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Effet stark du niveau 6 3D1 du mercure
M. Chantepie
To cite this version:
M. Chantepie. Effet stark du niveau 6 3D1 du mercure. Journal de Physique, 1974, 35 (2), pp.113-119.
�10.1051/jphys:01974003502011300�. �jpa-00208133�
EFFET STARK DU NIVEAU 6 3D1 DU MERCURE (*)
M. CHANTEPIE
Laboratoire de
Spectroscopie Atomique (**)
de l’Université deCaen,
14032 CaenCedex,
France(Reçu
le 24septembre 1973,
révisé le 15 octobre1973)
Résumé. 2014 Nous avons mesuré le
déplacement
de laposition
du croisement de niveaux de l’état 63D1
del’isotope 199Hg
excitéoptiquement
par échelonslorsqu’un champ électrique statique
est
appliqué parallèlement
à la direction duchamp magnétique.
Nous avons montré, en utilisantl’approximation
de Coulomb pour lesparties
radiales des fonctions d’onde, que l’effet duchamp électrique
étaitprincipalement
dû au faible écartd’énergie séparant
les deuxconfigurations
6s 6det 6s
7p.
Abstract. 2014
Using
astepwise
excitation, we have measured the shift of the levelcrossing
in the6
3D1
state of theisotope 199Hg
when an electric fieldparallel
to themagnetic
field isapplied.
Wehave shown,
using
the Coulombapproximation
for the radial part of the wave functions, that the effect of the electric field wasprincipally
due to the small difference in energy between the 6s 6d and 6s7p configurations.
Classification Physics Abstracts
5.230
1. Introduction. - Le
déplacement
Stark différen-tiel du niveau 6s
6p
63Pl
du mercure, c’est-à-dire la différenced’énergie E(mj =
+1 ) - E(mj = 0) lorsqu’un champ électrique
estappliqué,
a faitl’objet
de trois études différentes. La
première,
due à Bla-mont
[1],
faitappel
à la méthode de la double réso-nance et a été réalisée sur les
isotopes pairs
etimpairs ;
la deuxième est due à
Khadjavi et
al.[2] qui
ontobservé l’effet Hanle de ce niveau
perturbé
parl’appli-
cation d’un
champ électrique parallèle
à la direction duchamp magnétique ;
ladernière,
due à Kaulet ul.
[3],
est basée sur l’observation dudéplacement
de la
position
du croisement de niveaux entre les sous-niveaux Zeemanhyperfins
del’isotope 199Hg
en
champ magnétique
élevélorsqu’on
superposeparallèlement
à celui-ci unchamp électrique statique.
Nous avons
appliqué
cette dernière méthode à l’étude du niveau 6s 6d3 D 1;
pour éviter la mesure duchamp électrique,
nous avonscomparé
lesdéplacements
descroisements de niveaux sur les deux états 6
3p
1 et6
3Dl.
Nous avons puainsi, grâce
aux résultats deKaul,
donnerl’expression
dudéplacement
du croise-ment de niveaux pour l’état 6
3Dl
en fonction de(*) Cet article a fait l’objet d’une communication à la 5e confé-
rence de l’EGAS, juillet 1973.
(**) Associé au CNRS.
l’intensité du
champ électrique.
Contrairement à cequi
se passe pour l’état 63P1 [3],
ledéplacement
Starkde ce croisement ne peut
s’exprimer simplement
enfonction du coefficient de
polarisabilité
tensoriel du niveau 63D1;
eneffet,
l’hamiltonienhyperfin
et decouplage
Zeemanmélange
les sous-niveaux 63D,
et6
1 D2,
de sortequ’un
calculplus
détaillé est néces-saire. Nous avons effectué ce calcul
qui
permet demontrer que
l’importance
dudéplacement
est liéeau faible écart
séparant
lesénergies
desconfigurations
6s 6d et 6s
7p.
2. Mise en évidence de l’effet Stark sur le niveau 6
3D
i del’isotope 199Hg;
résultatsexpérimentaux.
-2.1 1 DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL. - Le
dispositif expé-
rimental utilisé pour l’observation des
déplacements
des
positions
des croisements de niveaux dus àl’appli-
cation du
champ électrique
Edirigé
suivant H(Fig. 1)
dans les états 6
3Dl
et 63P1
ne diffèrepratiquement
pas
(excepté
pour la cellule derésonance)
de celuique nous avons utilisé pour l’étude des croisements de niveaux dans les états de la
configuration
6s6d ;
nous avons
déjà
décrit cesexpériences [4].
L’excitationet la détection sont
perpendiculaires
entre elles etperpendiculaires
à la direction de E et de H. L’exci- tation est assurée par unelampe placée
contre lacellule de résonance. L’excitation du niveau 6
3p
1 estdirecte
(absorption
de la raie(6 ~So-6 3p 1)
2 537À).
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01974003502011300
114
FIG. 1. - Dispositif expérimental.
L’excitation du niveau 6
3Dl
est une excitation par échelons : l’excitationprimaire porte
les atomes dans l’état intermédiaire 63p
1 et l’excitation secondaire dans l’état 63D1
parabsorption
des raiesLa cellule de résonance
(Fig. 1)
à électrodes internes estcubique,
en silicefondue,
de 3 cm de côté. Les électrodes sont circulaires et leurépaisseur
de 3 mm, la distance interélectrodes est d’environ 8 mm. Les deux électrodes sont soutenues par deuxtiges
entungstène,
les passages avec l’extérieur sont obtenusen soudant le quartz de la cellule sur les
tiges.
Le
champ électrique
est fourni par ungénérateur électrostatique
80 000 V SAMES B 8002. Les liaisonsélectriques
entre les câbles d’alimentation et les électrodes sontnoyées
dans du silastène RTV 502 pour éviter l’éclatement d’arcs dans l’air.La cellule de résonance est
remplie
avec unmélange isotopique
enrichi enisotope 199Hg (taux
d’enri-chissement
86,11 %).
Elle ne contient pas de gazétranger (à l’exception
de ceux provenant dudégazage
inévitable de la
cellule)
afin d’éviter unedécharge
entre les électrodes. Les valeurs des
champs électriques
que nous pouvons atteindre sont de l’ordre de 60
kV/cm
à 7 000 G et 15kV/cm
à 9 000 G. Au-delàde ces valeurs une
décharge
s’amorce dans la vapeur de mercure au niveau des vis deblocage
des électrodessur leur support, le
champ électrique
étantorthogonal
au
champ magnétique
en cespoints.
2.2 OBSERVATION DU DÉPLACEMENT DE LA POSITION DU CROISEMENT DE NIVEAUX DANS L’ÉTAT
6 3p l’ -
Compte
tenu des conditionsexpérimentales
d’exci-tation et de
détection,
nous observons un croisement de niveaux entre les deux sous-niveaux Zeemanhyperfins F
=É,
m,= - 2 ~
etF = 2,
mF= 2 ~.
La valeur
expérimentale
duchamp
de croisement estHc
= 7092,2
G[5].
En utilisant une méthoded’accumulation de
données,
le rapportsignal
surbruit est de l’ordre de 20
après
10 mind’intégration lorsqu’on
nediaphragme
ni l’excitation ni la détec-tion,
etlorsque
latempérature
du queusot est de 0 °C. Dans cesconditions, lorsqu’une
différence depotentiel
estappliquée
entre les deuxélectrodes,
nous observons d’abord une déformation de la courbe de
croisement ;
cette déformation s’accentueau fur et à mesure que la différence de
potentiel augmente
et pour uneddp
de 50 kV ondistingue
nettement deux croisenients : l’un
correspond
auxatomes situés hors du
champ électrique
et l’autreaux atomes situés dans le
champ électrique.
Si ondiaphragme
à l’excitation et à la détection de sorte que seuls les atomes situés dans lapartie
centraleinterélectrodes soient excités et
observés,
on constateque seul le second croisement subsiste. Le
déplacement
de la
position
du croisement est de l’ordre de 2 G pour uneddp
de 50 000 V entre les deux électrodes.Cette valeur est en accord avec les résultats obtenus par Kaul
[3], compte
tenu de la distance interélec- trodes.2.3 OBSERVATION DU DÉPLACEMENT DU CROISE- MENT DE NIVEAUX DANS L’ÉTAT 6
3D 1.
- Pour l’état 63D1,
le croisement de niveaux que nous observonsa lieu entre les états
hyperfins F = 2,
mF= 2 ),
et F =
2,
MF= - 2 ).
La valeur duchamp
decroisement est de 8 932 G
[4].
L’observation de cecroisement se fait habituellement
[4]
enremplissant
la cellule de résonance avec, outre le mercure, de l’azote sous une
pression
de0,9
torr, les collisionsHg (6 3p 1)’ N2 ayant
lapropriété
de créer ungrand
nombre de métastables 6
’P,
àpartir desquels
il estaisé d’exciter l’état 6
3D,. L’impossibilité
que nousavons ici d’introduire un gaz
étranger
dans la cellule de résonance sans créer dedécharge
rendimpossible
l’utilisation de ce
procédé.
Nous avons donc observé le croisement de l’état 63Dl
avec la même cellule que pour l’état 63p l’
Lerapport signal
sur bruit estde l’ordre de 20
après intégration
sur unejournée lorsqu’on
nediaphragme
pas l’excitation et la détec- tion etlorsque
latempérature
duqueusot
est de 20 °C. Ce rapportsignal
sur bruit est obtenu avecdes
lampes
neuves(au
fur et à mesure que leslampes
vieillissent il
diminue ;
ceci est dû au noircissement deslampes,
ce noircissement étant vraisemblablementprovoqué
par unphénomène
desolarisation).
Nousavons utilisé deux types de verre pour
fabriquer
ceslampes,
du vycor et de la silice M 68(Heraeus)
et lesrésultats sont
comparables.
Pour les raisonsindiquées
au
paragraphe 2.1,
nous ne pouvonsdépasser
deschamps électriques
de 15 000V/cm.
Bien que ledéplacement
Stark du croisement de niveau soitbeaucoup plus grand
que pour l’état 63p l’
son obser-vation reste difficile à cause de la
grande largeur
ducroisement
(40 G),
du rapportsignal
sur bruit et dela valeur limite du
champ électrique applicable.
Comme pour l’état 6
3p@
nous avons utilisé desdiaphragmes
à l’excitation et à la détection.2.4 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX. - Le
déplace-
ment Stark du croisement de niveaux dans l’état 6
3p l’
quand
lechamp électrique
estappliqué parallèlement
au
champ magnétique,
est donné par la relation[3]
où
Ytens (3p )
etgJ(3P 1)
sontrespectivement
le coeffi-cient de
polarisabilité
tensoriel et le facteur de Landéélectronique
du niveau3p l’
J.1B étant lemagnéton
de Bohr.
D’après
Kaul[3],
atens(3P1) = 1,578
+0,016 kHz/(kV/cm)2 .
Par ailleurs
gJ(3D1)
=1,486 [6].
La valeur
correspondante ~H(3D1)
est donnéepar une relation que nous écrivons sous la forme
La relation
(1)
permet de calibrer l’intensité duchamp électrique appliqué ;
la valeur de k que nous mesurons alors est3. Etude
théorique
de l’influence duchamp électrique
sur la
position
du croisement de niveaux dans l’état 63D1.
- L’influence duchamp électrique
sur laposition
d’un croisement de niveaux d’un état de J = 1 pour unisotope impair
despin
nucléaireI
= 2, s’exprime
trèssimplement
par la relation(1)
du
paragraphe
2.4. Enparticulier,
pour l’état 63p
1elle permet de déterminer directement le coefficient de
polarisabilité
tensoriel de cet état. Nous remarquonscependant
que nous n’avons pas utilisé au para-graphe
2.4 uneexpression
similaire pour l’état 63D1-
Cela
provient
du fait que l’état 63p
1 peut être consi- déré comme très bien isolé dans laconfiguration
6s6p,
et que dans ces conditions le calcul de l’effet du
champ électrique
peut s’effectuer trèssimplement [3].
Il n’enest pas de même pour le niveau 6
3D1 qui
est trèsvoisin du niveau 6
1 D2
dans la mêmeconfiguration
6s 6d. Pour cette
raison,
nous sommesobligés
detenir compte des interactions
hyperfines
et Zeemanentre ces deux états pour décrire l’action des
champs magnétique
etélectrique.
3 . 1 ACTION DU CHAMP
MAGNÉTIQUE.
- Nousavons
déjà
décrit l’action duchamp magnétique
surles niveaux de la
configuration
6s 6d del’isotope 199Hg
lors de l’étude des structures
hyperfines
de ces états[4].
Nous ne prenons ici en considération que les interac- tions entre l’état 6
3D,
1 et 61 D 2’
les interactionsavec les autres états
n’ayant pratiquement
aucuneffet sur le calcul de ~H.
Rappelons
que l’on choisit comme hamiltonienoù
Jeo représente l’énergie
des niveaux D sans struc- turehyperfine
enchamp magnétique nul, Jeh
l’interactionhyperfine,
Jez
l’interaction Zeeman.La
diagonalisation
des pour différentes valeurs de H permet de tracer lediagramme
Zeeman et decalculer les fonctions d’onde des sous-niveaux.
En
particulier,
pour les deux sous-niveauxqui
secroisent les deux sous-matrices donnant les
énergies
et calculées sur la base des fonctions
sont pour le niveau de
mF = 2
et, pour le niveau de MF
= - 2 1
LE JOURNAL DE PHYSIQUE. - T. 35, N° 2, FÉVRIER 1974
116
Ces sous-matrices ont été établies
grâce
aux for-mules de la référence
[7].
Pour ces deux sous-matrices :gJ(3D1)
etgJ(l D2)
sont les facteurs de Landéélectroniques
des deuxsous-niveaux ;
A(3D1)
etA(1D2)
les constantes de structureshyperfines ;
E(3D1)
et£(1 D2)
lesénergies
des niveaux sans structurehyperfine
et enchamp magnétique nul ;
as la constante de structure
hyperfine
de l’élec- tron6s ;
X == IlB H ;
fl
est le coefficient decouplage
intermédiaire.Les termes
dépendant
du facteur de Landé nucléaire et des constantes de structurehyperfine
de l’élec- tron 6d ont éténégligés,
leurs effets sontnégligeables
sur le calcul de dH. _
où les
fonctions 1 !, 1 D~, F, mF ~ et 1 !, 3D°, F, mF ~
sont les fonctions d’onde des sous-niveaux en cou-
plage
LS pur et enchamp magnétique
nul.En outre
Ci
= aA + {3 v1" et a2 + ~i2
- 1.
Les valeurs des constantes sont connues
expéri-
mentalement :
(*) HUET, Communication personnelle.
Dans ces conditions pour la valeur de H correspon- dant au
champ
decroisement,
les fonctions propres des sous-niveaux Zeemanqui
se croisent sont :Leurs
pentes
sont alors :3.2 ACTION DU CHAMP
ÉLECTRIQUE.
-L’applica-
tion d’un
champ électrostatique
se traduit par l’addi- tion d’un termesupplémentaire [2], [9] XE
à ~.XE
= -E.p
où p est le momentdipolaire
élec-tronique
de l’atome.JC~
a pour effet de modifierlégèrement l’énergie
desniveaux ;
c’est unopérateur impair
et les variationsd’énergie
seront données àl’ordre le
plus
bas par une théorie deperturbation
du second ordre. Cette
perturbation
peut en fait[2], [9]
être formellement considérée comme une pertur- bation dupremier
ordre~E. XE peut [2], [9]
semettre sous la forme d’une somme de deux termes
Jescal
etJetens.
Jescal
est unopérateur
scalairequi
nedépend
que du module deE,
et son action a pour effet de modifierl’énergie
dechaque
sous-niveau d’une mêmequantité ;
Il ne modifie donc pas la
position
du croisement de niveaux et nous n’en tenons pas compte.Jetens
est unopérateur
tensoriel du secondordre ;
nous pouvons calculer les variations
d’énergie
dessous-niveaux dues à cet
opérateur
en utilisant unethéorie de
perturbation
dupremier
ordre.Si on
appelle ~E(2, D 2 2
et~E(2, 3D1, !, !)’
les variations
d’énergie
des sous-niveaux Zeemanqui
se
croisent,
ledéplacement
AHcorrespondant
s’écrit :cette formule est la
transposition
au3D1 de
la for-mule
(5)
référence[3]
relative au3p l’
*Pour calculer ces éléments de
matrice,
nous avons utilisé le formalismedéveloppé
par les auteurs de la référence[2]
et[9].
Enparticulier
pour unchamp électrique dirigé
suivant Oz :2S+ 1L J il b2 I 2S’ + lLJ’ >
est l’élément de matrice réduit d’unopérateur
tensoriel d’ordre 2.Dans ces
conditions, compte
tenu des fonctions d’onde aupoint
de croisement des sous-niveauxZeeman,
avec
Les termes B et C rendent
compte
dumélange
des fonctions d’onde des états3D1
et1D2
résultant des interactionshyperfines
et Zeeman.D’après
la formule(2 . ~
de la référence[9]
etd’après
lespropriétés
desopérateurs
tensoriels[10]
£(28+ 1 LJ) représente l’énergie
de l’étatétudié,
£(28"+ 1 L;,,) représente l’énergie
des étatsperturbateurs.
Dans
l’expression
de B etC, E(28+ 1 LJ) représente l’énergie
du niveau’D,
et non celle du niveau1D2 puisqu’il s’agit
du calcul de la variationd’énergie
du niveau3Dl (théorie
desperturbations
au secondordre).
Les états
28" + 1 L;, appartiennent
à desconfigurations
deparité opposée
à celle de laconfiguration
des états28+ 1 LJ
et28’ + 1 LJ"
La suite du calcul consiste àdécomposer
les fonctionsd’onde ~ 1 28+ 1 LJ)
sur la base desfonctions
1 211 ’L’ ). D’après
les formules(21)
et(22)
de la référence[2]
Dans le cas
précis qui
nous intéresse lesétats ~ 12S+ IL’ > appartiennent
tous à desconfigurations
du typensnl,
seul l’électron 1 entre en
ligne
de compte dans le calcul de l’élément de matrice réduite est la valeur absolue de la
charge
del’électron,
1 > la
plus grande
valeur de 1 et de1’,
R.Ir
la fonction d’onde radiale de l’électron nl.118
Les
configurations perturbatrices auxquelles
appar- tiennent lesétats 28" + 1 L;"
sont lesconfigurations 6snp
et 6snf.Compte
tenu del’énergie
de cesconfigura-
tions, on doit s’attendre à un effet relativement
important
de laconfiguration
6s7p,
car la différenced’énergie
entre les états 63 D,
et 7’Pl
n’est que de 41cm-’
alors que la différence entre lesénergies
des états 6
3D]
et 83Po (état
appartenant à la confi-guration
laplus proche après
laconfiguration
6s7p)
est de 5 III 1
cm -’ .
Pour cette raison nous avons divisé l’effet desconfigurations perturbatrice
en deux par- ties : i dans lapremière,
nous avons étudié l’effet de l’ensemble desconfigurations
àl’exception
de laconfiguration
6s7p
et dans la deuxièmepartie
nousavons étudié l’effet de la
configuration
6s7p.
3.2. 1
Effét
de l’ensemble desconfigurations
àl’exception
de laconfigurutrorc
6s7p.
- Pour calculerl’effet des
configurations
autres que laconfiguration
6s
7p,
nous avons fait un certain nombred’approxima-
tions. Nous avons d’abord
supposé
que l’effet dûaux termes en B et C était
négligeable (0,005
2 et0,072
50,228 9).
Nous avons considéré les fonctions d’onde des états
perturbateurs
comme étant celles ducouplage
LSpur.
(Ceci
n’est pas forcément vrai mais conduit àun résultat exact ; cela revient à dire que les écarts
d’énergie
entre l’état 63D,
et les états detriplet
et de
singulet
d’uneconfiguration perturbatrice
sontconsidérés comme
égaux.)
Pour le calcul des
intégrales radiales,
nous avons utilisél’approximation
coulombienne de Bates etDamgaard [11 ].
Enfin nous n’avons considéré que l’effet des confi-
gurations
6s6p ;
6s8p
et 6s 5f.D’après
Bates etDamgaard [11],
les valeurs desintégrales
radialesexprimées
en unitésatomiques
sontles suivantes :
Bd /
(valeur
donnée par Bates etDamgaard).
valeurs calculées
d’après
la méthode de Bates etDamgaard.
Dans ces conditions l’effet de ces
configurations produirait
undéplacement
de laposition
du croise-ment de niveaux
qui
serait donné par un coefficient k’k ‘ = - 0.027
G/(kV/cm)2 .
3 . 2 . 2
Effet
de lacon.figuration
6s7p.
-Compte
tenu du
paragraphe précédent,
l’effet de laconfigu-
ration 6s
7p produit
undéplacement
du croisementde niveaux
qui
est donné par un coefficient k" = k - k’ = 0,217G/(kV/cm)2 .
Les états de la
configuration
6s7p
sont les états7
’Pl, 7 3P2,
7~P~ 7 ~Po.
Les fonctions d’onde desétats 7
3p
1 et 71 Pl
sont celles ducouplage
inter-médiaire. Si on
appelle
a’et fl’
les coefficients decouplage
intermédiaireLe calcul de l’effet de la
configuration
6s7p dépendra,
donc du choix de ces coefficients et aussi de la valeur de
l’intégrale
radiale entre lesconfigurations
6s 6det 6s
7p.
Apartir
de la valeur de k" nous pouvons, soit calculer la valeur del’intégrale
radiale en utilisantles valeurs des coefficients de
couplage
intermédiaire données par laposition
des niveauxd’énergie,
soitau contraire calculer ces coefficients en utilisant la valeur de
l’intégrale
radiale calculéed’après
laméthode de Bates et
Damgaard.
,En fait le calcul montre que le résultat
dépend
defaçon
très sensible du choix de cescoefficients ;
ceciprovient
de ce que AE est dûprincipalement
auxtermes en A et C et que ces deux termes sont du même ordre de
grandeur
mais designes opposés,
de sortequ’un
faiblechangement
des coefficients decouplage
intermédiaire modifie considérablement le résultat.
C’est pour cette raison que nous avons
préféré
utiliser la valeur de
l’intégrale
radiale calculée par Bates etDamgaard
et déduire/3’.
En unités
atomiques
(valeur
donnée dans la référence[11 ]).
La valeur de
{3’
que nous déduisons est la suivante :Cette valeur
peut
êtrecomparée
à celle déduite de laposition
des niveauxd’énergie qui
est -0,506.
La différence entre ces deux valeurs peut
provenir
d’une interaction de
configuration
entre les états6s
7p 3P2
et5d9 6s~ 6p 3P2
relativementproches
l’unde l’autre.
4. Conclusion. - Nous avons pu
grâce
à l’excita- tionoptique
par échelons observer ledéplacement
de la
position
du croisement dans l’état 6’D,
del’isotope 199Hg.
Nous avons montré en utilisantl’approximation
de Coulomb que l’effet duchamp électrique
étaitprincipalement
dû au faible écartd’énergie séparant
les deuxconfigurations
6s 6d et6s
7p.
Les mesures effectuées nous fournissent des informations concernant les fonctions d’onde encouplage
intermédiaire dans laconfiguration
6s7p.
Il serait
souhaitable,
maisl’expérience paraît plus
difficile à
réussir,
d’étendre cetteexpérience
auxautres états de la
configuration
6s 6d.Cependant
des
expériences analogues
à celles deKhadjavi
semblent réalisables. Nous
espérons
lesentreprendre
prochainement.
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