Le second prisme

;1 double image est orienté, en l’absence du bloc de

quartz, de manière à donner deux images de la

source séparées par un intervalle égal à la largeur de chacune d’elles. Chaque image est éclairée à la fois par les radiations D1 (-t D2. Si maintenant (1)) met en

place le bloc du quartz, entre lt’· deux du condenseur aplanétique déjà utilisé par l’un Je nous

1 13. quarz Saint-Michel à Paris.

pour l’étude de la résonance 1, toute la lumière de

1)., (par exemple) quitte les images déjà formées et se

concentre en une troisième image, unique, entre les positions occupées par les deux premières. C’est cette image que l’on utilise. Si l’on désire qu’elle soit

éclairée par la lumière de D1, il suffit de tourner le bloc de quartz d’un degré ou deux, de manière a

augmenter de la quantité voulue le trajet optique de

la lumière dans le quartz. En faisant tourner l’analy-

seur biréfringent l’image centrale se dédouble, et

l’on peut aisément faire le réglage exact de la posi-

tion de ce prisme en aoenant ce· deux images à la

coïncidence parfaite. Comme on l’a déjà fait remar-

quer, cette méthode évite la perte de 50 pour 100 de lumière qui se produirait avec des nicols. Comlne les prismes biréfringents avaient une ouverture beau-

coup plus faible que le bloc de quartz, ils étaient

placés à mi-distance entre les lentilles du condenseur

et l’image d’une part, la source de l’autre, comme la figure l’indique. Toutefois cet artifice ne permet-

trait pas d’employer des prismes biréfringents de

trop faible ouverture placés tout près de l’image et

de la source car la séparation des images ne serait

pas su fusante.

La source de lumière était un brûleur Meker dont l’alimentation en air se faisait au moyen d’un courant

qui traversait un pulvérisateur et s’y chargeait de gouttelettes liquides fournies par une solution très étendue de chlorure de sodium (solution saturée

diluée dans 1000 parties d’eau). Le hrîcleur était

entouré d’une cheminée métallique avec fenêtre mesu-

rant 25 mm de hauteur sur 5 mm de largeur; ces

dimensions étaient celles qui donnaient les meilleurs résultats avec les prismes polarisants employés. Les

trois images de cette fenêtre, images dont les deux latéralcs étaient deux fois moins brillantes que

l’image centrale, étaient formées sur la paroi del’am- poule ontenant le

sodium. Cette anl-

poule était ellc,- même installée dans le courant de gaz chauds qui

s’élevait d’un gros tube de terre ré- fraclaire au bas

duquel hrûlait un

bec Meker. On avait

préalablement re-

convert la paroi de Fig. 2.

l’ampoule d’un dé-

pôt de magnésie, en la tenant au-dessus d’un ruban de magnésium ennamme. Le dépôt avait ensuite été

soigneusement enlevé, à !’exceptton d’une zone rectan- gulaire et d une petite hande horizontale attenantr,

I. L. DUNOYER Journ. de Phys.

(4)

comme ! l’indique la figure 8. Ceci facilitait le réglage

du séparateur à polarisation et du spectroscopie. un appareil ii déviation constante Broca-l’ellin.

Pour faire ce réglage, on faisait tourner le ballon

de verre dans les boucles des fils métalliques qui en

maintenaient les pointes, jusqu’à ce que 1 image cen-

trale (formée de deux images superposées) tombât sur

la surf ace rectangulaire de magnésie: le collimateur du spectroscore était alors orienté vers cette surface éclairée, dont on formait une image nette sur la fente

au moyen d’un petit condenseur aplanétique du type déjà mentionné. Le spectre était alors examiné avec un oculaire. Si les deux raies D étaient visible, on

faisait tourner le bloc de quartz jusqu’à ce que l’une

ou l’autre eut entièrement disparu. Il prouvait arriver parfois que D, fut seule visible a l’extrémité supé-

rieure du champ, tandis que D1 et D2 étaieilt visibles l’une et l’autre à l’extrémité inférieure : cela prove- naient de ce que, en raison des dimensions finies de la source de lumière et de l’obliquité qui en résultait

pour certains rayons, le séparateur à polarisation

distribuait la lumière monochromatique en bandes anant quelque ressemblance avec des bandes d’inter- l’érence. Lorsque l’on faisait tourner lentelnent le bloc de quartz, ces bandes défilaient sur la surlacc de magnésie. Les bandes brillantes correspondaient

à D, et les bandes plus faibles à D1. Si les deux raies

D étaient d’égale intensité, ces bandes seraient d’ail- leurs invisibles.

Or si ces bandes ne sont pas parallèles au grand

côté du rectangle de magnésie et qu’elles le traver-

sent obliqucment, il est clair que l’éclaircment pourra être produit par D2 à une extrémité, par D, et D2 au milieu, et par D1 à l’autre extrémité. Il serait donc

possible, de cette manière, d’obtenir, avec une seule

pose, trois excitations séparées de types différents.

Mais cette méthode n’a pas été elnployée; en fait, le

bloc de quartz était réglé, par de légères inclinaison dans la dircction de la source on de l’image, de ma-

nière à rendre les bandes verticales et l’éclairement unifornle et du même type (D2 par exemple) sur

toute la longueur de la fente du spectroscopte. ()n

faisait alors tourner le ballon jusqu’à faire coïncider

le rectangle de magnésie avec l’une des images laté-

rales "(éclairée par D1). la hande étroite de magnésie

traversant alors l’iinage fournil’ par D2 Puis on ,dlll-

mait le brûleur placé au bas du four pour chaufler

l’ampoule, et des cluc la résonance superficielle avait

attcint sa pleine intensité, on commençait l’exposition.

Les plaques employées i Panchromatique Wratten

et Wainwright raient découpée en petits carries

assez grands pour couvrir l’ouverture du tube porte- oculaire du spectroscope ; ’’IK’s étaient maintenues en

place centre le Ilord d’’ cette ouBcrture au moven de deux épaisseurs d’etoffe noire et d’un élastique pour paquet. Ce dispositif permet une mise ttlt trè,

précise et confient parfaitement pour 1s spectros- copes qui n’ont pas de châssis porte-plaques.

Nous avons tout d’aurd fait usage d’un spectro- scope dont le collimateur et la lunette étaient munis

d’ohjcc’ifs Derogv pour la projection de, vues cinéma- t03Taphiques (ouverture t k environ, distance focale des objectifs, 170 mm.). Cet appareil, très lumineux,

nous avait été prêté par M. Dehierne. Muni d’un prisme

de 601 en uint, il ne permettait pas de réparer les

raies D, Mais avec un prisme de Rutherford. lluid’ail-

leurs n’utilisait pas toute 1 ouverture de 1 appareil et

une fente excessivement fine, la séparation pouvait juste être réalisée. La première photographie obtenue.

en excitant la résonance avec la lumière de D2, ne lais-

sait apercevoir aucune trace de D1. L exposition avait

été de trois heures. Dans une seconde tentative, avec

une exposition de cinq heures. une trace de DI est appa-

rue; mais l’examen de lu lumière excitatrice montra que cette radiation y était présente. Cela provenait,

comme on a pu le constater, de l’élévation de la tem-

pérature de la pièce (5°) pendant l’exposition. la pla-

qiie de quartz étant assez sensible aux changements

de température. Ces premiers clichés ont été faits

avant que l’on eût adopté ]*artifice de l’étroite bande horizontale de magnésie. Cet artifice s’est ensuite montré très avantageux, car il a permis d’obtenir un

contrôle et d’être assuré que pendant li durée totale

de l’exposition, les conditions initiales restaient inal- térées.

Finalement, nous avons substitué le grand spectre- graphe à déviation constante, dont nous almlls déjà dit un Inot, au petit ins-

trument, car celui- ci ne résolvait que loerl juste les raies

et il était souvent difficile, en exami

nant les clichés à ]a loupe. d’être

lout à fait sûr de

ce qui y était trace.

Avec cet instru ment, nous avons pu constater d’une

manière indubi- Fig. 3.

table que les cen-

tres d’émission de la raie Il peuvent être mis en

vibration sans que les centres d’émission de la raie

D1 le soient : en d’autres termes nous nous reussi a faire emettre à de la vapeur de soduim une

seule nt’s rn ¡cs D,

que montre la photo-raphie reproduire figure 3. La partie inférieure de la raie plus intense, correspond à l’etroite bande horizontal ja

ma néstlé.

Nous avons fait en autre de photo-raphie du

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122

spectre de la résonance excitée par les deux lignes du

sodium (les prismes polarisant... et le 1,loc de quartz

étant enlevés. En général, les deux lignes de réso-

nance avaient sur ces photographies la même intensité;

quelquefois cependant nI paraissait plus brillante que

D2. Nous avons constate que si L, quantité de sodium présente dans la ilainote est réduite an minimum

Fig. 4.

nécessaire, la raie D2 est plus intense que D, dans le spectre de résonance, comme cela est aussi toujours

le cas pour la flamme sodée elle-même. Mais si l’on excite lu vapeur par la lumière d’une flamme sodée brillante, on obtient une résonance dont le spectre fait apparaître D, avec plus d’intensité que D2, ce qui n’est

ia1nais le cas pour une flamme. Ceci provient de ce

que dans une flamme brillante D2 est plus ou moins

renversée et ne possède, par conséquent, qu’un pou- voir atténué pour provoquer la résonance, puisque la

Fig. j.

yapeur contenue dans l’ampoule ne réagit qu’aux

radiations formant lt- coeur même des lignes. Au con-

traire, D, est moins aisément renversée.

La fig. 4 reproduit une photographie des raies D

produites par une flamme trë· pauvre en sodiull1.

La raie D2 l’,t beaucoup plus intense que la raie Di.

Sur lt figure à on Boit les raiees D produites par la

résonance superficielle qui correspond à cette

flamme. La raie D= est également plus intense que la raie D1. Au contraire, on voit Fig. 6 les raies

émises par la résonance que provoque une flamme riche en sodium ; sur cette photographie la raie ni est

un peu plus intense que la raie D2.

Ce changement dans le rapport d’intensité des deux raies D émises par résonance conduit à de curieux résultats, qui n’ont pas été sans nous intri- guer tout d’abord.

On se souvient que l’image centrale fournie par le

séparateur à polarisation est la superposition de deux images, et que, par conséquent, toutes choses égales d’ailleurs, elle doit avoir une intensité double de celle des deux images adjacentes. Si c’est la radiation

D2, plus brillante dans la flamme que D1, qui est employée pour former l’image centrale, nous devrions

nous attendre à ce qu’elle soit plus de deux fois plus

brillante que les images latérales qui l’encadrent. Or,

nous avons observé que le rayonnement de résonance provenant de la partie centrale n’était souvent pas

Fig. 6.

plus brillant que celui que provoquaient les images latérales, illuminées par Dl’ Mais on constate que si l’on diminue de plus en plus la quantité de sodium présente dans la flamme excitatrice, les régions laté-

rales de résonance superficielle diminuent d’intensité tandis que la région centrale change à peine et finit

par aBoir un éclat à peu près double de celui des régions latérales. Ceci se comprend facilement d’après

ce qui a été dit plus llaut de l’intensité plus grande possédée par la ligne Dl dans le rayonnement de

résonance que provoque une flamme brillante.

Les photographies 7, 8, 9

-

font bien aper- revoir ce phénomène. La photographie 7 montre

les trois images formées par la lumière excita- trice sur lu paroi du ballon recouverte ’de magnésie..

L’image centrale, qui l’:t éclairée par n2 seulement

est deux toi, aussi brillante que les images latérales.

Pour prendre la photographie 8 on a fait tourner le

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ballon de nianière à former les images sur la vapeur : elle montre donc les trois images de résonance, dans les mêmes conditions d’éclairement que ci-deaus, On vomit que les trois places ont a peu près la même

intensité. La photogra- phie 9 reproduit égale-

ment les images de ré-

sonance dans les mêmes conditions, à cela près (lue la quantité de so-

dium introduite dans la flamme par le pulvéri-

sateur a été considérable-

ment diminuée. Cette fois nous avons prati- quement le même rap- Fio’ i port d’intensité entre la région centrales du

résonance et les régions latérales que dans le cas où les images sont formées sur la magnésie. Tout ceci s’explique aisément par le fait que Dg peut être plus

facilement renversée que D,.

La lumière émise par la flanlme excitatrice a été examinée au moyen

Fig. 8.

d’un très puissant

échelon de 20 pla-

ques en contact

optique, chaque plaque avant 13mm d’épaisseur . Cet

instrument nous

avait été obligeam-

ment prêté par M. Twyman, de la Cie Adam Ililger.

Les raies D furent examinées séparément en plaçant le séparateur à polarisation entre la flamme et l’instrument. On a pu reconnaîlre ainsi que D, manifeste une faible trace de

renversement, même avec la quantité minima de so-

dium dans la flamme. D1, au contraire n’est renversée que si la quantité de sodium est considérahle. Le

pouvoir de résolution de l’échelon était de 300000 :

en appréciant le rapport entre la largeur d’une raie

et la distance des raies correspondant aux dinërents

ordres, on trouve comme largeur approchée totale de

la raie 0,15 A.

L’échelon a aussi permis d’examiner l’absorption

de la lumière fournie par la flamme à traders la vapeur contenue dans le ballon. On aperçoit une augmentation ttt’· nette du renversement de D! lorsque

la température du laiton atteint 120°. Son diamètre était seulement de o cm; il est donc probable qu’abc

un tube de 1 mètre de longueur on pourrait déceler

une absorption à une température de peu supérieure

au point de fusion du métal.

Nous n’avons fait aucune tentative pour photogra- phier le spectre du rayonnement de résonance excité par D1, car il est à

peu près certain que, si l’excitation par la raie D2 ne fait pas

apparaître D,, l’exci-

tation par Di ne fera

pas apparaître D2 ;

dans tous les spectres

der résonance con- nus, en effet, les raies excitées, de lon-

gueurs d’onde plus grandes que les raies

excitatrices, ont tou- jours une intensité

Fig. D.

beaucoup plus forte que les raies de longueurs

d’ondc plus courtes.

Les mécanismes qui produisent les raies D ne sont pourtant pas complètement isolés, car l’un de nous

a montré que l’excitation de la vapeur dans la région

du spectre cannelé par de la lumière vert-blene fait

apparaitre les raies 1) dans le spectre d’emission, ou

du moins une bande jaune qui coïncide aBec la posi-

tion des raies D. Il est possible, toutefois, que cette bande corresponde à une région spectrale singulière, symétriquement repartie, de part et d’autre de... raies h. et qui apparat dans te spectre que les rayons

cathodiques cBcih’nt dans la Bapeur 2.

1. Woon. Inn. Hoq. IHO:1.

2. Woon. Phil. Mag., mu6.

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