HAL Id: jpa-00208151
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00208151
Submitted on 1 Jan 1974
HAL
is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire
HAL, estdestinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Analyse par spectroscopie X des distributions 5f de l’uranium dans le métal et UO2
C. Bonnelle, G. Lachère
To cite this version:
C. Bonnelle, G. Lachère. Analyse par spectroscopie X des distributions 5f de l’uranium dans le métal
et UO2. Journal de Physique, 1974, 35 (3), pp.295-299. �10.1051/jphys:01974003503029500�. �jpa-
00208151�
ANALYSE PAR SPECTROSCOPIE
XDES DISTRIBUTIONS 5f
DE L’URANIUM DANS LE MÉTAL ET UO2
C. BONNELLE et G.
LACHÈRE
Laboratoire de Chimie
Physique
« Matière etRayonnement » (*)
de l’Université de Paris VI11,
rue Pierre etMarie-Curie,
75231 Paris Cedex05,
France(Reçu
le 2 août 1973, révisé le 13 novembre1973)
Résumé. 2014 Les spectres d’émission MIV et MV de l’uranium dans le métal et l’oxyde UO2 ont été analysés comparativement aux spectres d’absorption. Les raies qui correspondent aux distributions 5f de l’élément ont été identifiées et leur intensité relative discutée en fonction des sections efficaces
d’interaction des électrons excitateurs avec la cible, de la réabsorption du rayonnement et de la localisation des états excités. Les états 5fn de l’uranium métallique ont été observés à environ 2,5 eV
en dessous du niveau de Fermi et les états excités 5fn + 1 à moins d’1 eV au-dessus. Des déplacements
ont été mis en évidence lorsqu’on passe du métal à l’oxyde.
Abstract. 2014 The MIV and MV emission spectra of uranium in the metal and in UO2 have been analysed and compared with the absorption spectra. The lines corresponding to the 5f distributions have been identified and their relative intensities are discussed as functions of the cross-section for
interactions of the excitation-electrons with the target, the
self-absorption,
and the excited state localization. The 5fn states of the uranium metal were observed about 2 eV below, and the 5fn + 1 less than 1 eV above the Fermi level. Shifts were seen between the metal and oxide spectra.Classification
Physics Abstracts
5.236 - 5.282 - 8.140 - 8.851
1. Introduction. - Dans le cadre d’une étude par
spectroscopie
X de la distributionélectronique
deséléments à couche
f incomplète,
terres rares etactinides,
nous avons effectué
l’analyse
des spectres d’émis- sionM1y
etMv
de l’uranium dans le métal et sonoxyde
stableU02 comparativement
aux spectresd’absorption correspondants.
Ces transitions mettenten
jeu
les niveauxprofonds 3dg/2
et3d5/2
et permet-tent donc d’obtenir les distributions f dans le solide étudié.
La
configuration
de l’uranium à l’état gazeux est5f3
6d7s2 ;
dans lemétal,
certains étatsgardent
uncaractère 5f fortement
marqué
et l’on doit donc s’attendre à ce que les spectresM1y
etMv
de l’uraniumprésentent
descaractéristiques
tout à faitanalogues
à celles des spectres de terres rares.
C’est bien ce
qui
adéjà
été observé dans le cas del’absorption :
la variation du coefficientd’absorption photoélectrique
auvoisinage
des discontinuitésM,v
et
Mv présente,
eneffet,
aussi bien pour les terresrares
[1] ]
que pour l’uranium[2]
et leursoxydes,
des maximums très
marqués qui
traduisent la forteprobabilité
d’excitation d --> f.En ce
qui
concerne les spectres d’émissionM1y
et
Mv, rappelons
que nous avons mis en évidence(*) Associé au CNRS.
pour les terres rares deux types de transitions
[3] :
- les émissions à
partir
dès distributions f n norma- lementoccupées
dans lesolide ;
- des raies que nous avons
appelées
raies derésonance,
car elles sont inverses des raiesd’absorp- tion ;
ellescorrespondent
à la transition vers le niveau3d3/2
ou3dl/2
d’un électron fprésent
dansl’état excité
3d9
4fn+ 1. Nous avonssouligné
que les raies de résonance sont observablesuniquement
si lenombre relatif d’atomes excités est suffisamment
grand
et si l’électron fsupplémentaire
reste localisésur le même atome
pendant
un temps au moinségal
à la durée de vie radiative de l’état excité. -Après
avoir décrit brièvement le mode d’observa- tion de nos spectres, nousrapporterons
nos résultatscomparativement
pour le métal etl’oxyde
et nousles discuterons en tenant compte des conditions d’excitation et de la
probabilité
des différentes transitions.2. Méthodes
expérimentales.
- Les spectresMI,
et
Mv
de l’uranium sont situés vers3,5 À,
c’est-à-dire dans le domaine de laspectroscopie
X à cristal. Le montagequi
a servi à nosexpériences
est celui décritdans la référence
[4] : l’analyseur
est unspectrographe
à focalisation
équipé
de lames de quartz ; celles-cisont taillées
parallèlement
auxplans
réflecteurs1120,
courbées sous 25 cm de rayon et utilisées par réflexion.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01974003503029500
296
L’excitation du spectre est
produite
par bombarde- dementélectronique ;
la direction d’observation du rayonnement X estperpendiculaire
à la directiond’incidence du faisceau.
Pour les spectres d’émission du
métal,
nous avonsutilisé,
soit des cibles massivesd’uranium,
soit desdépôts évaporés
sur des cibles en cuivre etprotégés
pour éviter les contaminations. Les spectres
d’absorp-
tion ont été observés à
partir
d’écransautoprotégés, évaporés
sur dumylar.
Leurépaisseur,
contrôléeà l’aide d’une microbalance à quartz, était
comprise
entre 500 et 1 500
A.
Les échantillons
d’oxydes
ont de même étépréparés
par
évaporation
soit sur des cibles en cuivre pourl’émission,
soit sur des feuilles minces demylar
pourl’absorption.
Il s’est avéré nécessaire deprotéger
lasurface des échantillons afin d’éviter que celle-ci
ne se déforme. Nous l’avons fait en les recouvrant d’une couche d’aluminium de 500
A d’épaisseur.
L’oxyde
a en effet tendance à se ramasser engrains,
ce
qui produit
desinhomogénéités
de la surface etpeut entraîner
d’importants
effets deréabsorption
du rayonnement dans la cible lors de l’observation du spectre d’émission.
Tous les échantillons ont été contrôlés par diffrac- tion X ou
électronique.
3. Résultats. - 3 .1 URANIUM. - Les spectres d’é- mission
My
etMI,
de l’uranium sontprésentés figure
1 pour différentesénergies Eo
des électronsexcitateurs, comparativement
à la variation du coef- ficientd’absorption.
Le spectre
My
varie fortement avecEo :
pour uneénergie
incidente de4,3 keV,
c’est-à-dire peusupé-
rieure à
l’énergie-seuil (Em, - 3,55 keV),
la raie derésonance R est seule observable. Il
apparaît,
versles
petites énergies
de la raieR,
une émission attri- buable à la transitionMIV-0ili.
Lorsque l’énergie
incidente estégale
à 5keV,
laraie
atomique My(MncNy) apparaît
vers lesgrandes énergies
de la raie de résonanceMv ;
sonénergie- seuil, égale
àl’énergie
d’ionisation du niveauMIll’
est en effet de l’ordre de
4,3
keV. Nousobservons,
de
plus,
vers lespetites énergies
de la raie derésonance,
à -3,5 eV,
une raie que nous attribuons aux tran- sitions àpartir
des états 5f n normalementoccupés.
Si l’on augmente encore
l’énergie incidente,
l’inten- sité de la transition 5f n augmente ainsi que celle deMy.
Par contre, celle de la raie de résonanceMv
diminue
progressivement.
Le spectre
Mjv présente,
àEo
=4,3 keV,
descaractéristiques
tout à faitcomparables
à celles du spectreMv.
Nousobservons,
demême,
une émission identifiable à une raie de résonance. Il faut remarquer que les raiesR,
aussi bienMjv
queMv,
observées àénergie
incidentefaible,
sont fortementasymétriques
et
apparaissent légèrement
décalées vers lesgrandes énergies
par rapport aux raiesd’absorption.
Lorsque Eo
augmente, la raieRM»
sedéplace
FIG. 1.
très
légèrement
vers lespetites énergies
et vient encoïncidence avec la raie
d’absorption.
Elle est accom-pagnée
vers lespetites énergies
d’une structure situéeà environ - 3 eV que nous identifions à la transition 5fn. Nous n’avons pas pu résoudre nettement 5fin ni déterminer
quelle
est sa contribution à l’intensité de la raieR,
et cette dernière demeure la raie laplus
intense du spectre,
quel
que soitEo.
Ces résultats ont été obtenus pour une inclinaison e de la surface émissive par rapport à la direction d’observation
égale
à 45°.Lorsque
nous diminuons(),
ce
qui
revient à augmenter le parcours du rayonne- ment X dans lacible,
nous observonsquel
que soitEo
entre 4 et 8
keV,
un renversement d’intensité à laposition
de la raieRMv
et ilapparaît
dans le spectreune raie
d’absorption.
L’intensité ne s’inverse dans le spectreMlv
quelorsque l’énergie
incidente estfaible ;
pourEo >
5keV,
nous observons une raieRMIV quel
que soit 8.D’après
l’ensemble de nosrésultats,
on peut conclure que la diminution d’intensité de la raie de résonance avecEo
sembleplus
forte dans le spectreMv
que dans le spectreMIv.
Les discontinuités
d’absorption Mn
etMnl
corres-pondent respectivement
aux transitions de3pl/2
et
3p3/2
vers la distribution 6d7s ;
leurpoint
d’inflexion donne laposition
du niveau de Fermi par rapportau niveau
profond en jeu [5].
Connaissant les spectresd’absorption MII
etMin [2]
et les différencesd’énergie
Mtjj-Mjv, Mm-My ...[6],
il estpossible
de déterminerla distance entre les états f et le niveau de Fermi :
nous avons, situé les états 5f" à environ
2,5
eV endessous de
celui-ci,
les états excités 5f "’ ’ étant moins d’ 1 eV au-dessus.3.2
U02. -
Les spectres d’émission etd’absorp-
tion
Mv
etMjv
de l’uranium dansl’oxyde U02
sontprésentés figure
2.Flc. 2.
Nous
observons,
là encore, une modification notable du spectre d’émissionMv lorsque l’énergie
incidenteEo
varie : à
4,3 keV,
la raie de résonanceapparaît seule ;
son intensité est nettement
plus grande
que celle de la raie observée pour le métal. A 8keV,
la raie de réso-nance est
toujours
nettementobservable ;
son intensitéest un peu
supérieure
à celle de la raie 5f nqui
en estdistante de -
6,5
eV. Lesraies M y
etMjy-Om apparais-
sent dans les mêmes conditions et à la même
position
que pour le
métal ;
la raieMjjj-Njv
estdéplacée
versles
petites énergies
dansl’oxyde
d’environ 1 eV.Quelles
que soient les conditionsd’excitation,
le spectre
MIv présente
une seule raie d’émissiondont les
caractéristiques
sontanalogues
à celles dela raie R identifiée dans le spectre de l’uranium
métallique.
,Nous
présentons comparativement
sur lafigure
3les spectres d’émission observés pour U et
U02
à 8 keV. Des différences nettes
apparaissent
pourMv :
un
déplacement
de -3,5
eV de la raie 5f n dansl’oxyde
qui s’accompagne
d’une diminution d’intensité decette
raie ;
uneaugmentation
d’intensité deRMv
dans
U02.
Dans le spectreMlv,
nous observons undéplacement
de la raieRU02
de + 1 eV vers lesgrandes énergies;
cedéplacement
estégal
à celuiobservé pour les raies
d’absorption MIv
etMv
lors-qu’on
passe du métal àl’oxyde [2].
FIG. 3.
4. Discussion. - L’intensité relative de la raie 5f n par rapport à la raie de résonance
Mv dépend
à la foisde la
réabsorption
du rayonnement dans la cibleet du rapport des sections efficaces d’ionisation et
d’excitation.
Afin d’estimer la
réabsorption,
nous avons évaluél’épaisseur
émissive b[7] :
c’estl’épaisseur
parcourue par les électrons dans leur direction d’incidencedepuis l’énergie Eo jusqu’à l’énergie
d’ionisation du niveauMv.
Apartir
de la relation de Feldmann[8],
valable dans notre domaine
d’énergie,
nous obtenonspour b l’expression :
où les
énergies
sont en keV et b enÁ.
Nous avonsporté
dans le tableau 1 les
épaisseurs
émissivescorrespondant
à
My
etM,y
ainsi que les parcours yb = b cotg B du rayonnement émis dans la cible pour deux valeurs del’angle
d’inclinaison 0.Si l’on
intègre
sur toutes les valeurs de parcoursdepuis
zérojusqu’à l’épaisseur
maximaleb,
en suppo- TABLEAU 1298
sant que les
probabilités d’ionisation f (E, E,,)
oud’excitation
Pe(E, Ex)
restent constantes, on obtient[7],
en
première approximation,
pour l’intensité du rayon- nement delongueur
d’onde Àl’expression :
où J1À est le coefficient
d’absorption
pour lalongueur
d’onde Â.
A
partir
des spectresd’absorption,
nous avonsévalué J1 respectivement
à 40 000 cm - 1 pour la raie 5PMy, 140
000cm-1
pour la raieRMy
et 90 000 cm-1pour la raie
RM,v.
Les valeursde i. correspondant
à ces trois émissions sont
portées
dans le tableau II pour 8 = 45° et 10°. On voitqu’il
n’est paspossible d’expliquer
nos résultatsexpérimentaux
en tenantcompte
uniquement
de l’effet deréabsorption.
Eneffet,
le rapportiSfn/iRMv
passe de1,12
pourEo
=4,3
keV à1,88
pourEo
= 8 keV. Cette variationest très inférieure à la modification d’intensité observée
entre ces deux raies en fonction de
Eo.
TABLEAU II Valeurs de
i;.
x106
Nous avons
supposé
que lesprobabilités
d’excita-tion et d’ionisation étaient
indépendantes
del’énergie
des électrons
excitateurs ;
ceci n’est en fait pas lecas surtout au
voisinage
du seuil. Lesprobabilités Pi
etPe
doivent varier très différemment en fonction del’énergie
et l’on s’attend à ce que le rapportP;/Pe
augmente fortement avec
Eo ;
cecipermet d’expliquer
que la raie
5f" puisse
devenir seule observable pourEo
suffisamment
grande.
De même le renversement d’intensité observé à faible inclinaison () ne
peut s’interpréter
entièrement par un effet deréabsorption
de la raie de résonance(cf.
TableauII).
Nous l’attribuons pour unegrande
part à la
réabsorption
durayonnement
defreinage qui
se superpose aux émissions étudiées. L’intensité de ce rayonnement croît moinsrapidement
avecEo
que l’intensité du rayonnement
caractéristique,
dansle domaine
d’énergie
utilisé ici[9].
Le renversementd’intensité
est donc d’autantplus grand
queEo
estplus proche
du seuil.. C’est bien ce que nous avons observéau
voisinage
de la raie de résonanceMlv.
Considérons maintenant les intensités relatives des raies de résonance
My
etMjy.
L’intensité d’une raie de résonance estproportionnelle
au nombre d’atomes excités. Si l’on assimile les forces d’oscillateursgénéralisées
aux forces d’oscillateursoptiques
et sil’on
néglige
la variation delongueur
d’onde entreMy
etMIy,
on doit s’attendre à ce que lerapport
re -
IRm,/IRmv
soitégal
aurapport ra
des variations du coefficientd’absorption photoélectrique
mesuréespour chacune des raies
d’absorption Mv
etMlv; r.
est de l’ordre de
1,8
pour le métal et1,9
pourU02.
Or,
à4,3 keV, re
estégal
à1,9
pourU02
et à1,3
seule-ment pour l’uranium. De
plus re
diminuelorsque Eo
augmente.Afin
d’interpréter
cesrésultats,
il est nécessairede
prendre
en compte l’autreparamètre
dontdépend
l’intensité d’une raie de
résonance,
c’est-à-dire letemps pendant lequel
l’électron excité demeure surl’atome,
donc la localisation des états excités. Pourqu’une
transition de résonancepuisse
êtreobservée,
il faut que cette localisation soit suffisamment
grande.
Cette condition est
particulièrement
restrictive pour les solides etexplique
quejusqu’à présent
nousn’ayons
observé de raies de résonance quelorsque
les états excités
possèdent
le caractèref,
c’est-à-dire pour les terres rares et les actinides.A
partir
de nosrésultats,
nouspouvons
doncconclure que les états f excités sont nettement
plus
localisés dans
l’oxyde
quedans
le métal. Deplus,
les états 5f vers
lesquels
un électron3d3/2
a unegrande probabilité
d’être excité sontplus
fortement localisés que ceuxcorrespondant
à l’excitation d’un électron3ds/2.
Par suite de cettegrande probabilité
d’excitation d’un électron3d3/2
vers des états 5f très fortementlocalisés,
le nombre d’atomes excitésqui
seréorgani-
sent en émettant la raie de résonance
Mjy
estsupérieur
au nombre d’atomes ionisés
qui
peuvent donner lieu à l’émission àpartir
des états 5f n normalementoccupés
dans lesolide ;
la raie R est doncplus
intenseque la raie 5f n dans ce spectre. Par contre, par suite de la localisation relativement moins
importante
des états f en
jeu
dans la raie de résonanceMy,
laproportion
d’atomesexcités, qui
peuvent seréorga-
niser en émettant cette raie peut devenir inférieure
au nombre d’atomes ionisés
lorsque l’énergie
incidenteest suffisamment
grande.
C’est alors la raie Rqui
estdifficile à mettre en évidence et ceci d’autant
plus
icique son observation est
gênée
par laprésence
de laraie
My
intense. ’Les
largeurs
des distributions f peuvent être déter- minées àpartir
des transitions X si celles-ci sontparfaitement
résolues et si l’on connaît la distributionénergétique
des niveauxprofonds 3d3/2
et3d5/2,
la manière dont ils se composent avec les distribu- tions
f,
lesélargissements
instrumentaux ainsi que les effets secondaires de typeAuger qui peuvent
intervenir durant le processus d’émission oud’absorp- tion, principalement
dans le cas des métaux[3].
Dans
l’oxyde,
les distributionsf,
à caractèreatomique
très fortement
marqué, peuvent
être assimilées à des courbes de Lorentz. Lalargeur
à mi-hauteurd’une transition
MIv
ouMv, corrigée
pour les effetsinstrumentaux,
est alorségale
à la somme deslargeurs
de la distribution f et du niveau
profond.
Leslargeurs
des niveaux
3d3/2
et3d5/2
ont été déterminées théori- quement par E. J. McGuire[10].
Apartir
des raiesd’absorption Mjv
etMv,
nous avons estimé à environ0,5
eV lalargeur
de la distribution 5f excitée deU02.
Cette distribution
s’élargit
dans le métal mais les effets secondaires augmentent dans ce cas. Deplus,
la raie
d’absorption
du métal semble formée de deux structures mal résolues. Nous n’avons pas déterminé leslargeurs
des distributionsoccupées
5f n car lestransitions
correspondantes
sont difficiles à résoudreexpérimentalement
par suite de laprésence
de raiesatomiques
intenses situées à leurvoisinage.
Outre le caractère
plus
ou moins fortement localisé des états enjeu,
nous avons vuqu’il
estpossible,
à
partir
de nos spectres, de déterminer laposition
de ces états par
rapport
au niveau de Fermi du métal.D’après
nosobservations,
des distributionsoccupées
à caractère f sont
présentes
dans le métal à2,5
eVenviron en dessous du niveau de Fermi.
Quant
auxétats d’excitation situés immédiatement
au-dessus,
ils sont à caractère fprédominant.
Ces résultats sonten très bon accord avec les
positions prévues
pour les états à caractère f dans la structure de bandeproposée
par J. Friedel[11]
pour l’uranium a.Les
déplacements
observés pour les émissions 5fn et Rlorsqu’on
passe du métal àl’oxyde
traduisentà la fois une modification de
l’énergie
des états fet du niveau
profond, 3ds/2
ou3d3/2,
Il faudraitdonc connaître la variation de
l’énergie
des niveaux 3d pourpouvoir
déterminer laposition
exacte des états fdans
l’oxyde
parrapport
au métal.Toutefois,
étantdonné le sens des
déplacements,
nous pouvons conclure à une diminution du nombre d’étatsoccupés
à caractère f dans
l’oxyde.
Des études
analogues
sont actuellement en courspour le thorium et le
plutonium.
Les spectres ont été effectués dans les locaux du
Département
de laMétallurgie
du Plutonium à Fon-tenay-aux-Roses,
dont leresponsable
est M. Calais.Nous remercions M. A. Courtois pour l’aide efficace
qu’il
nous aapportée
au cours del’expérimentation.
Bibliographie [1] KARNATAK, R. C., Thèse de Doctorat d’Etat, Paris 1971.
[2] CAUCHOIS, Y., BONNELLE, C., MANESCU, I., C. R. Hebd. Séan.
Acad. Sci. 267 (1968) 817.
[3] BONNELLE, C., KARNATAK, R. C., J. Physique 32 (1971) C4-230.
[4] CAUCHOIS, Y., BONNELLE, C., DE BERSUDER, L., C. R. Hebd.
Séan. Acad. Sci. 256 (1963) 112.
[5] MARIOT, J. M., KARNATAK, R. C., BONNELLE, C., J. Phys. &
Chem. Solids (sous presse).
[6] CAUCHOIS, Y., J. Physique et le Rad. 13 (1952) 113.
[7] BONNELLE, C., Annals de Phys. 1 (1966) 439.
[8] FELDMAN, C., Phys. Rev. 117 (1960) 455.
[9] BIGET, M. P., Thèse de 3e Cycle, Paris 1972.
[10] MCGUIRE, E. J., Phys. Rev. A 5 (1972) 1043.
[11] FRIEDEL, J., J. Phys. & Chem. Solids 3 (1956) 175.