Résonances hertziennes du niveau n = 4 de l'atome d'hélium une fois ionisé

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Submitted on 1 Jan 1958

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Résonances hertziennes du niveau n = 4 de l’atome d’hélium une fois ionisé

G.W. Series, W.N. Fox

To cite this version:

G.W. Series, W.N. Fox. Résonances hertziennes du niveau n = 4 de l’atome d’hélium une fois ionisé.

J. Phys. Radium, 1958, 19 (11), pp.850-853. �10.1051/jphysrad:019580019011085000�. �jpa-00235948�

RÉSONANCES HERTZIENNES DU NIVEAU

4 DE L’ATOME D’HÉLIUM UNE FOIS IONISÉ

par ^{G. W. SERIES et W. N.} FOX (Clarendon Laboratory, Oxford)

Résumé. 2014 On étudie les transitions dipolaires électriques ^entre les états magnétiques ^des

niveaux 4S1/2 ^et 4P1/2 de l’hélium ionisé He+

de

le déplacement ^{LAMB de}

niveaux. Les ions excités sont produits ^dans

décharge ^{à basse} pression. ^Les résonances sont détectées _par le changement d’intensité qu’elles produisent

l’émission de la raie 4 686 Å qui correspond ^à la transition spectrale n = 4 ~ n = 3.

On utilise

cavité résonnante accordée

2 000 Mc/s. ^{On traverse} les résonances _par balayage

de champ magnétique ^à fréquence ^constante.

Abstract.

Electric dipole transitions between the magnetic states of the levels 4S1/2, 4P1/2

of singly ionised helium

being studied, ^with

^{view to} measuring the Lamb shift.

The excited ions

produced ⁱⁿ

glow discharge,

being ^detected by changes ⁱⁿ intensity of the line 03BB 4 686, which arises from the optical transition n

4

3.

A tuned cavity resonating ^{at about 2 000} Mc/s ^is used, the electric dipole

being swept through by varying

magnetic ^field.

19, 1958,

Introduetion.

Il est rappelé que les études

détaillées du spectre ^de l’hydrogène ^et de l’hélium ionisé ont montré l’insuffisance des théories de

mécanique quantique ^à moins de tenir compte ^de l’électrodynamique quantique.

Les mesures précises ^{du Lamb Shift} fournissent

un test précis ^de l’électrodynamique. ^{Dans l’hélium}

ionisé les niveaux n == ^{3 et n}

4 ont été étudiés en

spectroscopie par ^des méthodes interférométriques.

Les expériences décrites ici ont pour but ^l’étude

plus précise ^du Lamb Shift dans les niveaux n

4,

c’est-à-dire de l’intervalle 4Sl/2

4pl/2-

Les ions sont produits dans les niveaux 4Sl/2 ^et 4P 1/2 par ^une décharge produite dans l’hélium à

une pression ^{d’une fraction de} millimètre de mer-

Des transitions dipolaires électriques ^sont

induites entre les différents états magnétiques ^des niveaux, les résonances étant détectées par le ^chan- gement de l’intensité de la raie bleue X

4 686 A provenant ^de la transition

4

3. La détection de ces résonances est possible puisque

l’on sait que dans certaines conditions, ^{une dé-} charge peut produire dans l’hélium davantage

d’ions dans l’état 4Sl/2 que dans l’état 4pl/2, Principe ^{de la méthode.}

^La figure ^{1 montre le} diagramme des niveaux d’énergie pour la transi- tion n

4

3, ^calculé d’après ^{la théorie}

de Dirac avec les corrections de l’électrodynamique.

Elle montre également ^{la structure fine} prévue

pour la raie 4 686, ^{les hauteurs des} composantes

étant proportionnelles ^aux probabilités ^{relatives de}

transition. Il apparaît qu’il n’y ^{a pas} de désaccord entre ces probabilités de transition et les intensités

observées ^sauf pour ^deux composantes ^provenant

du niveau 4Sl/2. Lorsque ^la pression ^{et la densité}

de courant sont faibles, l’intensité de ces compo- santes est plus ^forte que l’intensité prévue ^avec l’hypothèse ^d’une égale population ^{dans tous les}

FIG. 1.

Diagramme des termes

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019580019011085000

851

niveaux. Herzberg [1] ^{et Series} [2] expliquent ^cette

intensité anormale _par une population cinq ^fois plus élevée du niveau 4Sl/2,

L’inégalité ^de population provient probablement

de la durée de vie anormalement courte de l’ion

excité, qui, lors d’une décharge ^{à basse} pression, peut ^être plus ^courte que l’intervalle ^entre colli- sions. Puisque ^le photon s’échappe, ^un équilibre statistique n’est pas établi. Herzberg [1]

proposé

une explication ^{de ces} inégalités ^de population ^sur

cette base.

Méthode.

L’intervalle 4s1/2

4P1/2 ^est sup -

posé être d’environ 2 000 Mc/s, ^de sorte que l’appli-

cation d’un champ oscillant à cette fréquence peut

causer des transitions entre les niveaux. Puisque,

de plus, le passage de 4pl/2 ^à 3Sll2 ^{est environ}

20 fois plus rapide que de 4Sl/2 ^à 3Pl/2, ^{la transi-}

tion hertzienne produira ^une modification de l’intensité de la lumière émise. A la résonance, l’intensité des composantes ^{6a et 4} augmentera

alors que l’intensité de 6b ^et 3 diminuera. On

estimé que ^ces modifications d’intensité

combi- neront pour produire

changement ^de 0,1 % ^de

l’intensité de 4 686 A lors de la résonance.

FIG. 2.

États 4Sl/2, 4Pl/2,

champ magnétique.

Les résonances entre les différents états magné- tiques ^sont produites ^en appliquant ^un champ ^de fréquence ^{fixe et en} variant le champ magnétique.

La figure ^{2 montre} l’énergie ^{des états en fonction}

du champ magnétique, ^en prenant pour ^valeur

supposée ^de l’intervalle 4Sl/2

4P1/2 ^{le Lamb}

Shift théorique. Les niveaux sont appelés ^a, P, e, f,

suivant les conventions de Lamb [3]. ^{Les transi-}

tions dipolaires électriques permises ^{sont celles} qui correspondent, ^entre les états S et P, ^{à AMj}

⁰ ou :1: ^{1. Ces} transitions sont montrées en fonction du champ magnétique ^{sur la} figure ^3.

La gamme de fréquence ^{de notre} oscillateur et le champ magnétique ^{que l’on} peut disposer

limitent les investigations ^{initiales à} l’aire encadrée.

Dans cette région ^{on trouve} la résonance cyclotron

. des électrons qui

^été observée. Sa largeur ^{de raie}

est de 50 à 100 _gauss, plutôt ^moins que celle atten- due _{pour la} résonance atomique.

Dan§les premières expériences, ^{on a étudié les} transitiôiisai, ^ae pour lesquelles ^{AMJ == -4- 1. Dans}

FIG. 3. - Fréquence ]de ^résonance

fonction du champ.

ces transitions le vecteur électrique ^du champ ^de radiofréquence ^est perpendiculaire ^au champ

constant.

A cause de la difficulté expérimentale ^{de faire}

varier la fréquence ^en gardant ^la puissance ^cons-

tante une fréquence ^fixe est employée ^{et les réso-}

nances sont décrites en faisant varier le champ magnétique. ^Cette ,variation ^de champ produit ^des

effets indésirables en modifiant le régime ^{de dé-} charge. Ces effets sont particulièrement importants puisque ^la largeur de la résonance est estimée à

plus ^de.100 gauss. Beaucoup ^{d’efforts ont été dé-} ployés pour essayer de supprimer ^{cet effet.}

Les changements d’intensité de X

4 686 sont observés au moyen d’un photo-multiplicateur

E. M. I. sensible au bleu qui ^est protégé ^du champ magnétique ^au moyen dTun blindage ^{en mu-métal.}

Puisque ^le signal attendu’est faible, ^{une détec-}

tion de phase ^est employée. ^Les paramètres que l’on peut ^{moduler sont} 1) fréquence ^du champ ^de

radiofréquence ; 2) amplitude ^du champ ^{de radio-} fréquence ; 3) champ magnétique ^constant.

La première ^méthode n’est pas possible ^avec

notre appareillage, alors que la dernière ^est difficile

avec -les bobines d’Helmholtz employées. ^{On se}

sert donc d’une modulation d’amplitude ^{en ondes}

carrées de la radiofréquence.

Un enregistreur

^{Evershed et} Vignoles )) ^est branché ^à la sortie du détecteur de phase, ^la largeur

de bande du système ^{étant variable de 10} c/s

à 0. 1 c/s.

Expérience.

^La figure ^{4 montre} schématique-

ment le montage expérimental. ^La décharge ^est produite ^à l’intérieur d’une cavité accordable. La raie 4 686 est isolée par ^un spectrographe ^auto-

collimateur à grande ouverture. Il n’était pas pos- sible d’employer ^{un filtre} interférentiel à cause de la proximité d’une raie d’arc très intense de l’hélium éloignée ^{de 20 A} approximativement.

FIG. 4.

Diagramme d’ensemble de l’appareil.

Un pont o.ptique ^{a été} quelquefois employé pour

diminuer le signal parasite dû à la modification du

régime ^{de la} décharge. ^Pour cela, ^la sortie d’un second photomultiplicateur qui reçoit ^une partie

de la lumière totale de la décharge ^est opposée ^au signal ^du photomultiplicateur ^{recevant la radia-}

tion 4 686. Il aurait été préférable d’opposer ^une

autre raie d’étincelle ^au lieu de la lumière ^totale pour éliminer les effets parasites ^{mais aucune de}

ces raies ne se trouve dans une région spectrale

facilement accessible.

FIG. 5.

Résonateur et tube à décharge.

Le premier système d’électrode pour ^la décharge

était constitué par ^une cathode formée _par une

épingle ^{à cheveu en} fil d’aluminium située juste ^au

delà de la terminaison du conducteur central du résonateur coaxial, lequel forme l’anode. _{Un sys-} tème à vide était construit autour de cet arran-

gement ^au moyen de scellement cuivre-verre,

comme le montre la figure ^{5. Le courant} était main-

tenu à moins d’un milliampère ^{et la} décharge ^lumi-

neuse apparaissait ^{comme une} ligne partant ^du

centre de la boucle. La tache anodique ^{était assez} erratique ^{et en même} temps l’oscillateur était ins- table. Seule ^une série de mesures

pu être menée à bien.

Des résonances ont été observées aux positions prévues pour les transitions a/ et ae, les intensités relatives et les largeurs ^étant celles attendues. Dif- férents systèmes de cathode ont été essayés ^sans

succès. Un second système s’est trouvé être trop sensible au changement ^de champ magnétique. ^On

a

décidé d’employer ^{un troisième} type ^{de tube à} décharge fonctionnant dans des champs ^magnéti-

ques plus ^{élevés. Dans de tels} champs les modifica- tions relatives de la décharge, lorsque ^le champ magnétique ^varie pour ^{décrire une} résonance, ^ont

été diminuées. La décharge excitée par ^un oscilla- teur à 14 Mc js ^est maintenant produite ^à l’intérieur d’un tube de verre placé à l’intérieur de la cavité.

Cet arrangement ^{semble être} satisfaisant pour ^les

champs ^{de 2} k/gauss. Les détails essentiels sont

FIG. 6.

Résonateur et tube à décharge.

représentés ^{sur la} figure ^{6. Un tube sans électrode}

de section rectangulaire ^est ajusté ^{dans la fente du}

résonateur. Celui-ci est accordé à l’aide d’une

baguette ^de quartz. ^La décharge ^{est excitée.} par

capacité ^{à travers deux} électrodes en feuille de cuivre. Les impuretés de l’hélium sont éliminées.

à l’aide de 2 pièges ^{à charbon} refroidi, ^{en amont}

et en aval du tube à décharge. ^{Plusieurs séries de}

mesures ont été faites qui ^{montrent différents} types ^{de résonance} mais il y

également ^de grands

effets de bruit de fond.

Afin d’augmenter l’amplitude ^du signal cherché,

nous projetons ^{d’isoler au} moyen d’un interféro-

853 mètre Perot et Fabry ^les composantes ^{de la raie}

4 686 A qui ^{sont le} plus ^affectées par la transition hertzienne. Celles des composantes qui ^{ne sont} pas affectées par la résonance pourront ^{servir comme} signal ^{de référence.}

RÉFÉRENCES

[1] ^HERZBERG (G.), ^Z. Physik, 1956, 146, ^269.

[2] ^SERIES (G. W.), ^Proc. Roy. Soc., 1954, ^A 226, 377.

[3] ^LAMB (W. E.) ^et RETHERFORD (R. C.), Phys. ^Rev., 1950, 79, 4, ^549-572.

DISCUSSION

A. Kastler.

Ne peut-on pas appliquer ^la technique ^{de Javan à la mesure du} déplacement

de Lamb en irradiant de l’hydrogène atomique ^avec

la raie 1 215 A de He+, qui ^est proche ^de Lyman ce, et en complétant la différence de fréquence par ^un

champ ^de radiofréquence ?

G. W. Series

Les largeurs de raies dans une

telle expérience seraient la largeur Doppler ^{de la}

source. C’était précisément ^la largeur Doppler qui

limitait la précision ^{des mesures} optiques.