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Submitted on 1 Jan 1924
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Sur la largeur des raies du spectre de l’arc électrique à diverses pressions
St. Procopiu
To cite this version:
St. Procopiu. Sur la largeur des raies du spectre de l’arc électrique à diverses pressions. J. Phys.
Radium, 1924, 5 (7), pp.220-224. �10.1051/jphysrad:0192400507022000�. �jpa-00205154�
SUR LA LARGEUR DES RAIES DU SPECTRE DE L’ARC ÉLECTRIQUE A
DIVERSES PRESSIONS.
par M. St. PROCOPIU.
Sommaire. 2014 L’auteur s’est proposé d’étudier, par la méthode interférentielle, la varia- tion avec la pression (entre 1 et 760 millimètres de mercure) de la largeur des raies de série de l’arc entre métaux (Zn, Cd, Ca, Al).
La fente d’un spectroscope est placée suivant un diamètre d’anneaux d’interférence formés au moyen d’un étalon de Pérot et Fabry en quartz demi-platiné, et on cherche,
pour chaque raie, quelle pression donne la visibilité des anneaux correspondant à une largeur de 0,1 Å.
Résultats. - Dans une même série, la largeur des raies augmente avec le numéro d’ordre de la série, en accord qualitatif avec l’hypothèse de Stark sur l’influence du champ élec- trique intermoléculaire.
La largeur des raies d’étincelle émises par la cathode est plus grande que celle des mêmes raies émise par l’anode.
Les raies de flamme sont plus larges que les raies d’arc ou d’étincelle.
Ces deux derniers résultats s’interprètent, comformément à l’hypothèse de Gouy, par l’influence du nombre des particules capable d’émettre les radiations considérées.
1.
-La largeur des raies est un problème fondamental pour la spectroscopie. Les prin- cipales causes d’élargissement, qu’on a successivement envisagées, sont :
Le phénomène Doppler-Fizeau, dû au mouvement de translation des particules lumi-
neuses dans la ligne de visée ; c’est un effet de température ;
L’absorption de la radiation de la vapeur lumineuse par ses propres particules; cet effet
se fait sentir lorsqu’on augmente la couche de vapeur ou le nombre de particules qui émettent
la radiation :
L’effet du champ électrique direct, provenant de la chute du potentiel le long de la
source lumineuse, ou du champ électrique intermoléculaire, formé par les particules chargées qui entourent la particule émettrice.
D’après J. Stark (’), c’est surtout à ce dernier effet que serait dû l’élargissement des raies, quand la pression dans la source lumineuse augmente. Lorsqu’une particule émet, elle peut
se trouver dans le champ électrique d’une particule voisine; la raie émise sera, de ce fait, décomposée par le champ électrique. Pendant l’fmission de la particule, sa distance aux
molécules voisines peut prendre une série continue de valeurs et, par suite, aussi le déplace-
ment des composantes de la raie primitive. La raie se trouvera élargie, et cet élargissement
suivra les mêmes lois que la décomposition des raies par le champ électrique. Or cette décomposition, pour les raies d’une même série, est d’autant plus grande que le numéro d’ordre de la raie dans la série est plus grand. La largeur d’une raie doit être, elle aussi,
d’autant plus grande que la raie forme un terme plus éloigné vers l’ultra-violet dans la
série.
°Et en effet, Stark et ses élèves ont constaté que, dans une décharge condensée ou dans
une décharge à pression élevée dans l’hydrogène, la raie H3 est plus large que H" et H., est plus large que H3. Ces observations ont reçu une confirmation dans les expériences de Mer- ton, et de Nicholson et Merton (2) sur les décharges dans l’hydrogène et dans l’hélium. Les largeurs des raies étaient estimées, cette fois, par les interférences, et le résultat fut le même,
c’est-à-dire que la largeur des raies d’une même série augmente avec le numéro d’ordre de la raie dans la série, lorsque la décharge est condensée ou lorsqu’elle est à pression élevée.
(1) J. SzaRx. Elektrtsche Spektralanalyse chenzischer Leipzig, ~91!~, p. î9. Des théories quanti- tatives de ce phénomène ont été données par DEBYE [Pfi ysikaliscfie Zei/schri/l, t. 20 (1919), p. 160J et surtout
par HOLTSMARK [Annalen der Physik, t. 58 (1919), p. 170J.
(2) MERTON. Proceedings 0/ the Royal S’ociety, t. 92 (1916), p. 322 et t. 95 (t9lg),p. 30. iNICIIOLsoN et aIERTON.
Phllosophical Transactions, t. 216 (1916), p. 459.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:0192400507022000
221 Des observations ont été faites, avec un résultat moins net, sur l’élargissement des raies
de série dans le spectre de l’arc entre métaux, lorsque l’arc jaillit dans l’air (1) ou dans
l’eau (2), les largeurs étant mesurées directement sur le cliché, d’après le noircissement, au moyen d’un comparateur à microscope. Cette méthode, bien que peu précise, est la seule
.
B
possible lorsque les largeurs des raies sont grandes.
,Je me suis proposé d’étudier la variation avec la pression (entre 1 mm et 760 mm de mercure) de la largeur des raies de série du spectre de l’arc entre métaux (Zn, Cd, Ca, AI),
par la méthode interférentielle, la seule pouvant conduire à la comparaison précise des lar-
geurs de plusieurs termes successifs d’une même série.
2. Dispositif expérimental. - Le dispositif est celui, classique, employé dans les
recherches fondamentales de Fabry et Perot, et de Fabry et Buisson.
,L’image de l’arc est projetée au moyen d’une lentille de quartz (de 20 cm de foyer) sur
un étalon interférentiel de Fabry et Pcrot, à deux lames parallèles de quartz, semi-platinées,
afin de pouvoir observer dans l’ultra-violet, où se trouvent la plupart des raies de série des métaux que j’ai étudiés. Devant l’étalon., il y a un diaphragmepercé d’un trou de 4 mm de dia-
’mètre; après l’étalon se trouve une lentille achromatique quartz-fluorine (de 14cm de foyer),
dans le plan focal de laquelle se forment les anneaux d’interférence de toutes les radiations existant dan* la source. Ces anneaux sont coupés suivant un diamètre par la fente verticale d’un spectrographe Hilger à optique en quartz. Dans ces conditions, chaque raie du speétre est
constituée de points lumineux et de parties obscures.
L’étalon de 5 mm d’épaisseur a été très obligeamment mis à ma disposition par M. le Professeur Ch. Fabry. Les lames de quartz ont été semi-platinées par projection cathodique,
avec le dispositif que MM. Lambert et (3) ont installé au Laboratoire de Recherches
Physiques de la Sorbonne.
La mise au point des appareils et des anneaux d’interférence a été effectuée avec la lumière d’un arc au mercure à régime faible.
Comme arc entre métaux, à basse pression, j’ai d’abord employé l’arc vertical repré-
senté par la figure 1. >
Fig. 1..
°L’arc est établi entre deux morceaux Et, E2 du métal à étudier. L’électrode inférieure est
fixe ; l’électrode supérieure est portée par une tige de fer T qui peut glisser à l’intérieur d’un tube de laiton c, et être soulevée par la bobine extérieure repos, les électrodes se touchent. Lorsqu’on fait passer un courant électrique dans la bobine, les électrodes s’écartent
(1) ‘YBBDT. Annalen der Physik, t. 45 (i91~.), p. 125 î ; RITTER. 4nnalen der Physik, t. 59 (1919), 1"B. 1
(2) PRoCoPiu. Comptes Rendus, t. 175 (f922), p. 2 î ; Annales de Physique, t. 1 (1924), p. 100.
(S) LAMBERT et AIDANT. Cornptes Rendus, t. 175 (1922), p. 154.
et l’arc s’établit, sa longueur étant déterminée par la position de la bobine B (ou de l’écran déplaçable K qui peut limiter la course de la tige T). Un tube latéral, en face de l’arc, est fermé
par une fenêtre de quartz.
Ayant eu intérêt à étudier la largeur des raies émises par la surface même des électrodes
j’ai également employé l’arc horizontal, représenté par la figure 2. Cet arc permettait de
~
i g. 2.
recevoir, à travers une électrode, l’émission de la surface de l’autre. A cet effet, l’électrode fixe E, est trouée, et l’électrode mobile est portée par une tige de fer T, soutenue en son
milieu par un fil souple F, qui lui permet de s’approcher ou de s’écarter de l’électrode fixe.
L’arc est établi lorsqu’un courant passe dans la bobine B, comme précédemment. (Cet arc
a servi également pour l’étude du phénomène Doppler-Fizeau).
A yec l’arc à la pression de 1 mm due mercure, et avec l’étalon de 5 mm d’épaisseur (10 mm de différence de marche), on peut obtenir de bons anneaux depuis h
_5000 1 jus- .qu’à A - 2 300 ! environ, ce qui indique que la plupart des raies de l’arc, à la pression de
1 mm de mercure, ont une largeur plus petite que 0,05 À.
La largeur d’une raie est déterminée par la limite d’interférence, c’est-à-dire par
l’épaisseur de l’étalon pour laquelle les anneaux d’interférence disparaissent. Si on désigne
par e l’épaisseur de l’étalon et par IVIe numéro d’ordre d’interférence pour lequel les anneaux,
correspondant à une raie de longueur d’onde A, disparaissent, la largeur A de la raie est . estimée d’après la relation (1).
Dans mes expériences, l’épaisseur de l’étalon étant fixe, la largeur d’une raie ne peu
-être appréciée que si elle arri;e à avoir aussi une valeur fixe, correspondant à l’épaisseur de
5 mm de l’étalon. On peut alors comparer la largeur des raies qui possèdent encore des
,anneaux, à la largeur fixe de la raie qui les a perdus. Cette largeur fixe, calculée avec la
formule précédente, est de 0,06 1 lorsque c’est ), = 2 500 1 qui a perdu les anneaux ; de 0,10 A lorsque c’est X - 3 300 1, et de 0,2 ~B lorsque c’est ~, - .# 800 ~.
Le procédé d’étude consiste donc à examiner la pression à laquelle disparaissent les
anneaux d’une raie, et de tenir compte de l’existence d’anneaux pour les autres raies. En
changeant la pression, on constate qu’on peut amener succ£ssÍvernent toutes les raies d’une même série à avoir la même largeur, d’environ 0,1 1.
3. Résultats. - 1° La largeur des raies, dans le spectre de l’arc, d’un même métal,
pour une même pression, n’est pas la même pour toutes les raies d’une même série. Elle varie avec le numéro d’ordre de la raie dans la série considérée, et elle est indépendante
de la longueur d’onde. La largeur est d’autant plus grande que la raie occupe un ordre
plus élevé dans la série.
En effet, si l’on établit l’arc à une pression de 1 mm, entre deux électrodes de Cd par
exemple (intensité 1 ampère), on constate que la raie X == 2660 À ne présente pas
°
d’anneaux, bien que les deux raies voisines J, _ ~ 677 À et ),
=2 639 Â, qui l’encadrent, en
(1) Cn. FABRY. Les mouvements des particules lumineuses dans les gaz. Conférences à La Société de
,Physique, Paris, B191 }), p. 210 ; Les ccpplicaitoccs des interférences lumineuses, Paris, (1923), p. 138.
223
présentent de très nets. Pourtant, les trois raies ont, au centre, à peu près le même ordre d’interférence. La différence entre les trois raies provient de ce que la raie X == 2660 À est un terme d’ordre 5, de la série diffuse ; elle a une largeur, calculée avec la formule pré- cédente, d’environ 0,06 À, à la pression de t mm de l’arc, tandis que les deux autres raies constituent le triplet de la mème série; ces dernières raies, et aussi les termes
d’ordre 3 et 2, ont des largeurs nettement plus petites que la valeur donnée précédemment
pour la première raie. Le fait que la largeur de la raie À = 2 660 À est plus grande que celle de la raie ’t, == 2639 Á montre que la longueur d’onde n’y joue pas un rôle important.
Pour toute autre pression et pour d’autres métaux, Zn, Ca, on fait des constatations ana-
logues.
Ces constatations sont en accord qualitatif avec les résultats prévus d’après l’hypothèse
de Stark de l’influence du charnp électrique intermoléculaire sur l’élargissement des raies
par la pression.
-121 Au fur et à mesure que la pression croît, les anneaux d’interférence disparaissent,
d’abord pour les raies d’ordre élevé, vers l’ultra-violet, ensuite successivement pour les .autres raies des premiers termes des séries, vers le rouge. C’est-à-dire que les raies arri- vent successivement à avoir la largeur fixe, de 0,07 à 0,10 A. Les raies d’un ordre plus petit sont plus fines que cette valeur.
Dans le tableau suivant sont inscrites les pressions pour lesquelles les diverses raies arrivent à avoir la même largeur, dans le cas de l’arc au Cd. Dans la troisième colonne est inscrit l’ordre de la raie dans la série ; dans la dernière colonne est donnée la valeur fixe de la largeur, différant un peu d’un bout à l’autre du spectre, pour l’épaisseur fixe de l’éta- lon interférentiel.
A la pression de 250 mm de mercure, les anneaux de toutes les raies de la série diffuse et de la série fine ont complètement disparu; à cette pression, les raies ont une largeur plus grande que 0,2 31.
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