Etude par pompage optique de la relaxation d'atomes de rubidium

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Etude par pompage optique de la relaxation d’atomes de

rubidium

Marie-Anne Bouchiat

To cite this version:

Marie-Anne Bouchiat. Etude par pompage optique de la relaxation d’atomes de rubidium. Physique

Atomique [physics.atom-ph]. Université Paris, 1964. Français. �tel-00011797�

SÉRIE A, N° 4312 N° D’ORDRE : 5162

THÈSES

PRÉSENTÉES

A LA

FACULTÉ

DES

SCIENCES

DE

L’UNIVERSITÉ

DE

PARIS

POUR OBTENIR

LE GRADE DE DOCTEUR

ÈS

SCIENCES

_PHYSIQUES

PAR

MARIE-ANNE

BOUCHIAT-GUIOCHON

1

re

THÈSE

ÉTUDE

PAR POMPAGE OPTIQUE DE LA RELAXATION D’ATOMES DE RUBIDIUM

2

e

THÈSE

PROPOSITIONS DONNÉES PAR LA FACULTÉ

ORIENTATION

NUCLÉAIRE

DE 3He

Soutenues,

le 25

_juin

1964,

devant la

Commission

d’Examen

MM. KASTLER

Président.

Jury

BROSSEL

DE

_GENNES

Examinateurs.

N° D’ORDRE : 5162

THÈSES

PRÉSENTÉES

A

LA

FACULTÉ

DES

SCIENCES

DE

L’UNIVERSITÉ

DE

PARIS

POUR OBTENIR

LE GRADE DE DOCTEUR

ÈS

SCIENCES

_PHYSIQUES

PAR

MARIE-ANNE

BOUCHIAT-GUIOCHON

1

re

THÈSE

ÉTUDE

PAR POMPAGE OPTIQUE DE LA RELAXATION D’ATOMES DE RUBIDIUM

2

e

THÈSE

PROPOSITIONS DONNÉLS PAR LA FACULTÉ

ORIENTATION NUCLEAIRE DE 3He

Soutenues,

le 25

_juin

1964,

devant la

Commission

d’Examen

MM. KASTLER Président.

Jury

BROSSEL

DE GENNES Examinateurs.

ÉTUDE

PAR

POMPAGE OPTIQUE

DE LA

RELAXATION

D’ATOMES

DE

RUBIDIUM

FACULTÉ

DES

SCIENCES

L’UNIVERSITÉ

PARIS

Doyen ... M. ZAMANSKY

PROFESSEURS

G JULIA T Analyse superieure et algèbre VASSY T Physique de l’atmosphere.

superieure

DFSTOUCHTS T Theories physiques.

PRENANT T Anatomie et histol comparees AMIFL T Chimie _generale GRASSI . T Évolution des êtres organises HOCART T Minéralogie et cristallog.

PRIVOST T Chimie organique J-P MATHIEU T Physique (Optique).

WYART T Mineralogie et cristallog COUTFAUX T Cytologie

TEISSR T Zoologie MAY T Zoologie (Orsay)

MANGLNOT . T Biologie vegetale (Orsay) _CHOQUIT T Théorie des fonctions et

topo-AUGFR T Physique quantique et rela- _logie.

tivite _{FELDMANN . T}

Biologie vegetale marine.

MONNIER T Physiologie generale GUINIPR .. T Physique des solides (Orsay).

PIVLTFAU . T Paleontologie JOST T Physiologie comparee.

ROCARD T Physique (E N S) FORTHT T Calcul des probabilites et

CARTAN T Mathematiques (E N S) physique mathemat

LAFEITTE T Chimie generale SCHWARTZ T Calcul differentiel et _integral.

TAVARD T Geometrie superieure CHOUARD T Physiologie vegetale

COUIOMB T Physique du globe MAIAVARD T Aviation (tech aeronaut ).

M Ile

COUSIN . T Biologie ammale (S P C N ) BRI LOI T Calcul differentiel et integr.

CHRLTILN T Chimie minerale NORMANT T Synthese organique

DRACH T Zoologie BENARD T Chimie minerale

KASTIER r Physique (E N S ) BUVAI T _{Botanique (E} N S)

EPHRUSSI T Genetique. DUGUI r Statistiques mathematiques.

RIVIÈRE T Geologie (S P C N) et sedi- _SOULAIRAC T _{Psy chophysiologie}

mentologie (Orsay) _{UIRICH T Physiologie vég appliquee.}

GAUTHFRET T Biologie vegétale (P C B) _MARI CHAL T Optique theorique et appl.

LUCAS R T Recherches physiques _{KIRRMANN T Théories chimiques} THOMAS A r Biologie cellulaire

CHADIFAUD T Botanique

ARNUI F T Optique appliquee _{MIIe LL}

BRLTON T Physiologie de la nutrition MORAND T Physique enseignement

LONG T _{Application de l’analyse} a la

SOI FILL r T Physique (P C B) _geometrie

FORTH R T Mécanique exp des fluides DIVILI RS T Anatomie et histol comparees.

PTIT T _Biologie maritime _{THRESMANN T l’opologie algebrique.} QUENLY T Météorologie et dynamique _FRANÇON T _{Physique (S} P C N ).

atmospherique _GIANGEAUD r Géograplue phys et géologie.

GALIU N T Embryologie _{GODEMLNT T Mathématiques (M G P)} FICHHORN

T

Botanique

egetale (S P C N) PISOT T Techn math de la physique

DI CUGNAC T Biologie vegetale (S P C N)

ROCH

T

Geologie

M Ile

CAUCHOIS T Chimie physique.

THELILLR . T Physique du globe SCHATZMANN T Astrophysique

L’HIRITIER T Biologie generale (Orsay) TERMIER T Geologle generale

GRIVET T Radioelectricite (Orsav) ZAMANSKY T Mathematiques genérales

PONCIN T Mécanique generale LINNUITR T Physique (M G P )

DUBRFIL T Arithmétique et theorie des RIZET T Genetique (Orsay).

nombres

ROUTHIER T Geologie appliquee.

QUELET T Chimie organique Mme TONNELAT T Physique theorique. CAGNIARD T Geophysique appliquee DINMIER T Mathematiques (M P C ).

CHAMPETIER T Chimie macromoleculaire SOUCHAY T Chimie generale

CUVILLIER T _{Micropaleontologie} AIGRAIN T Électrotechnique generale. JUNG T Géologie BRUSSET T Chimie systématique.

TRILLAT . T Miscroscopie et diffraction M LEVY T Physique theorique des hautes

electronique énergies (Orsay).

WIEMANN T Chimie organique et struct MmeCHAIX T Chimie biologique JACQUINOT . T Spectroscopie et _phys. céleste MmeHUREL-PY T Biologie végétale (P C B ).

BRUN T Mécanique théor des fluides JEAN T Physique nucléaire (Orsay).

LEDERE R T Chimie biologique (Orsay). MATTLFR r Physique (S P C N )

M me

DUBRIL . T Mathematiques (agrég) BERGERARD T _Zoologie (Orsay)

M me

LIONG T Mathématiques II _{(E N} S ). BRT IN T Électronique (Orsay).

BEIIAIR T Géologie (S P C N ). BOUISSIÈRES T Radiochimie

COTTI T _Physique électricité Mme COUTURI r Thermodynamique et mécan.

DUBOIS J E T Chimie organique physique

LAMOTTL T _{Zoologie (E N S )} EI INBE RG R T _Geologie des grandes régions

MIGHI A T Chimie minerale (Orsay).

du

globe

OLMER r _{Énergétique} génerale ERANC T Biologie animale (P C B )

ROUAUI T T Électricité (Orsay) SCHN Botanique tropicale

STOLKOWSKY T

Physiologie

_vegétale

GAUTHIER T Mécanique appliquée.

ACHER T Chimie biologique

BARCHEWITZ T Chimie physique

BROSSEL

WITZ

T Physique atomique BAUDOIN Biologie

animale (P C

B )

BUSER T _{Physiologie comparée} BEAUMONT Biologie animale (S P C N )

CAMUS T _{Physiologie vég (Orsay)} BLAMONT T Géophysique ionosphère CASTAING 1 Physique II Therm (Orsay). BOURRFAU . T Botanique

CURIEN T Minéralogie et _cristallog

CURIF

D

Physique

(M

G P.) MOYSL T _{Physiologie végetale (Orsay)} DURAND-DFIGA T Geologie

NOIROT T Évolution des êtres organ TRFON T Chimie organique (Orsay) PANNETIER T Chimie generale HELLER T Physiologie vegétale

POSSOMPES T _Zoologie TORTRAT T Calcul des probabilites PULLMANN T Chimie quantique CAILLEUX T Geologie (S P C N)

TELAC T Phys nucl. et radio-activite MAGNAN T Physique (S P C N )

(Orsay). DAUDEL r Med ondulatoire appliquée a

TONNLIAT . T Biologie physico-chim (Orsay).

la chimie theorique et a la

_{physique nucléaire}

VILLE

T

Économetrie

MIle FOURCROY. Biologie végetale (S P C N )

WILIEMART T Chimie (P C B ) _Mme

CHOQUFT-DODL . T Chimie (Orsay) BRUHAT T Mec anal et mec. céleste EREMMANN T Recherches physiques. MIle VEIL T Physiologie générale

GUINOCHET T Biol veg (S P C N.) (Orsay) LWOFF T Microbiologie.

ROLLET T Chimie minerale SIESTRUNCK T Mecanique phys et expérim

M Ile

JOSHN T Chumie (S P C N ) LACOMBE T Métallurgie des metaux nuel CHEVALLEY T Geometrie algeb et theorie des (Orsay).

groupes BROCHARD. T Physique (P.C B ) (Orsay)

ARNOULT T Électromque (Orsay) CABANNES T Mecanique generale.

CHAPFLIE T Physique I (Orsay) LESIEUR T Mathématiques 1 _(Orsay) DELANGI . T Mathématiques I (Orsay) _MAZET T Mecanique generale (Orsay)

DENY T Mathematiques gén (Orsay) CAIBE Geographie phys et géologie

GERMAIN T Mecanique theor des fluides dynamique

LUCAS G. T _Geologie. COMOLTT T Mécanique des fluides. ALLARD T Chimie physique CORABOEUI T Physiologie animale (Orsay).

BFRTHELOT T Physique des particules fonda- _DELLOUE

Physique de l’exosphère

mentales (Orsay)

GORFNFIOT Botanique II _(Orsay)

BRICARD T Méteorologie et physique de

l’atmosphere HOUILION . Biologie ammale (P C B )

M

Ile AIBE FESSARD T Psychophysiologie JULLIFN J Chimie (S P C N ) (Orsay)

FRIFDEL T _Physique des solides (Orsay). MALGRANGE T Technique math de la phys

M JULIA T Études des molécul compl (Orsay).

LLNDER

T

Biologie animale (S P C N)

OIIVIER Antropologie

(Orsay).

NOZERAN T

Botanique

II

(Orsay).

MAGAT T Physico-chimie des radio-

BLANC-élements

LAPIERRE

T Phys (E N S ) (Orsay)

M

IleQUINTIN T Électrochimie CHEVAUGEON. T Botanique (Orsay).

MONOD T Chimie du métabolisme. KAHANE... T Mathématiques (Orsay)

BENOIT T _Physiologie animale (Orsay) SAMUEL T Mathémat (E N S féminines).

DE POSSII T Analyse numerique. KOURGANOFF T Astronomie (Orsay).

CHARIOT T Chimie _analytique THIRY .. T Mecanique céleste

LLMLT T Écologie vegétale (Orsay) ABELÈS Physique (S P C N ).

GULRIN T Chimie (M P C) (Orsay) AMAT . T Physique (P C B ).

activité (Orsay) WIMEI T Astrophysique

BOUGIS Biologie marine _{(Villefranche- BALKANSKY}

. Physique (M.P C)

sur-Mer) _{LR CORRE T Électricrte}

BRUHAT T Mathematiques (M P C)

DILCROIN T Physique théorique (Orsay)

BRUNN T Geologie historique (Orsay) GOURDIN . Phys théorique des hautes

CHABBAI . T Physique (M G P) (Orsay) energies (Orsay)

DEIITUVELS T Mathematiques prop LLHMANN . T Phys. evpér des hautes éner-D’ESPAGNAT T Physique theorique (Orsay) gies (Orsay)

FURON T Geologie (S P C N ) NATAI T Physique nucléaire et radio-M

me

GANS T Genetique activite (Orsay)

GLNIVI S Biologie vegetale (P C B) ÉCHAIILR Biologie animale (P C B)

GUILBFRT . Physique (C S U) (Orleans) BARRAUD Physiologie cellulaire.

HUPL .

T

Petrographie.

DARS Geologie structurale et geo-HOLLANDE T Biologie generale. _{logie appliquee.}

LIONS . T Analyse numerique _{CAMLIORT T Botanique}

(agrégation).

MAITTE T Chimie (P C B) _{VICHNIEWSKY . T Mecanique industrielle.}

MEYER Physique propedeutique _{BLAQUEERF Llectronique (Orsay)}

NICOLAS Géologie appliquee _ARNOUS T Physique theorique.

PANIGFL Biologie generale TATIBOULT Chimie (C S U ) (Orleans).

RAVIER . Petrographie _{MALIIAVIN . T Mathematiques}

prop (Orsay)

ROSI AU r Mecan theor des fluides _{GAUDI MAR Chimie}

propedeutique.

ROUBINE T Électronique _PIRIZY JORBA Phys exper. des hautes

ener-SILBER T Chimie (P C B) gies (Orsay)

UEBFRSIFI D T Électronique DAVID T Chimie (agreg) (Orsay).

YVON T Theories physiques. BROUSSI T Mecanique theorique.

HFRVE T Mathematiques ROCH T Astronomie.

Le

_présent

travail a éte

_effectué

au Laboratoire de

_Physique

de

l’École

Normale

_Supérieure

au cours des annees 1960-1963. Je suis heureuse de remercier M.

ROCARD,

Directeur du

Laboratoire,

_pour son

_{hosprtalité.}

M. le Professeur KASTLER m’a accueillie dans son _groupe où

_j’ai

pu

béneficier

d’une

atmosphere scientifique

des

plus

stimulantes et d’excellentes conditions de travail. Je lui exprime toute ma reconnaissance.

M. J. _{BROSSEL n’a pas seulement}

_guide

mes recherches en

_{m’apportant}

sur tous les

_plans

une aide

_{indispensable,}

il s’est de

_{plus chargé}

de la

réalisation

_fort

_{delicate des enduits qui} sont etudiés dans ce travail.

_Qu’il

trouve ici le

témoignage

de ma

giatitude.

Au

_sujet

des

_problèmes

_theoriques

_que

_j’at

aboidés,

j’ai bénéficié

de discussions

_fructueuses

avec C. COHEN-TANNOUDJI et avec mon mari. M

Ile

S.

_BARRAL,

MmeVIDAL-COUREI et M. J. NASSER ont

_participé

à l’etude

expérimentale

de la variation du

_temps

de relavation en

_fonction

du

_champ

magnetique

et

_effectué

de nombreuses mesures. M. et Mme

_FRANÇOIS

ont

programmé

des calculs numeriques pour la calculatrice I.B.M. 1620. Je

les en remercie tous tres vivement ainsi _que tous ceux, chercheurs ou techniciens qui, par leur

aide,

ont rendu ce travail

_possible.

Je remercie la Direction des

Études

et

_Moyens

_{d’Essais pour l’intérêt}

qu’elle

a

_temoigne

à ces recherches et l’aide

_qu’elle

m’a accordée.

M

Ile BRODSCHI a assuré le travail

_ingrat

de la

_{frappe, je}

lui en suis

TABLE DES

MATIÈRES

PAGES

Introduction ... 1

CHAPITRE I. 2014

Origine physique

et caractères de l’interaction désorientatrice lors des collisions sur la _paroi ... 5

A. 2014 Caractères

généraux ...

5

B. 2014 Origine physique ...

7

C. 2014 Autres origines possibles ...

8

1

Interaction S · N...

8

2

_{Molécules polaires ...}

10

3 Autres interactions ... 11

D. 2014 Nature du processus

d’adsorption physique

... 13

1 Forces et durées

_{d’adsoiption...}

13

2 Nombre d’atomes adsorbés par unité de surface ... 14

3 Mouvement d’un atome adsorbé ... 15

4

_{Temps de corrélation ...}

16

CHAPITRE II. 2014 Théorie de la relaxation

magnétique

d’atomes alcalins... 19

A. 2014

Rappel

des

étapes

du calcul

_théorique

... 20

1

_{Champ faible ...}

21

2

_Champ

fort ... 32

3

Champ quelconque ...

32

B. 2014 Résultats relatifs à un spin S isolé ...

35

C. 2014 Résultats relatifs à _un

spin

S

couplé

à un

_spin

I

quelconque ... ..

39

1

_{Champ faible ...}

40

2

_Champ

fort ... 44

3

Champ quelconque ...

45

CHAPITRE III. 2014 Méthode d’étude de la relaxation ... 51

A. 2014 Résultats

théoriques

du

_cycle

de _pompage

_optique

des alcalins... 53

1

_Hypothèses

et condition de validité ... 53

2 Étude du _processus

_{d’absorption}

... 57

3 Étude du _{processus d’émission}

_spontanée

... 66

4 Évolution

_globale

de l’état excité ... 69

5 Évolution

_globale

de l’état fondamental ... 70

B. 2014 Conditions de détection de diverses observables ... 79

1 En lumière « broad line » ... 79

2 En lumière « narrow line » ... 81

C. 2014

Description

des effets transitoires

_permettant

la mesure des constantes de temps de relaxation ... 82

1 Méthode directe de la relaxation « dans le noir »... 83

2 Méthode indirecte _par les transitoires de _{pompage ...} 84

3

_Comparaison

des deux méthodes ... 87

D. 2014 Calcul des transitoires de _{pompage optique} et de

_{radiofréquence}

.... 89

1 Transitoire de _pompage

_optique

_pour < Sz > ... 89

2 Transitoire de pompage

optique

pour < S · I > ... 95

3 Transitoire de

_{radiofréquence}

_pour < Sz > ... 98

4 Transitoires de

_{radiofréquence}

_pour < PF±

(1 2 -

S

z

)

>

... 101

CHAPITRE IV. 2014 Résultats

expérimentaux. Interprétation

...

103

A. 2014

Techniques expérimentales ...

103

1

_Préparation

des enduits ... 103

2

Dispositif expérimental

en

_champ

faible ... 109

3

_{Dispositif expérimental}

en

_champ

_quelconque

... 114

B. 2014 Résultats de l’étude

expérimentale

de la relaxation en

_champ

faible... 118

1 Effet queusot ... 118

2 Étude de l’évolution de < Sz > ... 121

3 Étude de l’évolution de <

S

· I

> ... 126

4

_{Interprétation}

des résultats ... 132

C. 2014 Résultats de l’étude

expérimentale

de la relaxation en

_champ

fort... 140

1

_Rappel

des résultats

_{théoriques ...}

140

2 Résultats

_{expérimentaux ...}

142 3 Conclusions ... 143 Conclusion ... 147 APPENDICE 1 ... 149 APPENDICE II ... 151 APPENDICE III ... 152

Bibliographie ...

153

INTRODUCTION

Les premieres experiences de

production

d’une orientation

_atomique

_{par pompage}

optique

[51], [27]

ont ete faites sur des

_jets

_atomiques

_[24],

_[48].

Ce

_dispositif,

en

_depit

des difficultes

_qu’il

_présente,

avait ete _{choisi pour la} raison suivante . dans un

_jet,

les atomes sont « isoles _», sans interaction

mutuelle,

et _{les processus de relaxation} sont

inexistants;

rien n’est

_susceptible

de detruire l’orientation

_atomique

une fois

_qu’elle

a

ete obtenue et le

_temps

de relaxation

_T

₁

de l’aimantation

_longitudmale

_M

_z

est tres

_long.

Cependant,

les taux d’orientation obtenus dans ces _experiences sont relativement tres

faibles . le

_temps

dont on

_dispose

_pour

_produire

l’orientation

_atomique

est en effet

tres court; c’est le

_temps

_03C4v

_(~

10-4

_{s) qu’un}

atome du

_jet

met _pour traverser la

_partie

illuminee par le faisceau

pompant

(10

à 20

_cm).

Il faut donc _que la

_probabilite

1

_/T

_p

d’exciter un atome

_(et

ainsi de le soumettre au _pompage

optique)

soit

_appreciable

au cours du

_temps

_03C4v

[27],

c’est-a-dire que la condition

T

p

« 03C4v soit realisee.

T

p

dans cette

expression

represente

le

_temps

_moyen

_separant

_{l’absorption}

successive, _{par le} même

atome, de deux

_photons

de _pompage. Il faut des sources lumineuses tres intenses _pour

satisfaire a la condition

_T

_p

_<

10-4 s _qui est donc. en

_{regle generale,}

difficile a realiser.

L’expérience

fut ensuite reprise

[8]

sur la vapeur saturante de metaux

alcalins,

dans des cellules de resonance de

_quelques

centimetres _{de diametre. Aux pressions} tres faibles

_auxquelles

on _opere

(10

-7

mm de

_mercure),

_{le libre parcours moyen} est

_grand

devant les dimensions de la

_cellule,

et l’atome va en

_ligne

_droite,

en un

_temps

_03C4i, d’une paroi à l’autre.

L’experience indique

que lors d’une collision sur une _paroi de verre

_[26],

un atome alcalin est soit

_perdu

pour la vapeur

(il

diffuse dans le verre, ou

_reagit

chimi-quement

avec

_lui),

soit desoriente. Dans ce cas, le

_temps

de relaxation

_T

₁

est

_egal

à _03C4v,

et la condition

_T

_p

<

T

1

est au moins aussi difficile à

_remplir

_que dans _{les experiences} sur

les

_jets.

Cela constituait une _{difficulte majeure} au

_{developpement}

et a l’utilisation des

techniques

du _pompage

_optique.

Deux methodes ont ete utilisees _{pour tourner} cet obstacle.

Dans la _premiere, on _opere sur la _{vapeur alcahne} en _{presence d’un gaz}

_(«

_gaz

tampon

») [25], [11] à

des pressions de

_quelques

millimetres. L’atome alcalin entre en collision avec les molecules de _gaz et suit un

_trajet

tres

_complique,

si bien

_qu’il

est en

pratique

comme « _emprisonne » autour 03B1 une _{position moyenne. Les}

_temps

de diffusion d’un atome vers la _paroi deviennent tres

_longs

devant 03C4.

L’experience

montre

_qu’il

faut environ 108 colhsions

_[13]

entre de nombreux gaz

(gaz

rares,

_azote)

et un atome _{alcalin pour desorienter} ce dernier. Il est _{clair que,}

par

l’usage

d’un _gaz

_tampon,

on

_peut

reduire considerablement l’action desorientatrice

des parois. Si la pression utilisee est assez

forte,

ces dernieres ne

_jouent

plus

aucun rôle

et _{l’on observe la relaxation par le gaz} lui-même. En

_{allongeant T}

₁

_,

la

_{methode permet}

des _gains substantiels sur l’orientation

_globale

obtenue.

L’experience

montre en outie _{que les collisions}

_precedentes

conservent la

_phase

relative

_[35]

des

_composantes

de la fonction d’onde sur les vecteurs _piopres et _{que le}

temps

de relaxation de l’aimantation transversale

_T

₂

est, lui aussi, considerablement

allonge.

Ceci,

ajoute

à la reduction de la

_{largeur Doppler}

_{par effet DICKD}

_[43]

a _permis

d’obtenri des raies de resonance

_magnetique

extrêmement

_fines,

ce _qui est à

_l’origine

de nombreuses

_{applications.}

Cependant l’emploi

d’un _gaz

_tampon

ne

_présente

_{pas que} des

_avantages.

D’abord,

le

_cycle

de _pompage

_optique

est

_gravement

affecte comme DEHMELI

[41]

l’a

_souligne

_{pour la premiere fois :} si les collisions sont assez nombreuses

_pendant

la duree de vie de l’etat

_excite,

elles

_provoquent

une thermalisation entre sous-niveaux

de cet etat, avant reemission. Il en resulte une efficacite moindre du pompage

_optique.

En deuxieme

lieu,

si le

_champ

_statique

_H

_o

n’est pas

_{homogene, l’emploi}

_{du gaz}

tampon

est à

_l’origine

d’un

_{elargissemenl mhomogene}

des raies.

Enfin,

la theorie du

_cycle

de _pompage en _{presence du gaz}

_tampon

est

_complexe

[35] :

à cause de

_{l’absorption}

des atomes _{par les parois, elle} est

_compliquee

_{par les}

phe-nomenes de

diffusion,

et _{par le fait que le}

_degre

d’orientation de _{la vapeur,} et _par suite

l’absorption

optique

sur le faisceau

_pompant,

sont _{differents pres des parois} et au centre

de la cellule.

Une deuxieme methode a ete utilisee _pour

_augmenter

le

_temps

de relaxation

T

1

[31],

[65J.

Elle consiste à modifier la nature de _{la paroi,} en recouvrant le verre d’un enduit qui ne

_reagit

_pas

_chimiquement

avec l’alcalin et _qui ne le desoriente _{pas lors} de la collision.

L’experience

a montre que divers « silanes »

(dimethyl-dichorosilane

_par

_exemple)

[3]

et les

_paraffines

saturees donnent d’excellents resultats. Dans des cellules de 6 cm

de

diametre,

on

_parvient

à obtenir des

_temps

de relaxation de l’ordre de 1 s en tous

_points

comparables

a ceux de la relaxation nucleaire de

₁₉₉

_Hg

sur des _{parois de}

_quartz.

Les

taux d’orientation obtenus sont superieurs a ceux _{que fournit la premiere} méthode et ils sont considerables même si l’on utihse des sources

_pompantes

_qui ne sont _pas

parti-culierement brillantes.

L’origine

de la relaxation residuelle est restee

_longtemps

obscure. Les resultats

pubhes

presentaient

une

_grande

_dispersion

_indiquant

les difficultes

_qu’il

_y a à realser

des enduits

_{reproductibles}

et à eviter les contaminations

_erratiques

ou les

_degazages.

Il nous a _paru

_important

de

_reprendre

la

_question

à la base et de l’etudier en détail.

C’est le iesultat de nos _{études qui} est

_presente

dans le

_présent

memoire. Nous sommes

parvenu à déterminer la nature de l’interaction

desorientatrice,

à calculer en détail la

relaxation

_{correspondante}

et à verifier

_{experimentalement}

les conclusions

_theoriques.

Les raisons _qui nous ont _pousse à faire cette etude sont

_multiples.

1° L’étude du _pompage

_optique

en l’absence de _gaz

_etranger

_presente

un interêt :

d’abord on

_pouvait

_esperer trouver des

_types

d’enduits

_plus

favorables encore, ce _qui

peut

presenter

une

_importance

considerable pour les

_applications

du _pompage

_optique

qui sont conditionnees par une

_augmentation

de

_T

₁

_.

Nous avons trouvé effectivement que les

paraffines

deutérees

[18]

sont tres superieures aux

_{paraffines hydrogenees.}

Ensuite,

le _pompage est

_plus

efficace

_{qu’en présence}

de _gaz

_tampon

et les

inho-mogénéités

statiques

sur le volume de la cellule

_peuvent

être assez facilement «

moyen-3

nees _{par le} mouvement ». Tous ces faits et

_{l’augmentation}

de

_T

₁

_peimettent

d’obtenir des orientations

_equivalentes

avec des intensites

_pompantes

_plus

faibles,

ce _qui

_permet

de diminuer

_{l’importance}

de la relaxation

_optique

et d’ameliorer _{la precision des} mesures.

Enfin,

la theorie du _pompage

_optique

dans ce cas est

_{plus simple qu’en}

_presence

de _gaz

_tampon

_{puisque les}

_proprietes

de la _vapeur sont uniformes dans le volume de la

cellule et _que l’on _{n’a pas} à se _{preoccuper des}

phenomenes

de diffusion.

2°

_Beaucoup

des resultats

_publies

etaient difficilement

_{interpretables.}

Une premiere raison est due a la

_complexite

des situations

_{experimentales}

_adoptees.

Dans la

_plupart

des cas, la relaxation avait des origines

multiples :

2014 relaxation

lumineuse,

2014 collisions atomes

alcalin-gaz

tampon,

2014 collisions

d’echange

entre atomes

_identiques

et

_(tres

souvent entre

_isotopes

différents

_[42];

2014 collisions

sur la _paroi.

Il est, dans ces

_conditions,

tres difficile de

_repondre

à la

_plupart

des

_questions

concernant la

_{signification}

des

_grandeurs

mesurees ou

_l’origine

d’une limitation observee

(par exemple l’origine

de la

_largeur

des

_raies).

Nos etudes

_portent

sur une situation

_{beaucoup plus simple,}

elles sont relatives

à la relaxation dans « le noir » en l’absence de _gaz

_tampon,

et

_portent

sur une _espece

isotopique

determinee. L’effet de

_l’échange

entre atomes

_identiques

a etc elimine en

faisant les mesures a

_plusieuis

tensions _{de vapeur. Nous pensons} avoir atteint ainsi les

caracteres mêmes de la relaxation sur _{la paroi.}

_{(Accessoirement,}

nous avons ete amenés

à mesurer les sections efficaces

_d’echange

87

Rb-

87

Hb,

Rb 8585Rb- et 85Rb-87Rb

_[19].)

Une deuxieme difficulte _{grave qui rend} tres difficile

_{l’interprétation}

des resultats

publics

par de nombreux auteurs tient à ce _que les conditions

_{experimentales}

_qui ont ete

_adoptees

ne

_permettent

_pas de savoir

_quelle

est l’observable mesuree.

Par

_{exemple, lorsque}

la source

_presente

des

_{caracteristiques}

d’emission « broad line

_{» (egalite}

des

_composantes

_hyperfines)

sur

_D

₁

_{(ou D}

₂

_),

on montre que la lumiere absorbee

_L

_A

sur le faisceau

_pompant

(03C3

+

)

_depend

lineairement de l’aimantation

electro-nique longitudinale

< Sz >

_[17].

S’il n’en est _pas ainsi,

LA

est une combinaison lineaire

de < Sz >, de < Iz > et de la difference des

_populations

des deux niveaux

_hyperfins.

Une chose

_analogue

se

_produit,

si la source etant « broad line »,

_{l’absorption}

_par la cellule est forte. Dans ce dernier cas,

d’ailleurs,

les transitoires de _pompage

_optique

_peuvent

être totalement deformees, etc.

Les diverses observables relaxent de maniere tres

_differente

et si des

_precautions

tres strictes ne sont pas prises il est difficile de dire a

_quelle

_{grandeur physique}

les resul-tats se

_rapportent

_{reellement. Nous pensons que} la

_{grande dispersion}

des resultats

_publies

(sur l’echange

entre

_autres)

a son _origine dans des faits de cet ordre. Nous avons _pris

beaucoup

de

_precautions

à cet

_egard.

3° Les

_{justifications}

_precedentes

à notre travail _sont, en

elles-mêmes,

impor-tantes;

mais son interêt essentiel reside dans le fait que cette etude nous a _permis

d’etu-dier le

_comportement

d’un atome sur une _paroi, et de determiner les

_parametres

_qui

des constantes de

_temps

qui

s’expriment

en fonction des

_paramètres

_{microscopiques}

caracteristiques

de l’interaction desorientatrice :

_temps

_{de sejour} de l’atome sur la paroi,

temps

de correlation de

l’interaction,

valeur

_quadratique

_{moyenne du}

_champ

_magnetique

aleatoire qui lui est associe, distance

d’approche

moyenne,

etc.,

c’est-à-dire des

para-meties qui inter viennent dans la theorie de

l’adsorption physique [40].

Les methodes usuelles d’étude de

_{l’adsorption}

ne donnent souvent _{que des} ordres de

_grandeur

de ces

parametres.

L’etude actuelle

_repiesente,

à cet

_egard,

un _progres certain. Elle est dans la

_ligne

de

_plusieurs

etudes

_analogues

_(relaxation

de

₁₉₉

_Hg,

₂₀₁

_Hg

sur des _parois de

_quartz

[28]

[37])

utilisant le _pompage

_optique

_qui se ievele comme une methode extrêmement

utile pour l’etude de la

_physique

des etats de surface.

Le memoire

_presente

ci-apies

comporte

les

_points

suivants : _{Dans le premier}

chapitre,

nous

_analysons

les

_types

d’interactions

_magnetiques

_qui sont

_susceptibles

de

desorienter l’atome lors des collisions sur la paroi. Nous donnons _{les resultats}

experi-mentaux _qui nous

_permettent

de conclure

_qu’il

s’agit,

dans le cas

_present,

d’une interac-tion

_faible,

obeissant au critere de _{moyennage par le} mouvement. Elle est identifiee

comme etant 2014 au moins en

_{partie 2014 l’interaction dipôle-dipôle}

entre _{les spins nucleaires} des

_protons

sur _{la paroi} et _{le spin}

_electronique

de l’atome alcalin

_[18].

Dans le deuxieme

_chapitre,

nous faisons le calcul

_theorique

de la relaxation _par

des interactions du

_type

_precedent

en

_adoptant

le modele que les resultats du premier

chapitre

nous

_imposent.

Dans le troisieme

_chapitre,

nous donnons les resultats du calcul du

_cycle

de

pom-page

optique,

dans le cas d’un atome _{alcalin. Nous precisons les conditions d’observation} des diverses

observables,

nous decrivons enfin les _{sequences utilisees} dans nos mesures

et

_justifions,

par le calcul de

quelques

transitoires, leur

_{mterpretation.}

Dans le

_quatrieme

_chapitre,

_apres avoir decrit la

_technique

de fabrication des

enduits et les

_montages

_{experimentaux,}

nous donnons le resultat de nos mesures et leur

interpretation.

Nos mesures n’ont

_porte

_que sur la relaxation

longitudinale;

l’etude des

temps

de relaxation transversaux aurait necessite une

_homogeneite

du

_champ

magne-tique

statique

que notre

_equipement

ne

_permettait

_pas de realiser. L’ensemble de nos

resultats

_s’explique

_{par l’existence} de deux interactions

_agissant

simultanement sur le

spin

electronique,

mais sans correlation entre elles. L’une est l’interaction

_{dipôle-dipôle}

dont le

_temps

de correlation

₍₄

10-10

_s)

est relativement

_long.

L’autre,

_{d’importance}

assez faible sur les enduits

_hydrogenes,

a un

_temps

de correlation

_{beaucoup plus}

court

CHAPIIRE PREMIER

ORIGINE

_PHYSIQUE

ET

CARACTÈRES

DE L’INTERACTION

DÉSORIENTATRICE

LORS DES COLLISIONS

SUR

LA

PAROI

Nous

_presentons

au

_chapitre

II un calcul de la relaxation d’atomes de Rb orientes lors des collisions sur des parois recouvertes d’enduits de

_paraffines

saturees. Ce calcul repose sur un modele que le

_present

_chapitre

a _{pour but de decrire} et

_{de justifier.}

Dans le premier

paragraphe,

A,

nous donnons des resultats

_{experimentaux}

_qui

permettent

de fixer des caracteres tres _generaux de l’interaction desorientatrice. Dans le

_paragraphe

_B,

nous nous _{preoccupons de}

_{l’origine physique}

de

_{l’interaction;}

nous

disons tout de suite comment

_{l’experience}

donne une _{reponse à} cette

_question

et

_indique

l’existence d’une interaction

_{dipôle-dipôle}

entre _{le spin}

_electronique

S de Rb et _{les spins}

nucleaires

K des

_protons

sur la paroi. Mais

_{l’experience}

montre aussi _que la _{n’est pas} toute

_l’origine

de la relaxation. Dans un

_paragraphe

_C,

nous _{passons alors} en revue

plusieuis

interactions _qui ont ete _envisagees d’autre

_part,

_pour

_expliquer

la relaxation

des mêmes atomes de Rb

orientes,

lors des collisions en

_phase

_gazeuse, contre les mole-cules d’un _gaz

_tampon.

On arrive alors à une sorte de

_{paradoxe :}

en

_phase

_gazeuse,

l’in-teraction

_{dipôle-dipôle}

s’est revelee moins

_importante

_{que les} autres

_[21],

_{alors que}

l’inverse est vrai sur _{la paroi. Nous} sommes conduits alors à examiner, dans le

para-graphe

D,

le processus

d’adsorption physique.

Nous parvenons ainsi à une

_image

_qui

permet

d’interpreter

de

_façon

satisfaisante ces divers

_phenomenes.

Avant d’aborder en detail les

_points

_{precedents, rappelons}

_{que les collisions} sont

aussi à

_l’origine

de

_deplacement

des niveaux

_atomiques

_(deplacement

des

_frequences

de resonance dans les collisions contre les molecules d’un _gaz

_etranger,

ou contre la

paroi).

L’interaction _{qui est}

_predominante

en ce _qui concerne la relaxation n’est pas, en

_general,

_{celle qui} est a

_l’origine

du

_deplacement

des raies. Notre etude n’a

_porte

_que

sur les

_phenomenes

de relaxation.

A. 2014

CARACTÈRES GÉNÉRAUX

DE L’INTERACTION

DÉSORIENTATRICE

DE L’AIMANTATION

_{ÉLECTRONIQUE}

LONGITUDINALE < Sz >

DE LA VAPEUR DE Rb

Les cellules ont

_quelques

centimetres de diametre et _{les parois} sont recouvertes

d’une

_paraffine

saturee

_(CH

₂

₎

_n

_.

_{On opere} en l’absence de _gaz

_etranger

dans un vide

si bien que le libre parcouis moyen est tres

_grand

devant les dimensions de la cellule.

L’atome va en

_ligne

droite d’une _paroi a

l’autre,

le

_temps

de vol moyen 03C4_vetant de l’ordre

de 10-4 s.

_Quand

il arrive sur la paroi, l’atome est

_adsorbe,

son

_temps

de sejour moyen

étant _03C4S. Durant son _{sejour, l’atome} est soumis à une interaction _{desorientatrice} repre-sentee _{par le Hamiltonien}

_H

₁

_(/).

Cette interaction est un

_phenomene

_aleatoire,

de

_lemps

de correlation _03C4c. Les valeurs de

_H

₁

_(t)

ne sont _{pas correlees} en deux

_{points d’impact}

successifs de l’atome sur la paror, si bien que _03C4S est une limite _{superieure de 03C4c.}

Durant le

_temps

de

vol,

au contraire, l’atome est soumis au seul Hamiltomen

statique

H

0

.

La

_proportion

d’atomes adsorbes a un mstant t donne est

03C4

S

03C4

S

+ 03C4

v

.

La sequence des processus decrits ci-dessus est illustree sur la

_figure

1. _{Nous admettrons que pour}

la fraction d’atomes adsorbes a un instant

donne,

la fonction de correlation de _la

per-turbation est .

et pour l’ensemble de tous les atomes :

L’experience

conduit aux resultats suivants :

1° < Sz> relaxe avec une constante de

_{temps T}

₁

_qui est

_{proportionnelle}

au

dia-metre de la cellule.

_[La

realite est un _peu

_{plus compliquee :}

il _y a

_plusieurs

constantes de

temps

pour

lesquelles

la

propriete

precedente

est vraie

_(§

_{II, C,}

_1);

voir aussi « effet

queusot

»

_(§

IV, B,

_1).]

Ceci prouve que la relaxation se

_produit

bien sur _{la paroi} et _impose en outre .

2° Les valeurs des

_temps

_T

₁

obtenues sont de l’ordre de la seconde dans des cellules de 6 cm. Ceci

_indique

_qu’il

faut en _{moyenne 10}4 collisions pour retourner le

spin. Les mesures de

_largeur

de raie

_(T

₂

₎

_indiquent

de même _{que des} centaines au moins

7

composantes

de la fonction d’onde sur les vecteurs _{propres. Il}

_s’agit

donc de collisions

faibles

satisfaisant au critere _{de retrecissement par le} mouvement. La condition

se trouve _par suite realisee. C’est dans le cadre de ce modele que le calcul de la re axation

sera effectue.

3° On observe _que

_T

₁

est

_pratiquement

le même

_quelle

_que soit la

_longueur

de la chaîne

_{paraflinique :}

il est

_plus

_long

d’environ 30

_%

_{pour le dotriacontane}

_(C

₃₂

_H

₆₆

₎

que pour le

polythene

(et

il n’est pas sûr que l’effet ne soit pas lie à l’existence d’une

ten-sion _{de vapeur} des

_{paraffines legeres).}

Tout

indique

que la mesure

_permet

d’atteindre les

_proprietes

_{de relaxation par} le _groupe

_CH

₂

_.

Étant

donne leur diversite

_d’origine,

les

_paraffines

dont nous

_disposons

sont

sus-ceptibles

de contenir des

_{impuretes paramagnetiques,}

ou des

_groupements

_{polaires (par}

exemple

R R’

C

=

0)

dans des

proportions

tres variables. Il est clair que ces

_{deux types}

de centre ne

_jouent

_pas de rôle

_appieciable

dans la relaxation

_etudiee,

_{puisque les}

_temps

de relaxation mesures sur toutes ces

_paraffines

ont des valeurs tres voisrnes.

B. - MISE EN

ÉVIDENCE EXPÉRIMENTALE

D’UNE ORIGINE

_PHYSIQUE

DE L’INTERACTION

DÉSORIENTATRICE

1°

_{L’experience}

montre

_qu’un

enduit de

_polythene

deutere

_(CD

₂

₎

_n

donne des

_temps

de relaxation

_beaucoup

_plus

_longs

_{que le}

_{polythene hydrogene (CH}

₂

₎

_n

_.

La valeur

quadra-tique

moyenne du moment

_magnetique

nucleaire est

_{plus petite}

_{pour le deuton que pour} le

_proton.

Celle du carbone est nulle. Ceci

_{indique qu’une}

_partie

au moins de la relaxation sur la _paroi se fait par l’interaction

_{dipôle-dipôle}

entre les moments

_magnetiques

03BCS de

l’atome de

Rb,

et les moments

_maqnetiques

nucleaires 03BCK des atomes

d’hydrogene

ou de deu-derium de l’enduit

_(leur

_{paramagnetisme}

_electronique

etant

_bloque

dans la liaison

chi-mique).

Nous

_designons,

ici, pour

simplifier

le

_langage,

_par interaction «

_{dipôle-dipôle}

»

la somme de l’interaction de contact et de l’interaction tensorielle.

Nous

_faisons,

au

_chapitre

_II,

le calcul

_theorique

de la relaxation sous l’effet de

l’interaction

_{precedente (satisfaisant}

aux criteres definis au

_paragraphe

A

_ci-dessus).

Nous verrons alors que le facteur

_{d’allongement}

de

_T

₁

_,

_quand

on _passe des enduits

hydro-genes aux enduits deuteres devrait être de

_16,

le

_rapport

mesure est de l’ordre de 5. Il

_apparaît

donc

_qu’une

autre ou

_plusieurs

autres interactions

_agissant

simultanement

et ne

_dependant

_{pas des spins}

_K,

sont aussi

_presentes.

2° Les experiences que nous decrivons au

_paragraphe

_IV,

B excluent _la

possi-bilite d’un effet he aux collisions

_d’echange

des atomes de Rb entre eux. On

_peut

envisa-ger

plusieurs

causes _{de relaxation qui} sont

evidentes,

par

exemple la

disparition

d’atomes

de _{Rb par} reactivite

_chimique

sur

l’enduit,

ou _{par diffusion à} travers l’enduit en direction

du verre

_sous-jacent.

Nous reviendrons

_plus

tard sur ces

_phénomenes;

ils ne

_jouent

_qu’au

cours de la

_periode

_qui suit

_{l’operation}

de

_remplissage;

ensuite ils deviennent

_rapidement

peu

importants.

Une autre cause,

_{beaucoup plus}

grave et difficile à

contrôler,

est une contamination

de l’enduit par le metal alcalin lors du

remplissage.

Si un film de Rb

_métallique

recouvre une

_partie

de

l’enduit,

_lorsqu’un

atome le rencontre, il

_s’y

condense et un autre atome de Rb

_s’evapore

à sa

_place

pour mainten r la tension _{de vapeur} saturante; au cours du processus, l’orientation est

perdue.

Prenant les chiffres cités

plus

haut,

il suffit

_qu’un

dix-millieme de la surface de l’enduit soit ainsi contamine _{pour que le}

_temps

de relaxa-tion soit divisé _{par 2. Un} soin extrême doit être pris au

_remplssage

_pour eviter les

contaminations qui sont une cause de

_{grande dispersion}

des resultats. On evite cet ecueil en isolant par un bouchon la cellule du

_queusot

lors de la distillation du Rb

(cf. § IV,

A,

1).

Cependant,

la cellulite est relice au

_queusot

_qui contient la réserve de

Rb,

par un

capillaire.

Un atome qui franchit ce dernier en venant de la

cellule,

rencontre nécessai-rement une

_grande

surface de Rb

_metallique

et est, à coup

sûr,

desoriente. C’est «

_l’effet

queusot

» _que nous avons mesuré comme nous le decrivons

_plus

tard.

Toutes ces causes banales de relaxation

_peuvent

être rendues

_negligeables

ou mesurees et

soustraites,

comme nous le décrivons au

_chapitre

IV. On reste alors en

presence de la relaxation par l’enduit lui-même et il

_apparait

clairement

qu’une

deuxieme

interaction est

_presente

outre l’interaction

_{dipôle-dipôle.}

La recherche de son _origine

est la

_question

_que nous abordons maintenant. Elle se _{pose dans les mêmes} termes

_quand

on aborde le

_probleme

de la desorientation du même atome de Rb lors des collisions

contre _{les molecules d’un gaz}

_{etranger :}

les mêmes mecanismes sont

_susceptibles

d’être

presents

dans le cas _qui nous _occupe. De nombreux travaux, tant

_theoriques

qu’experi-mentaux,

ont ete faits a cet

_egard.

Nous les

_analysons

maintenant.

C. - AUTRES ORIGINES POSSIBLES

DE L’INTERACTION

DÉSORIENTATRICE

1° Interaction «

_Spin

Orbite

» S .

N.

BERNHEIM

_[13]

a etudie la _{relaxation du Rb par collision} sur des atomes _{de gaz}

rare, G. Le mecanisme de desorientation

_qu’il

_propose

_{permet d’interpreter}

de

_façon

satisfaisante les resultats

_{experimentaux}

relatifs à la relaxation en

_phase

_{gazeuse. Nous}

verrons _{par la} suite _que certains caracteres de cette interaction et son ordre de

_grandeur

nous _{laissent penser}

_qu’elle

_peut

_jouer un rôle

_appreciable

au cours d’une collision sur

la paroi.

Étant

donnee

_{l’importance qu’elle}

est

_susceptible

d’avoir dans le

_probleme

actuel,

nous

_analysons

sa nature en detail.

Nous allons montrer

_qu’au

cours de la collision Rb-G en

_phase

_gazeuse, le

_couplage

spin-orbite

ne donne une _{contribution que} si l’on tient

_compte

du

_couplage

entre le

mouvement orbital des electrons et le mouvement de rotation des noyaux. Les notations sont les suivantes dans le

_systeme

du centre de masse : 2014

spin electronique

S

-

moment

_angulaire

orbital

_electronique

L

2014

9

2014 moment

angulaire

dû au mouvement _{des noyaux} O

₍

_Oz)

2014 moment

angulaire

orbital total

_(noyaux

et

_electrons)

N = L + O

- moment

angulaire

total J = N + S. Le

_probleme

de l’interaction entre les deux atomes au cours de la collision se

resout en deux

_{etapes :}

a)

APPROXIMATION ADIABATIQUE.

Rappelons

brievement en _quoi consiste

_{l’approximation adiabatique.}

Par suite de la difference de masse entre _{les noyaux} et les

electrons,

les vitesses des electrons sont

grandes

comparees a celles des noyaux. Il est alors

_possible

_{de considerer que le}

mouve-ment des electrons se fait autour de deux _{noyaux fixes}

_places

à une distance r. On deter-mine les niveaux

_d’energie

U

_(r)

de ce

_systeme,

r etant consideré comme un

_paramètre.

Le

_{potentiel electrostatique}

cree _{par les} deux _noyaux

possede

une

_symetrie

de revolution

autour de l’axe

_{internucleaire,}

il _{s’ensuit que} A est un bon nombre

_quantique

_quel

_que

soit r : A reste nul durant la collision.

Pour un etat

_electronique

donne,

on

_ajoute

à

_{l’energie U(r) precedemment}

definie la valeur moyenne, sur l’etat

_electronique

_considere,

de

_{l’energie centrifuge}

asso-ciee au mouvement _{des noyaux :}

Soit :

Nous allons maintenant considerer l’effet des interactions

_spin-orbite

et

spin-spin. L’etat

electronique

etant caracterise _par A = 0 et S =

1 2, le

theoreme de

KRA-MERS

_[55]

_permet

_{d’affirmer que dans} ce cas ces interactions ne

_peuvent

_{pas lever la}

degenerescence

des niveaux N

+ 1 2

et

N - 1 2.

b)

COUPLAGE ENIRE LE MOUVEMENT ORBIIAL DES ELECTRONS LE MOUVEMENT DE ROTATION DES NOYAUX.

L’energie centrifuge

2

h 2Mr

(N -

L)

2

=

h 2Mr

2

-

(N

2

2N . L

+

L

2

)

contient un

terme _qui

_couple

L

a

N

et _{qui donne lieu à} des transitions virtuelles A = 0 _~ A

~

0.

Physiquement

ces transitions

_{expriment qu’aux faibles distances d’approche}

lorsqu’il

y a recouvrement des fonctions

d’onde,

les electrons ne sont _pas

_rigidement

entraînes par les noyaux . le

systeme

electronique

acquiert une

composante

de L le

_long

de

N.

03BC

0

hmc

E

A

p .

S

est le Hamiltonien du

_couplage

_spin-orbite

_agissant

sur l’electron de

va-lence

_(p

_quantite

de mouvement de

_{l’electron,}

E

_{champ electrique}

au niveau de l’electron

dû à toutes les autres

_charges,

_03C8

_n

etats excites

_{electroniques).}

On montre

_[69]

_{que l’on}

_peut

decrire les faits

_precedents

_par un Hamiltomen effectif de la forme

Une estimation de 03B3 a ete _{donnee par HERMAN}

_[49].

Il a montre en outre _{que le}

_couplage

entre _{le spin de l’electron de valence} et les

courants dus au mouvement des

_charges

_{electroniques}

et nucleaires

_(dont

il _{n’a pas} ete tenu

_compte)

se

_compensent

_presque exactement.

Ces effets sont bien connus en

_{spectroscopie}

moleculaire ils levent la double

degenerescence

des niveaux

_d’energie

dans les molecules 203A3. On trouve,

_analyses

dans la reference

_[68],

d’autres effets lies à

_{l’apparition}

d’un moment

_magnetique

suivant

N

pendant

la duree de la collision

_{(L uncoupling).}

c)

CONCLUSION SUR LA NATURE DE L’INTERACTION DESORIENTANT S.

Les

_{caracteristiques}

_{de l’interaction proposee par BERNHEIM pour}

_expliquer

la relaxation du Rb en

_phase

_gazeuse sont les suivantes :

2014 elle

agit

sur _{l’atome alcalin par le seul intermediane} de son _spin

electro-nique

S,

elle se met sous la forme :

2014 H

(t)

est un

_{champ magnetique}

_dirige

suivant le moment

_cinetique

orbital relatif

N

des atomes entrant en

_collision;

la

_grandeur

de ce

_champ

est aussi

proportion-nelle

_{à |N |. Les}

resultats

_{experimentaux}

conduisent a lui attribuer une valeur de

quelques

gauss

lorsque

G est un atome d’helium et de

_quelques

_{milliers de gauss}

_lorsque

c’est du xenon. La valeur de la section efficace de _{desorientation calculee par HERMAN}

_[49]

est en accord satisfaisant avec

_{l’experience.}

Quand

on en vient au

_probleme

d’une collision d’un atome de Rb sur la _paroi,

la situation est

_{plus complexe :}

la definition du moment

_cinetique

orbital relatif de Rb et des atomes de _{la paroi} est

_ambigue.

_Neanmoins,

il est

_legitime

d’admettre

_qu’il

existe

une interaction de même nature _{que celle} dont nous venons de

_rappeler

en

_{detail l’origine.}

Elle

_agit

sur l’electron comme un

_champ

_magnetique

_qui

_change

en

_grandeur,

_{sens, et}

direction,

chaque

fois que la vitesse relative de l’atome de Rb vis-à-vis des atomes de la paroi

change

aussi. Dans la suite, nous la

_designons

comme l’interaction

_spin-orbite

S . N.

2° Interaction de Rb avec des molécules

_polaires.

Mc NEAL

_[60]

a traite le cas ou les molecules du _gaz

_etranger

_possedent

un moment

dipolaire électrique

permanent

D. Le mecanisme

_{correspondant}

_presente

un interêt pour le

_probleme

actuel : il

_permet

de decrire l’effet lie à l’existence de

_groupements

_polaires

11

dans la

_paraffine

_qui constitue l’enduit.

_{(Une paraffine préparée}

_par

_electrolyse

d’un acide

gras

peut,

par

exemple,

contenir des liaisons

_polaires

du

_type

R

R’

>

C = 0 à l’etat de

traces.)

Au cours de la

_collision,

le

_{champ electrique}

E

cree _par

D

au niveau de l’atome

de Rb

_peut

_prendre

des valeurs de l’ordre de 108

_V/cm

à une distance

_d’approche

de

l’ordre de

3 Å.

Ce

_{champ produit}

l’effet STARK du

Rb,

ce _qui

_melange

à l’etat fondamental

des etats de

_parite

_opposee

_(des

etats excites P en

_{particulier).}

Par suite, il

_apparaît

dans l’etat fondamental un moment orbital

_electronique

_qui se

_couple

à S

et est à

l’origine

d’une desorientation de S lors de la collision. Mc NEAL evalue l’ordre de

grandeur

du

_champ

_{effectif qui}

_agit

ainsi sur

S;

on obtient 104 _gauss si D =

1,5

debye

et si la distance

_d’approche

est de 3

Å.

Un autre effet

_apparaît

d’ailleurs lors de la collision :

_quand

l’atome de Rb se

deplace

dans le

_{champ electrique}

cree _par

D,

il « voit » un

_champ

_magnetique

_{(transitoire)}

susceptible

lui aussi

_d’agir

sur S. Mc NEAL evalue ce

_champ

à

_quelques

_gauss, il est

totalement

_negligeable

devant le

_precedent.

Mc NEAL montre que, a

_egalite

de

_temps

de

correlation,

il

_correspond

a cette

interaction une section efficace environ 104 à 106 fois

_{plus grande}

_{que l’interaction de}

type

S. N. Ceci

_explique

que la relaxation en

_phase

_{gazeuse de l’atome de Rb par des}

molecules

_polaires

soit

_{particulierement rapide.}

Elle se

_traduit,

elle _{aussi, par l’existence}

d’un Hamiltonien aleatoire

_H

₁

_(t)

= _03B3S

H(t) .

S.

Nous avons vu

_plus

_haut,

_qu’il

est _peu

_{probable qu’elle}

_joue un rôle tres

impor-tant avec les

_types

d’enduits utilises.

3° Autres

_aspects

_possibles

de l’interaction désorientatrice.

L’interaction

_{dipôle-dipôle}

S,

K et

les deux interactions

_analysees

ci-dessus

pré-sentent des caracteres communs : 2014 il

s’agit

d’interactions farbles necessitant _{des milliers de collisions pour}

pro-duire la desorientation de < Sz _{> ;}

2014 elles

agissent

directement sur S.

S valant

_{1 /2,}

elles sont donc necessairement _{lineaires par}

_rapport

aux

compo-santes de S et

_prennent

_par suite la forme :

elles

_{s’expriment}

en fonction d’un

_champ

effectif H

_(t).

Nous

_developpons,

dans le

_chapitre

II,

la theorie de la relaxation d’un

_spin

S

(couple

à

_I)

_par une interaction

_magnetique

aleatoire satisfaisant au critere de

moyen-nage par le mouvement. Le formalisme utilise

_s’applique

donc indistinctement aux