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Étude en ondes millimétriques de l’acétonitrile CH3C 14N et CH3C 15N : effets de l’interaction de
vibration-rotation et de la perturbation quadripolaire
Agnès Bauer, Serge Maes
To cite this version:
Agnès Bauer, Serge Maes. Étude en ondes millimétriques de l’acétonitrile CH3C 14N et CH3C 15N :
effets de l’interaction de vibration-rotation et de la perturbation quadripolaire. Journal de Physique,
1969, 30 (2-3), pp.169-180. �10.1051/jphys:01969003002-3016900�. �jpa-00206774�
ÉTUDE
ENONDES MILLIMÉTRIQUES
DEL’ACÉTONITRILE CH3C
14N ETCH3C
15N :EFFETS DE
L’INTERACTION
DEVIBRATION-ROTATION
ET DE LA
PERTURBATION QUADRIPOLAIRE
Par AGNÈS BAUER et SERGE
MAES,
Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de la Faculté des Sciences de Lille
(Equipe de recherche associée au C.N.R.S.).
(Reçu
le 8 novembre1.968.)
Résumé. 2014 On étudie dans l’état fondamental de vibration et dans l’état excité
dégénéré V8
= 1 le spectre de rotation de l’acétonitrileCH3C
14N etCH3C
15N pour huit transitions deJ faibles. Les
principales
constantes de rotation et d’interaction de vibration-rotation sontcalculées, en
particulier
le coefficient decouplage
de Coriolis03B68.
Deplus,
les mesures effectuéessur
CH3C14N
avec uneprécision
amélioréepermettent
de mettre en évidence la structurequadri- polaire
duspectre
de l’état excitéV8
= 1 et de vérifier la validité d’une formulation récemmentproposée.
Abstract. 2014 The rotational
spectrum
ofmethyl cyanide CH3C
14N andCH3C
15N in thevibrational
ground
state and in the excited stateV8
= 1 is studied foreight low J
transitions.The main constants for rotation and vibration-rotation interaction are calculated,
especially
the Coriolis
coupling
constant03B68.
Moreover, the measurements made onCH3C14N
with abetter accuracy allow observation of the
quadrupole
structure for the excited stateV8
= 1;a formulation which has been
proposed
recently can thus be verified.La molecule d’ac6tonitrile
CH3C
14N seprete parti-
culi6rement bien a Fetude des interactions de vibra- tion-rotation en
spectroscopie
hertzienne. Elleposs6de
en effet un moment
dipolaire important y
=3,913
de-byes [1]
et un mode de vibrationd6g6n6r6e V8
= 362 cm-1[2]
dont lafrequence
est suffisamment basse pour permettre une bonne observation atemp6-
rature ordinaire des raies de rotation des 6tats excites de vibration. De
plus,
dupoint
de vuetheorique,
comme cette molecule est une
toupie sym6trique
appartenant au groupe de
sym6trie C3V,
les calculsd6velopp6s
par H. H.Nielsen,
G. Amat et leur écoles’appliquent
defaçon
relativement ais6e.Aussi de nombreux auteurs ont-ils
d6jh
6tudi6 sonspectre de rotation dans 1’etat fondamental de vibra- tion et dans certains 6tats
excites, sp6cialement
1’etatV8 -
1[3], [4], [5], [6]. Cependant, l’interprétation th6orique
du spectre de rotation de 1’6tatV8
= 1comporte des difficultes : en
particulier,
la valeur ducoefficient de
couplage
de Coriolis(8
calcul6 parS. Maes
[7], [8]
apartir
des mesures de M.Kessler,
H.
Ring,
R. Trambarulo et W.Gordy (8
=0,94)
esten desaccord avec la valeur que l’on peut d6duire des
mesures
infrarouges (1) (8 -- 0,89) [9]. J.
Sheridanet A. G. Turner
[10], puis
A.Bauer,
A. Moises etS. Maes
[11]
ont constatequ’en
fait une raie avait ete omise dans latransition /
= 1 -2;
malheureu-sement, meme en tenant compte de cet oubli et en consid6rant cette raie
nouvelle,
le calcul donne encore(8
=0,93.
Nous avons alors
pens6
que ces difficultesprovien-
nent
peut-etre
de ce quel’analyse
de 1’ensemble duspectre
de rotation de 1’etat exciteV8
= 1 deCH3C
14N ne peut pas 6tre faite correctement sanstenir compte de 1’effet de
perturbation quadripolaire
sur toutes les
raies,
effetqui
a ete laisse de cote dans les formulations utilis6esjusqu’ici.
Enrevanche,
cesformulations doivent donner un resultat
parfaitement
correct en l’absence d’effet
quadripolaire.
Elles de-les meilleures mesures
infrarouges permettent
d’obtenirArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01969003002-3016900
vraient donc
s’appliquer
sans les memes difficultés aF analyse
du spectre de l’ac6tonitrileCH3C
15N.C’est la raison pour
laquelle
nous avons ete amenesa 6tudier cet
isotope,
dont le noyau d’azote despin I = 1/2
neposs6de
pas de momentquadripolaire 6lectrique;
iln’apparait
donc pas dans ce cas destructure
hyperfine
dans lespectre
derotation,
cequi
permet une observation directe de l’interaction de vibration-rotation.
L’6tude d6taill6e du
spectre
de rotation dans l’état fondamental et dans 1’6tat exciteV8
= 1 deCH3C
15N(partie
A de cetravail)
ayantpermis
de v6rifier la validité des relations obtenues par S. Maes[7],
M. L. Grenier-Besson et G. Amat
[12]
et G. Tar-rago
[13]
en I’absence d’effetquadripolaire,
il nousa 6t6 alors
possible
dereprendre
1’6tudeexperimentale
de ces memes
spectres
pour la moleculeCH3C
14N etleur
interpretation th6orique (partie
B de cetravail),
en tenant
compte
de 1’effetquadripolaire s’ajoutant
aux corrections calcul6es par les auteurs
precedents.
Nous montrerons
qu’on
leve ainsi les difficultéssignal6es plus
haut etqu’on
peut enparticulier
trouverune valeur de
(8
absolumentcompatible
avec les don-n6es
infrarouges.
DISPOSITIF EXPERIMENTAL. - L’étude
expérimentale
du spectre de rotation de
CH3C
14N etCH3C
15N a 6t6effectuée a 1’aide d’un
spectrometre
video clas-sique [14].
Nous avons utilise une cellule de 8 m en
guide
standard RG
53/U.
Pour 1’etude deCH3C 15N,
nousavons modifi6 l’installation a vide afin de r6aliser un
dispositif
de pompage avecpoint froid,
afin d’évitertoute
perte
deproduit.
Notre installation comporte comme
g6n6rateurs hyperfrequences
desklystrons Philips
55335 etYK
1010, Raytheon QK 291,
EMI R9674,
OKI 47V 11,
BTC 60BT/A,
utilises soit dans leur gammefondamentale,
soit enharmonique
2 ou 3. De 26 à44
GHz,
lageneration d’harmonique
2 a ete r6alis6e a 1’aide de deuxmultiplicateurs
construits au labora-toire,
munis de cristaux 1 N53;
l’un comporte unguide
d’entree RG96/U,
1’autre unguide
RG97/U.
Les d6tecteurs sont dans ce cas des d6tecteurs commer-
ciaux a cristaux 1 N 53. Pour
1’harmonique
2 de labande 44-75
GHz,
ainsiqu’en harmonique
3 de36
GHz,
nous nous sommes servis demultiplicateurs
et de d6tecteurs a « moustache » construits au labora-
toire,
ainsi que d’unmultiplicateur
commercial4 mm --> 2 mm. Pour la mesure des
frequences,
nousavons fait
appel
a l’une des installations du laboratoirequi
consiste en unklystron
auxiliaire stabilise enphase
a
partir
d’un etalon de 5MHz,
dont on fait battre lesharmoniques
avec lafrequence
fondamentale de lasource
hyperfrequence [15].
Laprecision
de mesurepeut etre 6valu6e a 30 kHz pour les raies mesur6es en
frequence
fondamentale desgenerateurs, a
60 ou90 kHz pour celles mesur6es en
harmonique
2 ou3;
la
precision
peut diminuer pour des raies tres faiblesou
imparfaitement
r6solues.Les difficultes
expérimentales
rencontr6es ont con-sist6
principalement
en la mesure de raies aux limitesde sensibilit6 et de resolution du
spectrometre;
ce sontles raies
appartenant
a 1’6tatV8
= 1 deCH3C
14Npour des valeurs de
J
faiblesqui
ont faitl’objet
duplus grand
nombre de mesures afin de diminuer leserreurs
d’experience.
A.
l5tude
duspectre
de rac6tomtrileCH3C 15N.
-ETAT
FONDAMENTAL. - Pour 1’etatfondamental,
nousavons
deja publi6
les resultatsexp6rimentaux
concer-nant les
transitions J - J
+ 1pour J
=0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,
7 et 11[16].
Nous avonscependant
pu, par lasuite,
am6liorer laprecision
des mesures concernantla transition 6 -->- 7 dont nous donnons les nouvelles
fréquences
dans le tableau I.A
partir
de 1’ensemble de ces mesures, nous avons effectu6 un calcul de moindres carr6s a 1’aide de la formuleclassique
du rotateursym6trique :
TABLEAU I
CH3C 15N,
ETAT FONDAMENTALTABLEAU II
CH3C 15N,
ETATV8
= 1TABLEAU II
(suite)
Les valeurs des constantes de rotation et de distorsion
centrifuge
obtenues sontrapport6es
dans le tableau VI.ETAT
EXCITEV8
= 1. - Pour 1’etat exciteV8
=1,
les resultats des mesures des differentes transitions sont
rassemblées dans le tableau II.
Pour
interpreter
cespectre,
nous avonsapplique
laformulation de M. L. Grenier-Besson et G. Amat
[12].
La
frequence
d’unetransition J - J
+ 1 dans unetat de vibration
d6g6n6r6e V,
= 1 pour une mole- cule desym6trie C3V
est donn6e par :avec :
Dans cette formule
interviennent,
enplus
desconstantes habituelles de rotation et de distorsion
centrifuge,
la constante qJ de d6doublement du typel,
le coefficient de
couplage
de Coriolis(t,
la constante rde resonance du type l «
2,
- 1 » et lecoefficient nt, J
du terme en
Kl J(J
+1)
del’énergie
du troisieme ordre.Le calcul de moindres carr6s a
permis
d’obtenir les diverses constantesrapport6es
dans le tableau VI. Onpeut
constater que les differences entrefréquences
mesur6es et
frequences
calculees sont inferieures auxerreurs
expérimentales
pour laplupart
des valeursde f,
ce
qui justifie pleinement
la formulationth6orique adoptee.
L’6cart Af - 8qj(j + 1)
entre les raies de d6dou- blement du type I pour une valeurde J
donn6e permet de calculersimplement
qJ pourchaque
transition. Ce calcul nous apermis
de constater que l’on nepouvait
pas deceler la variation
avec J
de la constante ded6doublement du type
l,
compte tenu des erreursexpérimentales (tableau III).
Par
ailleurs,
le calcul de moindres carr6s permet d’obtenir :TABLEAU III
B. Iltude
duspectre
de l’acétonitrileCH3C
14N. -ETAT
FONDAMENTAL. - L’etude du spectre de rotation de 1’etat fondamental de vibration deCH3C 14N
adéjà
fait
l’objet
deplusieurs
travaux[4], [5], [17].
Nousavons
repris
cette etude avec uneprecision
am6lior6een la
compl6tant
de transitions non encore observ6es.Nous avons ainsi pu mesurer les raies de toutes les tran-
sitions
de J = 0 --> 1 a/=7->8,
avec un rang faibled’harmonique
deklystron,
cequi
assure unepr6c
sionexperimentale
de 30 a 60 kHz.Ces mesures constituent une base et un
point
decomparaison
pour 1’etude des memes transitions de 1’etat exciteV8
=1,
en cequi
concerne les constantesobtenues et la
precision
des mesures de structurequadripolaire.
Nous
reproduisons
dans le tableau IV les transi-tions J = 3 -> 4 à J = 7 ->. 8.
On trouvera dansla reference
[11]
lestransitions J
= 0 -->1,
1 ----> 2 et 2 -+ 3.TABLEAU IV
CH3C 14N,
ETAT FONDAMENTALTABLEAU IV
(suite)
Pour effectuer le calcul
th6orique
desfréquences,
on doit
ajouter
a la formule(1)
le terme habituel de correctionquadripolaire,
cequi
donne :avec :
ou :
et :
Un calcul de moindres carr6s effectue sur 1’ensemble des transitions nous a
permis
d’obtenir les constantesrapport6es
dans le tableau VI. Les resultats sontcomparables
a ceux obtenus parGordy
et coll.[4]
et, pour la constante de
couplage quadripolaire,
acelui de
Kemp,
Pochan etFlygare [18], qui
obtinrent-
4,214 + 0,016
MHz dans uneexperience
de hauteresolution.
Les differences entre
fréquences
mesur6es et fr6-quences calcul6es a 1’aide des
paramètres
obtenus sontinferieures aux erreurs
d’experiences,
sauf pourquel-
ques raies faibles ou difficiles a r6soudre que nous n’avons pas fait intervenir dans le calcul de moindres
carr6s;
ces derni6res sontmarquees
d’unast6risque
dans les tableaux.
ETAT
EXCITEV8
= 1. - Nosexperiences
ont per- mis de mettre en evidence la structurequadripolaire
des
raies,
et pour certaines d’en r6soudre effectivement la structure fine.Les
premiers
r6sultats obtenus[11]
avaientpermis
de constater
qu’en ajoutant
a la relation(2)
le termehabituel de correction
quadripolaire
suivant la formu- lation deCasimir,
on nepouvait
pas obtenir une bonne concordance entre résultatsexp6rimentaux
et th6o-riques ;
enparticulier,
une difference de structurequadripolaire
observ6e pour chacune des deux raies de d6doublement I de la transitionJ
= 1 --> 2 res-tait
inexpliquee.
Ces difficultes nous ont amenes a poser leprobl6me
dupoint
de vueth6orique.
Diverses 6tudes semblables ont ete faites pour les molecules lin6aires. Plusieurs auteurs
[19], [20], [21]
ont
remarque
des anomalies dans lespectre
de d6dou- blementl,
et ont pu mettre en evidence d’unepart
une
dependance
vibrationnelle de la constanteeoq
par l’interm6diaire du coefficient q, d’autrepart
le role d’un coefficientd’ asymétrie ’YJ
intervenant dans la correctionquadripolaire
destoupies asym6triques.
G.
Tarrago
et S. Maes[22]
ont 6tudi6 leprobleme theorique
pour lestoupies sym6triques
et ont obtenula correction
d’énergie quadripolaire
sous la formesuivante :
où S
et ,i sont des constantes liees aux coefficients dudeveloppement
des d6riv6es secondes dupotentiel
a 2 v « = x, j, z
en fonction des coordonnees
ao’.
normales
(4).
(3)
Cette relation montre que la constanteeQqo
obtenuedans 1’etat fondamental est donnee, en fonction de
eQqe,
par :Coqo + Coqe [i + E es ds
(4)
Ne pas confondre ce coefficient 7ii avec le coefficient qi, j du troisieme ordre.Si l’on introduit la nouvelle constante q8 propre a 1’etat de vibration
V8 = 1,
soit :on obtient :
Cette derni6re
expression
peut etrecompar6e
acelle donn6e par Townes
[23]
pour destoupies
fai-blement
asym6triques
etreprise
par Yarmus[21]
pour 1’etude de HCN(5) :
Finalement,
pour effectuer le calculth6orique
desraies,
onajoutera
a la formule(2)
le terme de correc-tion
quadripolaire
resultant des relations(4).
Lesvaleurs des constantes ainsi obtenues
apr6s
un calculde moindres carr6s sur 1’ensemble des raies mesur6es
(tableau V),
sauf les raies nonrésolues,
sont donn6esdans le tableau VI
(6).
On
peut
constaterd’après
le tableau V que les differences entre les valeurs desfrequences
calcul6esavec ces constantes et les valeurs mesur6es restent dans les limites de la
precision exp6rimentale,
sauf pourquelques
raies non ou mal r6solues : on trouve la unepremiere justification
de la formulation utilis6e.En outre, le calcul de moindres carr6s
permet
d’obtenir :dont on tire
Çs,
enadoptant
pourB,
=Bo
- M8 lavaleur 9
224,4
MHz(7),
et pourCv N Co
la valeurcalcul6e 152 400 MHz. On trouve ainsi :
cette valeur est en bon accord avec celle d6duite des
mesures
infrarouges :
on peut donc admettre que sontlevees les difficultes
signal6es plus
haut.On remarquera par ailleurs que si la variation
(5) Cependant,
on doit noter que, bien que le coeffi-cient 1) corresponde qualitativement
dans les deux for- mules au meme effet, il n’a pas tout a fait la meme d6finition dans les deux cas.(6)
Nous donnons a nouveau lestransitions J = 1-> 2,
2 ---> 3 et 4->5, dont seules les
f requences exp6rimen-
tales avaient ete
publi6es [11].
(1)
Enprenant
pour (X8 la valeur trouvee par H. Parker et A. H. Nielsen[24],
soit (xs = - 25,5 MHz.TABLEAU VI
VALEURS DES CONSTANTES
(en MHz)
de
eQ,q
avec V n’est passignificative
dans nos resultatspuisque eQ,q8
-eQqo
= -0,06
est inferieur a laprecision
obtenue sureQ,qo (0,18),
par contreeQqe ’YJs
n’est pas
n6gligeable.
On peut en d6duire(avec eQq,, 2-, eQ,qo) :
’YJs N -0,0026.
Notonscependant
que, compte tenu de la
precision exp6rimentale,
l’in-fluence de ce coefficient
d’asym6trie
n’est r6ellementobservable que pour
J
= 1 -->2,
la differencef (1, J
+1, F2) - f(I, J, Fl)
d6croit en effet tresrapi-
dement
lorsque J
augmente. Cette remarqueexplique
les valeurs aberrantes trouv6es anterieurement pour
(8,
car elles etaient en
general
calcul6esd’apr6s
la tran-sition J
= 1 - 2uniquement.
Seuls M. L. Grenier-Besson et G. Amat
(8)
avaient trouve0,88,
mais eneffectuant le calcul a 1’aide de transitions
h j
6lev6sou ils avaient pu
negliger
1’effetquadripolaire.
En ce
qui
concerne la constante qJ de d6doublement dutype l,
notre m6thodeexpérimentale
permet d’at- teindre sa valeur a0,0050
MHzpres;
la valeur trouv6e(4,4484 MHz)
est enaccord,
aux erreursd’exp6rience pres,
avec celle que W.Lafferty [25]
a obtenue parune m6thode diff6rente utilisant des transitions directes
entre niveaux de d6doublement du type I pour des valeurs 6lev6es de
J.
(a)
R6sultat nonpublie, rapporté
dans la reference [9].Conclusion. - Ce travail a contribué a confirmer la validite des formulations les
plus
r6centes concernantles
energies
des 6tats excitesdegeneres vE
= 1 desmolecules de
sym6trie C31;
pour les moleculesCH3C
14N etCH3C 15N,
les résultats obtenus semblentcompatibles
avec la theorie de 1’effetquadripolaire
r6cemment
d6velopp6e
par G.Tarrago
et S.Maes;
la concordance de nos resultats avec ceux deduits de
l’infrarouge
pour la valeur de(8 parait
confirmer cepoint
de vue.Les calculs de moindres carr6s
qui
ontpermis 1’ interpretation
de tous nos spectres ont ete effectu6s dans des laboratoires de Paris et deLille;
nous voulonsici remercier M.
Ch6din,
du Laboratoire deSpectro- scopie
Mol6culaire de la Faculte des Sciences deParis,
ainsi que Mme
Remy,
du Laboratoire de CalculNum6rique
de la Faculte des Sciences deLille, qui
ontmis en 0153uvre les programmes n6cessaires a ces calculs.
Nos remerciements vont
6galement
a Mme G. Tar-rago pour de nombreuses et fructueuses
discussions,
ainsi
qu’au
Professeur G. Amat pour l’int6r6tqu’il
abien voulu porter a cette etude. Nous
exprimons
notrereconnaissance au Professeur R.
Wertheimer,
direc-teur du Laboratoire de
Spectroscopie
Hertzienne deLille,
pour les conseilsqu’il
nous aapport6s
lors dela realisation des
experiences
effectuées dans sonlaboratoire.
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