HAL Id: jpa-00206412
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Étude de la dispersion dans la bande fondamentale de vibration-rotation de NO
C. Alamichel
To cite this version:
C. Alamichel. Étude de la dispersion dans la bande fondamentale de vibration-rotation de NO. Journal
de Physique, 1966, 27 (5-6), pp.345-352. �10.1051/jphys:01966002705-6034500�. �jpa-00206412�
ÉTUDE
DE LA DISPERSION DANS LA BANDE FONDAMENTALE DE VIBRATION-ROTATION DE NOPar C.
ALAMICHEL,
Laboratoire
d’Infrarouge, Chimie-Physique,
Faculté desSciences, Orsay,
Essonne.Résumé. 2014 On a mesuré la
dispersion
de l’indice de réfraction dans la hande fondamentale de vibration-rotation del’oxyde nitrique
à5,3
03BC, cequi
apermis
de déterminer le carré du moment vibrationnel pur de transitionR10;
on en a déduit une mesure de l’intensitéintégrée
de la bande
(132
cm-2 atm-1 à 273°K)
et de la valeur absolue de la dérivéeM1
du momentdipolaire
par rapport à la distance internucléaire(|M1|
=2,30 debye/angström);
on estimeque
M1
estpositif.
On a mesuréquelques largeurs
de raies et l’ordre degrandeur
trouvé(0,12
cm-1atm-1)
est conforme aux résultats obtenus enabsorption
par d’autres auteurs ;un calcul de la
largeur
des raies a été effectué parapplication
de la thèse d’Anderson.Abstract. 2014 The
dispersion
of the refractive index of nitric oxide has been measured in the fundamental vibration-rotation band at5.3 03BC
and whichprovided
the square value of the pure vibrational transition momentR10;
a measure of theintegrated intensity
of theband
(132
cm-2 atm-1 at 273°K)
and the absolute value of the derivativeM1
of thedipole
moment in
regard
to the internuclear distance(|M1|
= 2.30debye/angström)
has beendeduced from
this ; M1
is believed to bepositive.
Some linewidths have been measured and found close to 0.12 cm-1atm-1,
which is inkeeping
with the results obtainedthrough absorp-
tion methods
by
otherauthors ;
a calculation of these linewidths has been doneusing
Anderson’s
theory.
27, 1966,
I. Introduction. - Le
spectre infrarouge
del’oxyde nitrique
est bien connu[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
et
plusieurs
mesures de l’intensit6int6gr6e
de labande fondamentale ont 6t6 faites
[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 29]
mais les r6sultats varient dusimple
audouble d’un auteur a un autre. A
1’exception
deHavens
[8] qui
a utilise une m6thode dedispersion,
et de Breeze et Ferriso
[14] qui
ont travaiII6 enemission,
tous les auteurs ontopere
par spectro- m6tried’absorption.
Parmi tous ces travaux, seul celui de James[13]
a 6t6 eff ectue en haute réso-lution. Nous avons donc 6tudi6 la
dispersion
dans labande fondamentale de NO vers
5,3 y
a 1’aide d’un interféromètre de Michelsonauquel
un spectro- m6tre a haute resolution servait de monochro-mateur. On
sait,
en effet[15, 16, 17]
que les mesuresde
dispersion permettent
d’atteindre les memesparam6tres
que les mesuresd’absorption (intensité
et
largeur
desraies). L’appareillage
et la m6thodede mesure ont
deja
6t6 décrits[18, 19].
On a utiliseun réseau 6chelette a 150
traits/mm
de 20 cm delarge
dont1’angle
de miroitement(«
blaze)))
corres-pond
a6 V. ;
le d6tecteur etait une cellule a 1’anti- moniure d’indium refroidie a 1’azoteliquide.
Lepouvoir s6parateur
etait de l’ordre de0,15
cm7l.II. Niveaux
d’enefgle
et spectre de NO. - On sait que la molecule de NO est a latemperature
ordinaire dans un 6tat
électronique
21t etqu’elle
setrouve dans un cas de
couplage
interm6diaire entreles cas a et b de
Hund,
mais tresproche
du cas atant que le nombre
quantique
de rotation J n’estpas trop élevé.
L’energie
est :les termes
G1(v)
etG2(v), d6signant 1’energie
devibration,
ont 6t6 d6termin6s par Gillette etEysters [1J.
Te di A /2
est1’6nergie electronique ;
A la « cons-tante de
couplage
»spin-orbite qui,
enfait, depend 16g6rement
de la distance internucléaire et donc des nombresquantiques
de vibration v et de rotation J[20J.
Enfin :
ou Bv
designe
la constante rotationnelle.Pratiquement,
nous avonsnégligé
la distorsioncentrifuge,
c’est-A-direD:1
etD:2.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01966002705-6034500
346
On a retenu les valeurs suivantes : A =124
cm-1;
Bo
=1,6951 cm-1; Bl
=1,6770 ; B*l
=1,6700 ; BO*2
=1,7200.
Nous avons
pris
commefréquences
des raiescelles obtenues par Shaw
[2].
Lafigure
1repr6sente
une
partie
du spectre que nous avons obtenu.branche P
FIG. 1. - Bande fondamentale de
l’oxyde nitrique.
III.
Expression théorique
de ladispersion.
- Onsait que, selon la th6orie
électromagnétique,
l’indicede refraction
n(6)
d’un gaz a lapression
p et a latemperature
absolue T est une fonction du nombre d’ondes donn6e par la relation de Lorentz :où la sommation est étendue 4 toutes les raies du spectre de nombre
d’ondes ai
et delargeur
a mi-hauteur
yi ; Sj
est l’intensit6int6gr6e, proportionnelle
h la
pression
p si celle-ci est faible. En th6oriequantique
la formule de Lorentz estremplac6e
par celle de Kramers :h est la constante de
Planck,
K celle deBoltzmann,
c la vitesse de la lumiere dans le
vide,
N le nombrede molecules par unite de
volume,
T latemp6-
rature absolue du gaz, gn. le
degr6
ded6g6n6res-
cence du niveau
d’energle Eno ;
no et ndésignent
l’ensemble des nombres
quantiques
de 1’6tat initialet de 1’6tat
final ;
anOn est le nombre d’ondes corres-pondant
a la transition entre ces 6tats et y,,ond6signe
lalargeur
4 mi-hauteur de la raie. Comme la th6orie ne tient pas compte des interactions inter- moléculaires ynon devraitdesigner
lalargeur
natu-relle ;
enfait,
on obtient un bon accord avecl’ expé-
rience en prenant la
largeur
mesur6e ou dominepourtant
1’effet de choc.flno,
est 1’element de tran-sition du moment
dipolaire. Moyennant l’approxi-
mation ’7non + a N 2a ~
2anon,
les deux formules de Lorentz et de Kramers sontcompatibles.
Dans la formule de
Kramers,
on doit sommer surtoutes les valeurs de n et no associées par les
r6gles
de selection. Nous avons
négligé
les termes d’emis-sion induite
(En En,).
Lasommation, qui figure
au
num6rateur,
est etendue a toutes les transitionspossibles ;
enfait,
la contribution des raieséloignées
du domaine de
fréquences
ou l’on mesurel’indice,
bien
qu’elle
ne soit pas forcémentn6gligeable
envaleur
absolue,
ne variepratiquement
pas avec a.Comme nous nous Interessons a la variation de
l’indice,
nous avonsregroup6
tous les termes relatifsaux raies extérieures a la bande fondamentale de vibration-rotation dans une seule
expression
quenous
appellerons z(a).
Il n’est pas n6cessaire de connaitrez(a)
avec unegrande precision
Dans
1’equation (II)
la sommation au num6rateur est donc desormals limitée aux raies de la bande fondamentale a conditiond’ajouter
au membre dedroite le terme correctif
z(6).
Au sein de cette bande fondamentale nous avons tenu compte de toutesles raies
repérées
par Shaw[2] ;
nous avons calcul6 lafrequence
de cellesqui
sontsuperpos6es
4 desraies de 1’eau. La sommation
qui figure
au d6no-minateur de la relation de Kramers est en
principe
étendue à tous les
6tats ;
en fait nous avonsnégligé
tous les 6tats vibrationnels excites et a
fortiori
les6tats
6lectroniques
excites. Par contre, les deux 6tats 1tl/2 et 7C3/2 sont troprapproch6s
pourqu’on puisse négliger
le terme relatif a 7ta/2’Posons :
Alors la formule
(II)
s’6crit :ou la sommation
Yl
est étendue a 1’ensemble des transitions relatives a 1’etat 7rl/2 et12 h
cellesconcernant 1’6tat Tc312 de la bande fondamentale.
AOV’J’
est le momentdipolaire
de transition ou QvJ caract6risent 1’6tat initial et Qv’J’ 1’6tat final(1).
Les deux moments a considérer sont :
ou j2 d6signe 1’operateur
momentdipolaire
et ou les(1) Rappelons
que le momentelectronique
orbital estcaracterise par le nombre
quantique A,
le moment despin par
et le momentelectronique
total par Q. Dansun 6tat
2n, !Al
= 1 et E == +_1/2
si bien que1111
=i11-+- El = 1/2
ou3/2.
fonctions
§ny j
sont les fonctions d’onde de la mole- cule. La determination des fonctions d’onde a 6t6 faite par Van Vleck[22]
dans le cas a deHund ;
on obtient des fonctions
§flyj
de la forme1>0 . P V J . 00JM
oii4Yn
est la fonction d’onde 6lee-tronique, PVJ
la fonction dvibrationnelle et0!1JM
la fonction rotationnelle
(2).
La molecule de NO estdans un cas Intermedlaire entre les cas a et b de
Hund ;
suivant Van Vleck[22]
etKronig [23],
ondoit alors
prendre
comme fonction d’onde§nvj
une combinaison IIneaIre des fonctions
ovj
rela-tives aux deux niveaux
1/2
et3/2
du doublet 6lee-tronique :
(2)
M est le nombrequantique magnetique.
348
ou les coefficients
ev(J)
etdv(J)
sont donn6s par les formulesclassiques
d’un calcul de résonance[24].
La
question
estexpos6e plus
en detail a la réfé-rence
[19].
Enpremiere approximation
la fonctiond’onde (D
peut
se mettre sous la forme duproduit
d’une fonction d’onde
d’espace
CPA par une fonction d’onde despin
ocE. Ainsi :Soit
M(p) = f Ofi ) 4Yn d-re, ou dt,
est 1’616ment
de volume de
1’espace
deconfiguration
des élec-trons. On voit que dans ces conditions
M(p)
est lememe pour les deux sous-6tats
27Zl/2
et2 7r3/21 puisque 1’operateur
momentdipolaire n’agit
pas sur les fonctions despin.
Si l’on pose :ou drvb est 1’616ment de volume de
1’espace
descoordonnées des noyaux, les moments de transition s’ecrivent alors :
oyli,
Nous sommes ramené au calcul de
-Xnvj
et I’onsait
[22, 23]
que la fonctioneOJM
est celle de latoupie symetrique.
Ce calcul a 6t6 effectue par Herman et Rubin[25]
et parHerman, Rothery
etRubin
[26].
On peut mettre le momentAayi
sousla forme du
produit (SIL-ali £fl$)’
ouSnnj
est lecarr6 du moment de transition d’un rotateur
rigide
et
Eny’J’ le
moment vibrationnel. Pour 6valuer cedernier moment Herman et Rubin
déveIoppent M(p)
en s6rie de
Taylor
en fonction de(p
-pe)
ou ped6signe
la distance internucl6aire a1’equilibre :
En
fait,
ils se limitent a i = 0 et 1. Ils prennentcomme fonction
potentielle
une fonction de Morse.Dans la reference
[26]
on trouve, dans le cas ou Q =0,
uneexpression
directement utilisable de la forme :avec
Nous avons utilise ces r6sultats en y
ajoutant
lacondition m = 0 dans la branche
Q, puisque
dansle cas de
NO, Q
n’est pas nul. Si l’on pose :on peut, en
négligeant
le coeff cient c2, écrire alorsLa confrontation de cette
formule,
ouA(6)
etB(a)
sontcalculables,
avec les mesuresexp6rimen- tales,
doit permettre de d6terminer a et b. Pour celaon a
applique
la m6thode des moindrescarrés ;
on ajug6 prudent d’ajouter
au membre de droite unterme d pour tenir compte d’une erreur
syst6ma- tique.
IV. R6sultats
exp6rimentaux.
- 1° DETERMiNATION DE
(Rà)2
ET DE L’INTENSITE INTEGREE.Nous avons
appliqu6
la m6thode des moindres carrés :a)
aux mesures absolues d’indice(43
mesuresfaites en
double),
effectuées afrequence
constanteen faisant varier la
pression
du gaz dans une cuvede 25 cm, comme il est
indiqu6
4 la reference[18].
Nous avons trouve :
quand
onn6glige bB(,7).
quand
on tient compte debB(a).
On voit que d n’est pas
négligeable ;
nos mesures ne seplacent
pas sur la courbe obtenue par extra-polation
de celle 6tablie dans l’ultraviolet par Cuthbertson[21]
et dont on s’est servi pour 6va- luerz(a).
b)
4 l’ensemble des mesures relatives obtenuesen faisant varier la
frequence a pression
constante.On a ainsi
obtenu,
par rotation duréseau,
quatre spectres cannel6s auxpressions respectives
de185,2
torr,212,0
torr,305,0
torr et326,9
torr avecune cuve de 25 cm. Ces quatre spectres cannel6s concordent tres
bien,
mais ne permettent pas des’approcher pres
des raies(3).
On a aussi utilise la(3)
Si Id6sigiie
l’intensit6qui
tombe sur ledetecteur, io
cellequi
tombe surl’interférolnètre,
R et T les pou- voirs de réflexion et de transmission de la lames6para- trice,
alorsl’equation
desfranges
du spectre canneleest
[16, 19] :
T2 est le facteur de transmission du au gaz
interpose,
O est le
dephasage
en I’absence de gazet §
led6pha-
sage du au gaz.
§
=47tl(n
-.’1)
a, si I est lalongueur
de la cuve àgaz.
Nous avons considere que les
franges enregistr6es, qui representent 1’equation
I =f(a),
etaient duesunique-
ment a la variation de
§.
Ceci introduit sur laposition
des extrema une erreur,
toujours
inf6rieure a1/30
defrange,
si 1’on nes’approche
pas a moins de dixlargeurs
de raies du centre de la raie.
Sur les
figures
2 a6,
on arepresente
par unpoint
lesmesures faites par un spectre cannele et par un
point
entoure d’un
cercle,
celles faites par la methode de lacompensatrice
tournante.m6thode dite de rotation de la
compensatrice [19], appel6e
aussi m6thode de mesures de 1’exe6dentfractionnaire
[17, 18],
avec une cuve de 2 cm a unepression
voisine d’uneatmosphere ;
on a ainsi realiseune
exploration
presquecomplete
de la branche P.Les r6sultats sont les suivants :
si on
n eglige bB(a)
si on tient compte de
bB(a).
Sur les
figures
2 a6,
on a trace les courbes th6o-riques (formes
deLorentz)
calcul6es avec cette der-niere valeur de a
(soit a
=(Ro)2
=0,633
X 10-2(debye)2)
mais sans tenir compte de b. Ces courbesont 6t6 calcul6es pour une
temperature
de 24 °C(temperature
alaquelle
les mesures ont 6t6faites)
et une
pression
d’uneatmosphere
en utilisant la memelargeur
de raie a mi-hauteur(0,10 cm"1)
pour toutes les raies. Ces
cinq figures
nerepr6-
sentent
qu’une petite partie
de nos mesures ; lelecteur d6sireux de voir l’ensemble des courbes obtenues se reportera a la reference
[19].
Pour calculer l’intensit6
intégrée,
on apris (Ro) 2
=0,63
X 10"2(debye) 2
et on aapplique
laformule de Herman et Wallis
[27].
On a trouve132,36
cm-2 atm7l a 0 °C. James[13] applique
uneformule un peu
simplifi6e qui
donne 132 avec nosr6sultats
experimentaux.
Onindique
dans le ta-bleau 1 les r6sultats des différents auteurs. Les diver- gences sont tres
importantes.
20 DETERMINATION DE
M1. -
La! connaissance de(Ro)2
permet d’atteindre la valeur absolue1M 1B
de la dérivée du moment
dipolaire
par rapport a la distance internucleaire(cf.
formule(III)). L’appli-
cation de la formule de
Herman, Rothery
et Rubin[26]
donne1M 11
=2,30 debye/angstr6m.
De son350
TABLEAU I
cote James
[13] applique
une formule un peu diff6-rente,’-obtenue
a I’aide d’unpotentiel
de Dunhamet
non"d’une
fonction de Morse(mais
ou led6velop-
pement
(III)
esttoujours
limit6 h i =1) ;
il obtient1M II
=2,32 debye/angstrom
tandisqu’avec
nosr6sultats
experimentaux
cette meme formule don- nerait2,26 debye/angstrom. Meyer,
Haeusler etBarchewitz
[28]
ont 6tudi6 les intensit6s des 1 er et 2eharmoniques
cequi
leur apermis
d’utiliser und6veloppement
de la formule(III) pousse j usqu’a
i = 3. Utilisant notre mesure de
(Ro) 2,
ils ont pu determiner les moments vibrationnelsRÕ
et.R3o
etobtenir une mesure
plus precise
de1M II :
en utilisant la m6thode de calcul de Cashion
[35].
Ils ont trouv6
BM 1/
=2,315.
D’autre
part,
dans le terme d’interaction vibra- tion-rotationFO-1
intervient le coefficientque l’on peut atteindre a
partir
de b :Be
etant la valeur al’équiIibre
de la constante rota-tionnelle et we la
f requence
vibrationnelleclassique,
c’est-a-dire le coefficient
de (v + 1/2)
dansl’ expression
de
G(v).Mo,
momentdipolaire
a1’equilibre,
peutetre confondu en
premiere approximation
avec lemoment
permanent ;
on peut donc d6duire de lamesure de b la valeur de
M1 en grandeur
etsigne,
tandis que la mesure de a ne donnait que sa valeur absolue.
L’application
de la formule 6 =M o/M I
Pe, a I’aide de notre mesurepr6c6dente
de1M 11
donne[0)
=0,06 ;
comme yi =1,7905
X 10-3 on voitque I bl
devrait etre de l’ordre de0,27
X10--5,
alorsque nos deux mesures donnent
0,13
X 1b4 et0,33
X 10-4. La mesure de b est ici delicate a causede la
petitesse
simultan6e de 6 et yl, cequi
rend btres
petit.
Nos deux mesures sont toutefois du memesigne (b n6gatif)
cequi
laisse penser queM1
est du meme
signe
queMo.
V.
Largeur
des raies. - Les mesures d’indice de refraction faites a l’int6rieur des raies(zone
anoma-le)
permettent de determiner lalargeur
a mi-hau-teur de ces
raies ;
des mesures ontdeja
6t6 effec-tu6es de cette
fagon
sur 1’acidechlorhydrique [18, 30].
On obtient lalargeur
de raie parcomparaison
entre le
profil
de raieexperimental
et lesprofils th6oriques
obtenus en se donnant arbitrairement différentes valeurs de lalargeur
deraie ;
les re-sultats
exp6rimentaux
sont treslargement
influen-cés par la fonction
d’appareil
duspectrom6tre [18] ;
nous
appelons profil experimental
1’ensemble despoints exp6rimentaux
obtenusdans la raieconsideree,
sans aucune correction
instrumentale ;
cette correc-tion est faite sur le
profil th6orique (profil
deLorentz
correspondant
a lalargeur
de raie arbi- trairement choisieauquel
onapplique
la correc-tion instrumentale
correspondante).
Nous avonspris
commefrequence
des raies de rotation celles obtenus par Shaw[2]
et nous caracterisonschaque
raie par le nombre
classique
2m commel’a fait Shaw(m
= - J dans la branche P et J+ I
dans la bran- cheR).
Les deux raies -
37(1/2)
et -37(3/2)
pour les-quelles
2m = - 37 ont 6t6étudiées,
par la m6thode de lacompensatrice
tournante, avec une cuve de 2 cm a lapression atmospherique ;
on a trace lescourbes
th6oriques,
compte tenu de la correction de fonctiond’appareil,
pour unelargeur
de raiey =
0,10 cm-1,
enprenant (Ro)2
=0,63
X 10-2(debye) 2.
Pour les raies de la branche P corres-pondant
a un nombrequantique
Jplus faible,
ila 6t6 n6cessaire de travailler avec de
plus petites
cuves
(2
et 5mm).
D’autre part nous avons travaillésous une
pression
de 133 cm de mercure.On a étudié au total onze raies
(y compris
lesdeux raies -
37).
Nous n’enreproduirons
ici quedeux ;
sur lafigure
7 on aport6
lespoints expéri-
mentaux obtenus a 24°C et 1 atm, la courbe th6o-
rique correspondant
a y =+ 0,10 cm-1;
sur lafigure 8,
on aport6
lespoints exp6rimentaux
obtenusa 24°C et 1330 torr, la courbe
th6orique
corres-pondant
a y =+ 0,21
cm"1 4 lapression
de1330 torr.
Notre
precision
n’est pas suffisante pourdistinguer
les
largeurs
des raies de meme nombreJ,
relativesaux deux 6tats
1/2
et3/2,
et pour suivre la variation de y avec J. Lespoints exp6rimentaux
sont compa- tibles avec deslargeurs
de l’ordre de0,12
cm-1(0,10
pour les deux raies -37).
Nos r6sultatsseraient done Intermediaires entre ceux de
James[13]
dans la bande fondamentale et ceux obtenus par
Meyer,
Haeusler et Barchewitz[28]
dans les ire et2e
harmoniques ;
les r6sultats de ces auteurs,qui
ont
opere
parspectrom6trie d’absorption,
sont tr6sprobablement plus precis
que les notres.Nous avons voulu comparer ces resultats a ceux
obtenus par
application
de la th6orie d’Anderson[31, 32]
dont Tsao et Curnutte ont donn6 une formese
pretant
au calculnum6rique [33].
On a tenucompte des interactions entre les moments
dipo-
laires
6lectriques,
entre ces momentsdipolaires
etles moments
quadrupolaires
mol6culaires(6lec- triques)
et entre les momentsquadrupolaires
mole-culaires. On a
pris
un momentdipolaire
de0,16 debye
pour la moleculed’oxyde nitrique
352
et un moment
quadrupolaire
mol6culaire de 4 X 10-26 ues cm2(les
memes pour les deux 6tats1/2
et
3/2) ;
nous avonspris
comme distance minimaled’approche
entre deux molecules deNO,
le diam6trede collision de la th6orie
cin6tique,
soit icibruin
=3,50 A.
Les valeurs retenues pour les cons-tantes spectroscopiques ont n‘ete Bol
=1,672
cm-1et
Bo2
=1,720
cm-1. Les calculs de Tsao etCurnutte ont
deja
6t6appliques
4 différentes mole- culesdiatomiques
par Benedict et Herman[34] ;
nous avons fait un calcul
numerique
du meme type, maisadapt6
a la situationparticuli6relde
NO(mole-
cule dans un 6tat 27t et non
ly,).
Lescalculs
ont 6t6 faits sur un ordinateur UNIVAC 1107 en utilisant lelangage
Fortran4 ;
on peut voir sur le tableauci-joint
que notre calcul concorde assez bien avecles r6sultats de
Meyer,
Haeusler et Barchewitz.L’auteur
exprime
ses remerciements a M. le Professeur Barchewitz pour ses conseils fructueuxet les facilités
qu’il
lui aaccord6es,
et a M.Legay,
Maitre de Recherches au C. N. R.
S., qui
lui a donnel’idée
d’entreprendre
ce travail et I’a efficacement conseille.Manuscrit reçu le 19
janvier
1966.BIBLIOGRAPHIE
[1]
GILLETTE etEYSTERS, Phys. Rev., 1939, 56, 1113.
[2] SHAW,
J. Chem.Physics, 1956, 24, 2,
399.[3] NICHOLS,
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