STRUCTURE HYPERFINE DU NIVEAU 61P1 DES ISOTOPES199Hg ET201Hg. FACTEUR DE LANDE DE CE NIVEAU

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STRUCTURE HYPERFINE DU NIVEAU 61P1 DES ISOTOPES199Hg ET201Hg. FACTEUR DE LANDE

DE CE NIVEAU

D. Lecler

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D. Lecler. STRUCTURE HYPERFINE DU NIVEAU 61P1 DES ISOTOPES199Hg ET201Hg. FAC- TEUR DE LANDE DE CE NIVEAU. Journal de Physique Colloques, 1969, 30 (C1), pp.C1-10-C1-14.

�10.1051/jphyscol:1969102�. �jpa-00213633�

Colloque C 1 , supplément au no 1, Tome 30, Janvier 1969, page C 1

-

¹⁰

STRUCTURE HYPERFINE DU NIVEAU 6 'Pl DES ISOTOPES 199Hg ET '''Hg.

FACTEUR DE LANDE DE CE NIVEAU

Laboratoire de Spectroscopie Atomique associé au C. N. R. S., Faculté des Sciences de Caen

Résumé. - On utilise les croisements entre sous niveaux Zeeman hyperfins du niveau 6s 6p IP, des isotopes 199Hg et 20lHg pour mesurer les rapports (A/g,,)199 = - 3 531,3 & 2,8 MHz et (A/gJ)201 = 1 307,2 & 1 MHz de la constante de structure hyperfine A au facteur de Landé du niveau. Utilisant les récentes valeurs de A mesurées par spectroscopie interférentielle, on calcule glpl

-

^{1,015 7} 0,003 5 avec les résultats obtenus sur 199Hg et g i p l = 1,011 3 rt- 0,005 3 avec ceux obtenus sur 2olHg.

Abstract. - Using level crossing techniques on the 6 s 6 p 'PL level of l99Hg and 2OlHg we measurc (A/gJ)i99 = - 3 531.3 1 2.8 MHz and (A/RJ)~O~

-

^{1 307.2 f} 1 MHz where A is the hyperfine structure constant for each isotope and gJ the Lande factor of the level. A199 and A201 have been measured recently by optical methods with a good accuracy and we compute gi,, = 1.015 7 f 0.003 5 from the experiments on 199Hg and gi,, -= 1.011 3

+

0.005 3 from 2olHg.

Introduction. - La technique des croisements de niveaux due à Colegrove, Frankcn, Lewis et Sands [Il a permis d'étudier la structure hyperfine de nombreux niveaux atomiques. Kaul [2], Meunier [3] ont appliqué ces techniques à l'étude de la structure hyperfine di1 niveau

3P1

des isotopes ',,Hg et 20'Hg. Dans une première étude [4] nous avons mesuré les rapports A/g, de la constante de structure hyperfine au facteur de Landé du niveau 6 'Pl pour les isotopes ' " ~ g et ' O l ~ g . Lurio [ 5 ] a récemment mesuré le rapport (A/gJ)199. NOUS reprenons ici nos mesures en amélio- rant leur précision et nous utilisons les résultats récents de Duong, Gerstenkorn et Luc [6] et de Char- tier [7] concernant la mesure par spectroscopie inter- férentielle des constantes de structure hyperfine A , , , et A,,, pour calculer le facteur dc Landé du niveau 6 'Pl .

Conditions expérimentales. - 1 CONDITIONS GÉNI~- RALES. - Soit un trièdre de références Ox, y, z(Fig. 1) la cellule de résonance est placée en O ; la lumière excitatrice (non polarisée) se propage dans la direc- tion Ox ; le champ magnétique H est parallèle à Oz et l'on observe la lumière de résonance optique à 1 850

A

dans la direction Oy à travers un polari- seur orienté parallèlement à Ox.

20 DISPOSITIF OPTIQUE. -- II est absolument iden- tique à celui déjà utilisé [4] et est schématisé sur la figure 2. 11 est entièrement coritenu dans un ensemble de caissons dans lesquels on maintient une atmosphère

1

Excitation

1

^(non

Fig. 1.

d'azote à une pression très légèrement supérieure à la pression atmosphérique.

30 CHAMP MAGNÉTIQUE. - NOUS utilisons un élec- tro-aimant Brucker (BE 15 B 8) dont les pièces polaires ont 15 cm de diamètre, I'entrefer est réglé à environ 5 cm. Le courant magnétisant est fourni par une ali- mentation stabilisée Brucker (BMN 401155). Un dis- positif de balayage permet de faire varier le champ de façon approximativement linéaireentre deux valeurs Hl et H , pré-déterminées.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1969102

STRUCTURE HYPERFINE D U NIVEAU 6 1Pi DES ISOTOPES ^199Hg ET zolHg C l - 1 1

Champ Magn.

l u c l !

Fig. 3. - Exemple de mesure de Ho. Les valeurs du champ magnétique pour chaque impulsion d'étalonnage sont indiquées en Gauss.

Fig. 2. - Schéma du montage. - S : lampe source. -

R = cellule de résonance. - P. M. : Photomultiplicateur. - M : monochromateur. - E. M. : électro-aimant. - P : Polari- seur à pile de glaces.

40 MÉTHODE DE MESURE - On enregistre les varia- tions du signal de résonance optique au voisinage du champ de croisement H, dans les mémoires d'un

« Intégrateur » (Nuclear Data Enhancetron ND 800) dont le balayage linéaire en fonction du temps est synchronisé par le balayage en champ magnétique.

Chacune des 1 024 mémoires du ND 800 correspond ainsi à une valeur de champ magnétique. On fait la somme des signaux correspondant à 20 ou 30 pas- sages (environ 3 heures d'enregistrement). Le rap- port signal sur bruit est ainsi nettement amélioré et est au moins égal à 50 dans nos expériences sur les isotopes '''Hg et 'OIH g.

On veut mesurer expérimentalement la valeur du champ magnétique Ho correspondant à l'intersec- tion de la courbe de croisement avec son diamètre moyen. On étalonne l'enregistrement (fonction du temps) en fonction du champ magnétique en super- posant au signal enregistré des impulsions corres- pondant à des valeurs du champ magnétique connues avec précision (Fig. 3). Nous opérons de la façon suivante : sans interrompre les balayages synchrones de l'intégrateur et du champ magnétique, nous rem- plaçons la cellule de résonance par la sonde d'un magnétomètre à protons (ou vice versa) ; nous fixons la fréquence du magnétomètre et nous enregistrons une impulsion dans l'intégrateur quand se produit la résonance protonique (contrôlée sur un écran d'os-

cilloscope) au cours d'un cycle de balayage du champ magnétique ; nous recommençons l'opération pour des fréquences différentes. Pour vérifier la constance du synchronisme entre l'enregistrement et le champ magnétique nous « étalonnons ⁾⁾ notre courbe avant et après chaque série de mesures. La fréquence pro- tonique est mesurée avec un fréquencemètre Rochar et une précision de environ. Dans ces conditions, chaque mesure de Ho est réalisée à f 0,3 gauss près.

Enfin nous avons réalisé ces mesures pour des balayages du champ magnétique tantôt croissant tantôt décrois- sant afin d'éliminer les erreurs systématiques dues aux constantes de temps de l'appareillage.

Résultats.

-

10 GÉNÉRALITÉS. - On s'intéresse ici aux croisements entre sous-niveaux Zeeman hyperfins du niveau 6 des isotopes impairs du mercure possédant un spin nucléaire 1. Les états propres

de l'hamiltonien de couplage hyperfin ne sont plus états propres en présence de champ magnétique, nous désignons cependant par continuité chacun des sous- niveaux par

1

F ; MF >. Dans nos conditions expé- rimentales, on observe un signal de croisement de la forme :

C l - 1 2 D. LECLER El étant l'énergie du niveau 1 Fl ; MFl

>

;

E, celle du niveau

1 f i

; MF, > avec la condition

1

M ~ i -

1

⁼ ;

r

^{= -} 1 est l'inverse de la durée de vie du niveau 6 'Pl ; Z

SI représente le signal incohérent dû aux tra~isitions entre tous les sous-niveaux de l'état excité et ceux de l'état fondamental ; Sc est la partie cohérente du signal.

La dégénérescence entre les niveaux ( FI ; M F , >

et

1

F2 ; MF, > (El = E2) a lieu dans un champ magnétique Hc. Le champ Ho que nous mesurons (intersection de la courbe avec son diamètre moyen Fig. 3) peut être légèrement différent de Hc. Les croi- sements que nous observons sont larges (100 gauss environ) et on ne peut négliger a priori l'influence de la forme de raie excitatrice, de l'évolution des pro- babilités de transition en fonction du champ magné- tique et le fait que (El

-

E2) n'est pas une fonction linéaire de H. Nous évaluons la différence

en deux temps.

- L'influence de la forme de raie excitatrice et des variations de SI sont minimisées en choisissant convenablement la lampe excitatrice.

-

Nous construisons la courbe théorique

et nous mesurons sur cette courbe théorique l'écart entre Hc et Ho (déterminé comme pour une courbe expérimentale).

2O STRUCTURE HYPERFINE DE '''Hg. - L'isotope 199 du mercure a un spin nucléaire 1 = 112 et la valeur moyenne de l'opérateur de couplage quadru- polaire est nulle. Dans le niveau 6 'Pl 1'Hamiltonien de couplage hyperfin et d'interaction magnétique est de la forme :

On représente (Fig. 4) le diagramme Zeeman du niveau 'Pl de 199Hg.

Pour le champ Hc = - -

Les niveaux

1

^{312 ;} 312

>

et

1

112 ;

-

112

>

se croisent.

Fig. 4. - Diagramme des sous-niveaux Zeeman de 199Hg dans le niveau lP,. En abscisse X =

'aH

_A et en ordonnées E

-.

_A

Expérimentalement on mesure Ho = 2 523'55

+

^{1,4 gauss}

et le calcul de la forme théorique du signal de croi- sement permet d'évaluer 6H = Hc - H: E

+

^{0,5 G.}

La source (200Hg) a été choisie pour que le signal de croisement soit aussi voisin que possible d'un extre- mum d'absorption de la vapeur 199Hg en fonction du champ magnétique. L'erreur introduite par ce

(( balayage magnétique » est évaluée à O $. 0,5 gauss.

Les corrections du second ordre dues à i'interac- tion du niveau 6 'pl avec les niveaux 6 3Po, 6 3P1, 6 3P, SOUS l'effet des Hamiltoniens Zeeman et hyper- fins sont négligeables par rapport à la précision de nos mesures. On trouve alors :

Le signe de A est bien entendu déterminé par compa- raison avec les résultats des mesures optiques et les prévisions théoriques [5], [6], [7], [IO], [Il].

30 STRUCTURE HYPERFINE DE '''Hg. - L'isotope 201 du mercure a un spin nucléaire I = 312. L'hamil- tonien hyperfin, de couplage quadrupolaire et d'in- teraction magnétique est de la forme :

où B est la constante de couplage quadrupolaire.

STRUCTURE HYPERFINE D U NIVEAU 6 1P1 DES ISOTOPES 199Hg ET zolHg C l - 1 3

On représente (Fig. 5 et Fig. 6) le diagramme Zee- man du niveau 6

'Pl

de '''Hg.

Fig. 5. -Diagramme des sous-niveaux Zeeman de ZolHg

dans le niveau ]Pl. En-abscisse X =

'kH,

A en ordonnées E

-.

A

Fig. 6. -Détail des croisements entre les niveaux F = 312 et de MF = 312, 112, - 112. Dans le rectangle : détail à la même échelle du croisement

1

512 ; - 512 > X

1

312 ; - 112 >

.

On devrait observer deux croisements satisfaisant à la condition AMF = 2. En fait le croisement

est très large ^(e 500 gauss) peu intense (Sc/S,

=!

0,Ol)

et fortement perturbé par le croisement en champ nul de ces mêmes niveaux. Le ⁽⁽ balayage magnétique » enfin rendrait presque impossible toute exploitation de ce niveau pour améliorer les mesures de A,,, et Bzol connues par d'autres méthodes.

Les croisements AMF = 1 sont inexploitables pour les mêmes raisons. Le croisement entre les niveaux

1

512 ;

-

512 > et

1

312 ;

-

112 > a une largeur d'en- viron 100 gauss et le rapport Sc/S, pour H = Hc est d'environ 13

%

dans nos conditions expérimentales.

On calcule :

On mesure Ho = 1 860,7 -t 1 gauss.

Pour les mêmes raisons que précédemment on uti- lise une source 2 0 2 ~ g .

La correction 6H = H,

-

Ho est négligeable (6H < 0,l gauss)

et l'influence du balayage magnétique est du même ordre de grandeur que pour l g 9 ~ g .

Les termes correctifs dus au couplage quadrupo- laire et au facteur de Landé du noyau sont calculés en prenant

Bzol ⁼ 241

tt:

8 M H z ;

A,,, = 1 322 f 6 MHz [6] [7] ; g, = 0,200 1 0 - ~

pl.

On trouve alors

(A/gj),,, = 1 307,2 1,O MHz

40 CALCUL DU FACTEUR DE LANDÉ glp,. -Les méthodes purement optiques de mesure du facteur de Landé du niveau 6

'Pl

n'ont donné jusqu'à présent que des résultats assez peu précis.

Van Kleef et Fred [12] trouvent

et Green et Loring [15] 1,019

+

^0,006.

En associant les valeurs de (Alg,) connues avec une précision supérieure à

IO-^

avec les récentes mesures de A faites avec une précision d'environ 5 x on obtient les valeurs de glpl résumées dans le tableau suivant :

C l - 1 4 D. LECLER

Isotope A/& (MHz) A (MHz) glp,

- - -

-

199

-

3 530,2 f 4,5 [5 bis]

-

^{3 576,21 [51 [61 1,012 7 f} 0,005 O [5]

199

-

3 532,9 f 3,3 141

-

3 573,5

[Io]

^{1,011 5 [41}

199

-

3 531,3 f 2,8 (*)

-

^{3 587,3 f 9,9 [7] 1,015 7 f 0,003 5 (*)}

20 1 1 305,O f 1,2 [4] 1 322,08 f 6 [6] 1,013 O f 0,005 5 [4]

20 1 1 307,2 f 1 (*) 1 322,l f 6 [7] 1,011 3

,

^{0,005 3}

^(*)1

(*) Notre travail ; les autres chiffres entre crochets renvoient aux références bibliographiques.

Toutes ces déterminations de gipl ont une importante zone de recouvrement ; d'autre part on peut calcu- ler gipl en utilisant la règle de somme.

Compte tenu de corrections relativistes et diamagné- tiques. Lurio [5] donne g$l

+

^{g?p, =} 2,501 2. La valeur mesurée de g3pl est gapl = 1,486 106 [13], i141, i161.

On trouve alors gipl = 1,015 1.

L'ensemble des mesures de g, pour le niveau 6 'Pl est donc en bon accord avec la théorie.

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