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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

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Texte intégral

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HAL Id: jpa-00206774

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Submitted on 1 Jan 1969

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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�

(2)

ÉTUDE

EN

ONDES MILLIMÉTRIQUES

DE

L’ACÉTONITRILE CH3C

14N ET

CH3C

15N :

EFFETS DE

L’INTERACTION

DE

VIBRATION-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 novembre

1.968.)

Résumé. 2014 On étudie dans l’état fondamental de vibration et dans l’état excité

dégénéré V8

= 1 le spectre de rotation de l’acétonitrile

CH3C

14N et

CH3C

15N pour huit transitions de

J faibles. Les

principales

constantes de rotation et d’interaction de vibration-rotation sont

calculées, en

particulier

le coefficient de

couplage

de Coriolis

03B68.

De

plus,

les mesures effectuées

sur

CH3C14N

avec une

précision

améliorée

permettent

de mettre en évidence la structure

quadri- polaire

du

spectre

de l’état excité

V8

= 1 et de vérifier la validité d’une formulation récemment

proposée.

Abstract. 2014 The rotational

spectrum

of

methyl cyanide CH3C

14N and

CH3C

15N in the

vibrational

ground

state and in the excited state

V8

= 1 is studied for

eight low J

transitions.

The main constants for rotation and vibration-rotation interaction are calculated,

especially

the Coriolis

coupling

constant

03B68.

Moreover, the measurements made on

CH3C14N

with a

better accuracy allow observation of the

quadrupole

structure for the excited state

V8

= 1;

a formulation which has been

proposed

recently can thus be verified.

La molecule d’ac6tonitrile

CH3C

14N se

prete parti-

culi6rement bien a Fetude des interactions de vibra- tion-rotation en

spectroscopie

hertzienne. Elle

poss6de

en effet un moment

dipolaire important y

=

3,913

de-

byes [1]

et un mode de vibration

d6g6n6r6e V8

= 362 cm-1

[2]

dont la

frequence

est suffisamment basse pour permettre une bonne observation a

temp6-

rature ordinaire des raies de rotation des 6tats excites de vibration. De

plus,

du

point

de vue

theorique,

comme cette molecule est une

toupie sym6trique

appartenant au groupe de

sym6trie C3V,

les calculs

d6velopp6s

par H. H.

Nielsen,

G. Amat et leur école

s’appliquent

de

façon

relativement ais6e.

Aussi de nombreux auteurs ont-ils

d6jh

6tudi6 son

spectre de rotation dans 1’etat fondamental de vibra- tion et dans certains 6tats

excites, sp6cialement

1’etat

V8 -

1

[3], [4], [5], [6]. Cependant, l’interprétation th6orique

du spectre de rotation de 1’6tat

V8

= 1

comporte des difficultes : en

particulier,

la valeur du

coefficient de

couplage

de Coriolis

(8

calcul6 par

S. Maes

[7], [8]

a

partir

des mesures de M.

Kessler,

H.

Ring,

R. Trambarulo et W.

Gordy (8

=

0,94)

est

en desaccord avec la valeur que l’on peut d6duire des

mesures

infrarouges (1) (8 -- 0,89) [9]. J.

Sheridan

et A. G. Turner

[10], puis

A.

Bauer,

A. Moises et

S. Maes

[11]

ont constate

qu’en

fait une raie avait ete omise dans la

transition /

= 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 difficultes

provien-

nent

peut-etre

de ce que

l’analyse

de 1’ensemble du

spectre

de rotation de 1’etat excite

V8

= 1 de

CH3C

14N ne peut pas 6tre faite correctement sans

tenir compte de 1’effet de

perturbation quadripolaire

sur toutes les

raies,

effet

qui

a ete laisse de cote dans les formulations utilis6es

jusqu’ici.

En

revanche,

ces

formulations doivent donner un resultat

parfaitement

correct en l’absence d’effet

quadripolaire.

Elles de-

les meilleures mesures

infrarouges permettent

d’obtenir

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01969003002-3016900

(3)

vraient donc

s’appliquer

sans les memes difficultés a

F analyse

du spectre de l’ac6tonitrile

CH3C

15N.

C’est la raison pour

laquelle

nous avons ete amenes

a 6tudier cet

isotope,

dont le noyau d’azote de

spin I = 1/2

ne

poss6de

pas de moment

quadripolaire 6lectrique;

il

n’apparait

donc pas dans ce cas de

structure

hyperfine

dans le

spectre

de

rotation,

ce

qui

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 excite

V8

= 1 de

CH3C

15N

(partie

A de ce

travail)

ayant

permis

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’effet

quadripolaire,

il nous

a 6t6 alors

possible

de

reprendre

1’6tude

experimentale

de ces memes

spectres

pour la molecule

CH3C

14N et

leur

interpretation th6orique (partie

B de ce

travail),

en tenant

compte

de 1’effet

quadripolaire s’ajoutant

aux corrections calcul6es par les auteurs

precedents.

Nous montrerons

qu’on

leve ainsi les difficultés

signal6es plus

haut et

qu’on

peut en

particulier

trouver

une valeur de

(8

absolument

compatible

avec les don-

n6es

infrarouges.

DISPOSITIF EXPERIMENTAL. - L’étude

expérimentale

du spectre de rotation de

CH3C

14N et

CH3C

15N a 6t6

effectuée 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 de

CH3C 15N,

nous

avons modifi6 l’installation a vide afin de r6aliser un

dispositif

de pompage avec

point froid,

afin d’éviter

toute

perte

de

produit.

Notre installation comporte comme

g6n6rateurs hyperfrequences

des

klystrons Philips

55335 et

YK

1010, Raytheon QK 291,

EMI R

9674,

OKI 47

V 11,

BTC 60

BT/A,

utilises soit dans leur gamme

fondamentale,

soit en

harmonique

2 ou 3. De 26 à

44

GHz,

la

generation d’harmonique

2 a ete r6alis6e a 1’aide de deux

multiplicateurs

construits au labora-

toire,

munis de cristaux 1 N

53;

l’un comporte un

guide

d’entree RG

96/U,

1’autre un

guide

RG

97/U.

Les d6tecteurs sont dans ce cas des d6tecteurs commer-

ciaux a cristaux 1 N 53. Pour

1’harmonique

2 de la

bande 44-75

GHz,

ainsi

qu’en harmonique

3 de

36

GHz,

nous nous sommes servis de

multiplicateurs

et de d6tecteurs a « moustache » construits au labora-

toire,

ainsi que d’un

multiplicateur

commercial

4 mm --> 2 mm. Pour la mesure des

frequences,

nous

avons fait

appel

a l’une des installations du laboratoire

qui

consiste en un

klystron

auxiliaire stabilise en

phase

a

partir

d’un etalon de 5

MHz,

dont on fait battre les

harmoniques

avec la

frequence

fondamentale de la

source

hyperfrequence [15].

La

precision

de mesure

peut etre 6valu6e a 30 kHz pour les raies mesur6es en

frequence

fondamentale des

generateurs, a

60 ou

90 kHz pour celles mesur6es en

harmonique

2 ou

3;

la

precision

peut diminuer pour des raies tres faibles

ou

imparfaitement

r6solues.

Les difficultes

expérimentales

rencontr6es ont con-

sist6

principalement

en la mesure de raies aux limites

de sensibilit6 et de resolution du

spectrometre;

ce sont

les raies

appartenant

a 1’6tat

V8

= 1 de

CH3C

14N

pour des valeurs de

J

faibles

qui

ont fait

l’objet

du

plus grand

nombre de mesures afin de diminuer les

erreurs

d’experience.

A.

l5tude

du

spectre

de rac6tomtrile

CH3C 15N.

-

ETAT

FONDAMENTAL. - Pour 1’etat

fondamental,

nous

avons

deja publi6

les resultats

exp6rimentaux

concer-

nant les

transitions J - J

+ 1

pour J

=

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,

7 et 11

[16].

Nous avons

cependant

pu, par la

suite,

am6liorer la

precision

des mesures concernant

la 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 formule

classique

du rotateur

sym6trique :

TABLEAU I

CH3C 15N,

ETAT FONDAMENTAL

(4)

TABLEAU II

CH3C 15N,

ETAT

V8

= 1

(5)

TABLEAU II

(suite)

Les valeurs des constantes de rotation et de distorsion

centrifuge

obtenues sont

rapport6es

dans le tableau VI.

ETAT

EXCITE

V8

= 1. - Pour 1’etat excite

V8

=

1,

les resultats des mesures des differentes transitions sont

rassemblées dans le tableau II.

Pour

interpreter

ce

spectre,

nous avons

applique

la

formulation de M. L. Grenier-Besson et G. Amat

[12].

La

frequence

d’une

transition J - J

+ 1 dans un

etat de vibration

d6g6n6r6e V,

= 1 pour une mole- cule de

sym6trie C3V

est donn6e par :

avec :

Dans cette formule

interviennent,

en

plus

des

constantes habituelles de rotation et de distorsion

centrifuge,

la constante qJ de d6doublement du type

l,

le coefficient de

couplage

de Coriolis

(t,

la constante r

de resonance du type l «

2,

- 1 » et le

coefficient nt, J

du terme en

Kl J(J

+

1)

de

l’énergie

du troisieme ordre.

Le calcul de moindres carr6s a

permis

d’obtenir les diverses constantes

rapport6es

dans le tableau VI. On

peut

constater que les differences entre

fréquences

mesur6es et

frequences

calculees sont inferieures aux

erreurs

expérimentales

pour la

plupart

des valeurs

de f,

ce

qui justifie pleinement

la formulation

th6orique adoptee.

L’6cart Af - 8qj(j + 1)

entre les raies de d6dou- blement du type I pour une valeur

de J

donn6e permet de calculer

simplement

qJ pour

chaque

transition. Ce calcul nous a

permis

de constater que l’on ne

pouvait

pas deceler la variation

avec J

de la constante de

d6doublement du type

l,

compte tenu des erreurs

expérimentales (tableau III).

Par

ailleurs,

le calcul de moindres carr6s permet d’obtenir :

(6)

TABLEAU III

B. Iltude

du

spectre

de l’acétonitrile

CH3C

14N. -

ETAT

FONDAMENTAL. - L’etude du spectre de rotation de 1’etat fondamental de vibration de

CH3C 14N

a

déjà

fait

l’objet

de

plusieurs

travaux

[4], [5], [17].

Nous

avons

repris

cette etude avec une

precision

am6lior6e

en 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 faible

d’harmonique

de

klystron,

ce

qui

assure une

pr6c

sion

experimentale

de 30 a 60 kHz.

Ces mesures constituent une base et un

point

de

comparaison

pour 1’etude des memes transitions de 1’etat excite

V8

=

1,

en ce

qui

concerne les constantes

obtenues et la

precision

des mesures de structure

quadripolaire.

Nous

reproduisons

dans le tableau IV les transi-

tions J = 3 -> 4 à J = 7 ->. 8.

On trouvera dans

la reference

[11]

les

transitions J

= 0 -->

1,

1 ----> 2 et 2 -+ 3.

TABLEAU IV

CH3C 14N,

ETAT FONDAMENTAL

(7)

TABLEAU IV

(suite)

Pour effectuer le calcul

th6orique

des

fréquences,

on doit

ajouter

a la formule

(1)

le terme habituel de correction

quadripolaire,

ce

qui

donne :

avec :

ou :

et :

Un calcul de moindres carr6s effectue sur 1’ensemble des transitions nous a

permis

d’obtenir les constantes

rapport6es

dans le tableau VI. Les resultats sont

comparables

a ceux obtenus par

Gordy

et coll.

[4]

et, pour la constante de

couplage quadripolaire,

a

celui de

Kemp,

Pochan et

Flygare [18], qui

obtinrent

-

4,214 + 0,016

MHz dans une

experience

de haute

resolution.

Les differences entre

fréquences

mesur6es et fr6-

quences calcul6es a 1’aide des

paramètres

obtenus sont

inferieures aux erreurs

d’experiences,

sauf pour

quel-

(8)

ques raies faibles ou difficiles a r6soudre que nous n’avons pas fait intervenir dans le calcul de moindres

carr6s;

ces derni6res sont

marquees

d’un

ast6risque

dans les tableaux.

ETAT

EXCITE

V8

= 1. - Nos

experiences

ont per- mis de mettre en evidence la structure

quadripolaire

des

raies,

et pour certaines d’en r6soudre effectivement la structure fine.

Les

premiers

r6sultats obtenus

[11]

avaient

permis

de constater

qu’en ajoutant

a la relation

(2)

le terme

habituel de correction

quadripolaire

suivant la formu- lation de

Casimir,

on ne

pouvait

pas obtenir une bonne concordance entre résultats

exp6rimentaux

et th6o-

riques ;

en

particulier,

une difference de structure

quadripolaire

observ6e pour chacune des deux raies de d6doublement I de la transition

J

= 1 --> 2 res-

tait

inexpliquee.

Ces difficultes nous ont amenes a poser le

probl6me

du

point

de vue

th6orique.

Diverses 6tudes semblables ont ete faites pour les molecules lin6aires. Plusieurs auteurs

[19], [20], [21]

ont

remarque

des anomalies dans le

spectre

de d6dou- blement

l,

et ont pu mettre en evidence d’une

part

une

dependance

vibrationnelle de la constante

eoq

par l’interm6diaire du coefficient q, d’autre

part

le role d’un coefficient

d’ asymétrie ’YJ

intervenant dans la correction

quadripolaire

des

toupies asym6triques.

G.

Tarrago

et S. Maes

[22]

ont 6tudi6 le

probleme theorique

pour les

toupies sym6triques

et ont obtenu

la correction

d’énergie quadripolaire

sous la forme

suivante :

où S

et ,i sont des constantes liees aux coefficients du

developpement

des d6riv6es secondes du

potentiel

a 2 v «

= x, j,

z

en fonction des coordonnees ao’.

normales

(4).

(3)

Cette relation montre que la constante

eQqo

obtenue

dans 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 etre

compar6e

a

celle donn6e par Townes

[23]

pour des

toupies

fai-

blement

asym6triques

et

reprise

par Yarmus

[21]

pour 1’etude de HCN

(5) :

Finalement,

pour effectuer le calcul

th6orique

des

raies,

on

ajoutera

a la formule

(2)

le terme de correc-

tion

quadripolaire

resultant des relations

(4).

Les

valeurs des constantes ainsi obtenues

apr6s

un calcul

de moindres carr6s sur 1’ensemble des raies mesur6es

(tableau V),

sauf les raies non

résolues,

sont donn6es

dans le tableau VI

(6).

On

peut

constater

d’après

le tableau V que les differences entre les valeurs des

frequences

calcul6es

avec ces constantes et les valeurs mesur6es restent dans les limites de la

precision exp6rimentale,

sauf pour

quelques

raies non ou mal r6solues : on trouve la une

premiere justification

de la formulation utilis6e.

En outre, le calcul de moindres carr6s

permet

d’obtenir :

dont on tire

Çs,

en

adoptant

pour

B,

=

Bo

- M8 la

valeur 9

224,4

MHz

(7),

et pour

Cv N Co

la valeur

calcul6e 152 400 MHz. On trouve ainsi :

cette valeur est en bon accord avec celle d6duite des

mesures

infrarouges :

on peut donc admettre que sont

levees 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 les

transitions J = 1-> 2,

2 ---> 3 et 4->5, dont seules les

f requences exp6rimen-

tales avaient ete

publi6es [11].

(1)

En

prenant

pour (X8 la valeur trouvee par H. Parker et A. H. Nielsen

[24],

soit (xs = - 25,5 MHz.

(9)
(10)
(11)
(12)

TABLEAU VI

VALEURS DES CONSTANTES

(en MHz)

de

eQ,q

avec V n’est pas

significative

dans nos resultats

puisque eQ,q8

-

eQqo

= -

0,06

est inferieur a la

precision

obtenue sur

eQ,qo (0,18),

par contre

eQqe ’YJs

n’est pas

n6gligeable.

On peut en d6duire

(avec eQq,, 2-, eQ,qo) :

’YJs N -

0,0026.

Notons

cependant

que, compte tenu de la

precision exp6rimentale,

l’in-

fluence de ce coefficient

d’asym6trie

n’est r6ellement

observable que pour

J

= 1 -->

2,

la difference

f (1, J

+

1, F2) - f(I, J, Fl)

d6croit en effet tres

rapi-

dement

lorsque J

augmente. Cette remarque

explique

les valeurs aberrantes trouv6es anterieurement pour

(8,

car elles etaient en

general

calcul6es

d’apr6s

la tran-

sition J

= 1 - 2

uniquement.

Seuls M. L. Grenier-

Besson et G. Amat

(8)

avaient trouve

0,88,

mais en

effectuant le calcul a 1’aide de transitions

h j

6lev6s

ou ils avaient pu

negliger

1’effet

quadripolaire.

En ce

qui

concerne la constante qJ de d6doublement du

type l,

notre m6thode

expérimentale

permet d’at- teindre sa valeur a

0,0050

MHz

pres;

la valeur trouv6e

(4,4484 MHz)

est en

accord,

aux erreurs

d’exp6rience pres,

avec celle que W.

Lafferty [25]

a obtenue par

une m6thode diff6rente utilisant des transitions directes

entre niveaux de d6doublement du type I pour des valeurs 6lev6es de

J.

(a)

R6sultat non

publie, rapporté

dans la reference [9].

Conclusion. - Ce travail a contribué a confirmer la validite des formulations les

plus

r6centes concernant

les

energies

des 6tats excites

degeneres vE

= 1 des

molecules de

sym6trie C31;

pour les molecules

CH3C

14N et

CH3C 15N,

les résultats obtenus semblent

compatibles

avec la theorie de 1’effet

quadripolaire

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 ce

point

de vue.

Les calculs de moindres carr6s

qui

ont

permis 1’ interpretation

de tous nos spectres ont ete effectu6s dans des laboratoires de Paris et de

Lille;

nous voulons

ici remercier M.

Ch6din,

du Laboratoire de

Spectro- scopie

Mol6culaire de la Faculte des Sciences de

Paris,

ainsi que Mme

Remy,

du Laboratoire de Calcul

Num6rique

de la Faculte des Sciences de

Lille, qui

ont

mis 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’int6r6t

qu’il

a

bien voulu porter a cette etude. Nous

exprimons

notre

reconnaissance au Professeur R.

Wertheimer,

direc-

teur du Laboratoire de

Spectroscopie

Hertzienne de

Lille,

pour les conseils

qu’il

nous a

apport6s

lors de

la realisation des

experiences

effectuées dans son

laboratoire.

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