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Analyse par spectroscopie X des distributions 5f de l'uranium dans le métal et UO2

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(1)

HAL Id: jpa-00208151

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00208151

Submitted on 1 Jan 1974

HAL

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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�

(2)

ANALYSE PAR SPECTROSCOPIE

X

DES DISTRIBUTIONS 5f

DE L’URANIUM DANS LE MÉTAL ET UO2

C. BONNELLE et G.

LACHÈRE

Laboratoire de Chimie

Physique

« Matière et

Rayonnement » (*)

de l’Université de Paris VI

11,

rue Pierre et

Marie-Curie,

75231 Paris Cedex

05,

France

(Reçu

le 2 août 1973, révisé le 13 novembre

1973)

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 distribution

électronique

des

éléments à couche

f incomplète,

terres rares et

actinides,

nous avons effectué

l’analyse

des spectres d’émis- sion

M1y

et

Mv

de l’uranium dans le métal et son

oxyde

stable

U02 comparativement

aux spectres

d’absorption correspondants.

Ces transitions mettent

en

jeu

les niveaux

profonds 3dg/2

et

3d5/2

et permet-

tent donc d’obtenir les distributions f dans le solide étudié.

La

configuration

de l’uranium à l’état gazeux est

5f3

6d

7s2 ;

dans le

métal,

certains états

gardent

un

caractère 5f fortement

marqué

et l’on doit donc s’attendre à ce que les spectres

M1y

et

Mv

de l’uranium

présentent

des

caractéristiques

tout à fait

analogues

à celles des spectres de terres rares.

C’est bien ce

qui

a

déjà

été observé dans le cas de

l’absorption :

la variation du coefficient

d’absorption photoélectrique

au

voisinage

des discontinuités

M,v

et

Mv présente,

en

effet,

aussi bien pour les terres

rares

[1] ]

que pour l’uranium

[2]

et leurs

oxydes,

des maximums très

marqués qui

traduisent la forte

probabilité

d’excitation d --> f.

En ce

qui

concerne les spectres d’émission

M1y

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- lement

occupées

dans le

solide ;

- des raies que nous avons

appelées

raies de

résonance,

car elles sont inverses des raies

d’absorp- tion ;

elles

correspondent

à la transition vers le niveau

3d3/2

ou

3dl/2

d’un électron f

présent

dans

l’état excité

3d9

4fn+ 1. Nous avons

souligné

que les raies de résonance sont observables

uniquement

si le

nombre relatif d’atomes excités est suffisamment

grand

et si l’électron f

supplémentaire

reste localisé

sur le même atome

pendant

un temps au moins

égal

à la durée de vie radiative de l’état excité. -

Après

avoir décrit brièvement le mode d’observa- tion de nos spectres, nous

rapporterons

nos résultats

comparativement

pour le métal et

l’oxyde

et nous

les discuterons en tenant compte des conditions d’excitation et de la

probabilité

des différentes transitions.

2. Méthodes

expérimentales.

- Les spectres

MI,

et

Mv

de l’uranium sont situés vers

3,5 À,

c’est-à-dire dans le domaine de la

spectroscopie

X à cristal. Le montage

qui

a servi à nos

expériences

est celui décrit

dans la référence

[4] : l’analyseur

est un

spectrographe

à focalisation

équipé

de lames de quartz ; celles-ci

sont taillées

parallèlement

aux

plans

réflecteurs

1120,

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

(3)

296

L’excitation du spectre est

produite

par bombarde- dement

électronique ;

la direction d’observation du rayonnement X est

perpendiculaire

à la direction

d’incidence du faisceau.

Pour les spectres d’émission du

métal,

nous avons

utilisé,

soit des cibles massives

d’uranium,

soit des

dépôts évaporés

sur des cibles en cuivre et

protégés

pour éviter les contaminations. Les spectres

d’absorp-

tion ont été observés à

partir

d’écrans

autoprotégés, évaporés

sur du

mylar.

Leur

épaisseur,

contrôlée

à l’aide d’une microbalance à quartz, était

comprise

entre 500 et 1 500

A.

Les échantillons

d’oxydes

ont de même été

préparés

par

évaporation

soit sur des cibles en cuivre pour

l’émission,

soit sur des feuilles minces de

mylar

pour

l’absorption.

Il s’est avéré nécessaire de

protéger

la

surface 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 en

grains,

ce

qui produit

des

inhomogénéités

de la surface et

peut entraîner

d’importants

effets de

réabsorption

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

et

MI,

de l’uranium sont

présentés figure

1 pour différentes

énergies Eo

des électrons

excitateurs, comparativement

à la variation du coef- ficient

d’absorption.

Le spectre

My

varie fortement avec

Eo :

pour une

énergie

incidente de

4,3 keV,

c’est-à-dire peu

supé-

rieure à

l’énergie-seuil (Em, - 3,55 keV),

la raie de

résonance R est seule observable. Il

apparaît,

vers

les

petites énergies

de la raie

R,

une émission attri- buable à la transition

MIV-0ili.

Lorsque l’énergie

incidente est

égale

à 5

keV,

la

raie

atomique My(MncNy) apparaît

vers les

grandes énergies

de la raie de résonance

Mv ;

son

énergie- seuil, égale

à

l’énergie

d’ionisation du niveau

MIll’

est en effet de l’ordre de

4,3

keV. Nous

observons,

de

plus,

vers les

petites énergies

de la raie de

résonance,

à -

3,5 eV,

une raie que nous attribuons aux tran- sitions à

partir

des états 5f n normalement

occupés.

Si l’on augmente encore

l’énergie incidente,

l’inten- sité de la transition 5f n augmente ainsi que celle de

My.

Par contre, celle de la raie de résonance

Mv

diminue

progressivement.

Le spectre

Mjv présente,

à

Eo

=

4,3 keV,

des

caractéristiques

tout à fait

comparables

à celles du spectre

Mv.

Nous

observons,

de

même,

une émission identifiable à une raie de résonance. Il faut remarquer que les raies

R,

aussi bien

Mjv

que

Mv,

observées à

énergie

incidente

faible,

sont fortement

asymétriques

et

apparaissent légèrement

décalées vers les

grandes énergies

par rapport aux raies

d’absorption.

Lorsque Eo

augmente, la raie

RM»

se

déplace

FIG. 1.

très

légèrement

vers les

petites énergies

et vient en

coïncidence avec la raie

d’absorption.

Elle est accom-

pagnée

vers les

petites énergies

d’une structure située

à 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 raie

R,

et cette dernière demeure la raie la

plus

intense du spectre,

quel

que soit

Eo.

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 la

cible,

nous observons

quel

que soit

Eo

entre 4 et 8

keV,

un renversement d’intensité à la

position

de la raie

RMv

et il

apparaît

dans le spectre

une raie

d’absorption.

L’intensité ne s’inverse dans le spectre

Mlv

que

lorsque l’énergie

incidente est

faible ;

pour

Eo >

5

keV,

nous observons une raie

RMIV quel

que soit 8.

D’après

l’ensemble de nos

résultats,

on peut conclure que la diminution d’intensité de la raie de résonance avec

Eo

semble

plus

forte dans le spectre

Mv

que dans le spectre

MIv.

Les discontinuités

d’absorption Mn

et

Mnl

corres-

pondent respectivement

aux transitions de

3pl/2

et

3p3/2

vers la distribution 6d

7s ;

leur

point

d’inflexion donne la

position

du niveau de Fermi par rapport

au niveau

profond en jeu [5].

Connaissant les spectres

d’absorption MII

et

Min [2]

et les différences

d’énergie

(4)

Mtjj-Mjv, Mm-My ...[6],

il est

possible

de déterminer

la distance entre les états f et le niveau de Fermi :

nous avons, situé les états 5f" à environ

2,5

eV en

dessous de

celui-ci,

les états excités 5f "’ ’ étant moins d’ 1 eV au-dessus.

3.2

U02. -

Les spectres d’émission et

d’absorp-

tion

Mv

et

Mjv

de l’uranium dans

l’oxyde U02

sont

présentés figure

2.

Flc. 2.

Nous

observons,

encore, une modification notable du spectre d’émission

Mv lorsque l’énergie

incidente

Eo

varie : à

4,3 keV,

la raie de résonance

apparaît seule ;

son intensité est nettement

plus grande

que celle de la raie observée pour le métal. A 8

keV,

la raie de réso-

nance est

toujours

nettement

observable ;

son intensité

est un peu

supérieure

à celle de la raie 5f n

qui

en est

distante de -

6,5

eV. Les

raies M y

et

Mjy-Om apparais-

sent dans les mêmes conditions et à la même

position

que pour le

métal ;

la raie

Mjjj-Njv

est

déplacée

vers

les

petites énergies

dans

l’oxyde

d’environ 1 eV.

Quelles

que soient les conditions

d’excitation,

le spectre

MIv présente

une seule raie d’émission

dont les

caractéristiques

sont

analogues

à celles de

la raie R identifiée dans le spectre de l’uranium

métallique.

,

Nous

présentons comparativement

sur la

figure

3

les spectres d’émission observés pour U et

U02

à 8 keV. Des différences nettes

apparaissent

pour

Mv :

un

déplacement

de -

3,5

eV de la raie 5f n dans

l’oxyde

qui s’accompagne

d’une diminution d’intensité de

cette

raie ;

une

augmentation

d’intensité de

RMv

dans

U02.

Dans le spectre

Mlv,

nous observons un

déplacement

de la raie

RU02

de + 1 eV vers les

grandes énergies;

ce

déplacement

est

égal

à celui

observé pour les raies

d’absorption MIv

et

Mv

lors-

qu’on

passe du métal à

l’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 fois

de la

réabsorption

du rayonnement dans la cible

et du rapport des sections efficaces d’ionisation et

d’excitation.

Afin d’estimer la

réabsorption,

nous avons évalué

l’épaisseur

émissive b

[7] :

c’est

l’épaisseur

parcourue par les électrons dans leur direction d’incidence

depuis l’énergie Eo jusqu’à l’énergie

d’ionisation du niveau

Mv.

A

partir

de la relation de Feldmann

[8],

valable dans notre domaine

d’énergie,

nous obtenons

pour b l’expression :

où les

énergies

sont en keV et b en

Á.

Nous avons

porté

dans le tableau 1 les

épaisseurs

émissives

correspondant

à

My

et

M,y

ainsi que les parcours yb = b cotg B du rayonnement émis dans la cible pour deux valeurs de

l’angle

d’inclinaison 0.

Si l’on

intègre

sur toutes les valeurs de parcours

depuis

zéro

jusqu’à l’épaisseur

maximale

b,

en suppo- TABLEAU 1

(5)

298

sant que les

probabilités d’ionisation f (E, E,,)

ou

d’excitation

Pe(E, Ex)

restent constantes, on obtient

[7],

en

première approximation,

pour l’intensité du rayon- nement de

longueur

d’onde À

l’expression :

J1À est le coefficient

d’absorption

pour la

longueur

d’onde Â.

A

partir

des spectres

d’absorption,

nous avons

évalué J1 respectivement

à 40 000 cm - 1 pour la raie 5P

My, 140

000

cm-1

pour la raie

RMy

et 90 000 cm-1

pour la raie

RM,v.

Les valeurs

de i. correspondant

à ces trois émissions sont

portées

dans le tableau II pour 8 = 45° et 10°. On voit

qu’il

n’est pas

possible d’expliquer

nos résultats

expérimentaux

en tenant

compte

uniquement

de l’effet de

réabsorption.

En

effet,

le rapport

iSfn/iRMv

passe de

1,12

pour

Eo

=

4,3

keV à

1,88

pour

Eo

= 8 keV. Cette variation

est très inférieure à la modification d’intensité observée

entre ces deux raies en fonction de

Eo.

TABLEAU II Valeurs de

i;.

x

106

Nous avons

supposé

que les

probabilités

d’excita-

tion et d’ionisation étaient

indépendantes

de

l’énergie

des électrons

excitateurs ;

ceci n’est en fait pas le

cas surtout au

voisinage

du seuil. Les

probabilités Pi

et

Pe

doivent varier très différemment en fonction de

l’énergie

et l’on s’attend à ce que le rapport

P;/Pe

augmente fortement avec

Eo ;

ceci

permet d’expliquer

que la raie

5f" puisse

devenir seule observable pour

Eo

suffisamment

grande.

De même le renversement d’intensité observé à faible inclinaison () ne

peut s’interpréter

entièrement par un effet de

réabsorption

de la raie de résonance

(cf.

Tableau

II).

Nous l’attribuons pour une

grande

part à la

réabsorption

du

rayonnement

de

freinage qui

se superpose aux émissions étudiées. L’intensité de ce rayonnement croît moins

rapidement

avec

Eo

que l’intensité du rayonnement

caractéristique,

dans

le domaine

d’énergie

utilisé ici

[9].

Le renversement

d’intensité

est donc d’autant

plus grand

que

Eo

est

plus proche

du seuil.. C’est bien ce que nous avons observé

au

voisinage

de la raie de résonance

Mlv.

Considérons maintenant les intensités relatives des raies de résonance

My

et

Mjy.

L’intensité d’une raie de résonance est

proportionnelle

au nombre d’atomes excités. Si l’on assimile les forces d’oscillateurs

généralisées

aux forces d’oscillateurs

optiques

et si

l’on

néglige

la variation de

longueur

d’onde entre

My

et

MIy,

on doit s’attendre à ce que le

rapport

re -

IRm,/IRmv

soit

égal

au

rapport ra

des variations du coefficient

d’absorption photoélectrique

mesurées

pour chacune des raies

d’absorption Mv

et

Mlv; r.

est de l’ordre de

1,8

pour le métal et

1,9

pour

U02.

Or,

à

4,3 keV, re

est

égal

à

1,9

pour

U02

et à

1,3

seule-

ment pour l’uranium. De

plus re

diminue

lorsque Eo

augmente.

Afin

d’interpréter

ces

résultats,

il est nécessaire

de

prendre

en compte l’autre

paramètre

dont

dépend

l’intensité d’une raie de

résonance,

c’est-à-dire le

temps pendant lequel

l’électron excité demeure sur

l’atome,

donc la localisation des états excités. Pour

qu’une

transition de résonance

puisse

être

observée,

il faut que cette localisation soit suffisamment

grande.

Cette condition est

particulièrement

restrictive pour les solides et

explique

que

jusqu’à présent

nous

n’ayons

observé de raies de résonance que

lorsque

les états excités

possèdent

le caractère

f,

c’est-à-dire pour les terres rares et les actinides.

A

partir

de nos

résultats,

nous

pouvons

donc

conclure que les états f excités sont nettement

plus

localisés dans

l’oxyde

que

dans

le métal. De

plus,

les états 5f vers

lesquels

un électron

3d3/2

a une

grande probabilité

d’être excité sont

plus

fortement localisés que ceux

correspondant

à l’excitation d’un électron

3ds/2.

Par suite de cette

grande probabilité

d’excitation d’un électron

3d3/2

vers des états 5f très fortement

localisés,

le nombre d’atomes excités

qui

se

réorgani-

sent en émettant la raie de résonance

Mjy

est

supérieur

au nombre d’atomes ionisés

qui

peuvent donner lieu à l’émission à

partir

des états 5f n normalement

occupés

dans le

solide ;

la raie R est donc

plus

intense

que 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 résonance

My,

la

proportion

d’atomes

excités, qui

peuvent se

réorga-

niser en émettant cette raie peut devenir inférieure

au nombre d’atomes ionisés

lorsque l’énergie

incidente

est suffisamment

grande.

C’est alors la raie R

qui

est

difficile à mettre en évidence et ceci d’autant

plus

ici

que son observation est

gênée

par la

présence

de la

raie

My

intense.

Les

largeurs

des distributions f peuvent être déter- minées à

partir

des transitions X si celles-ci sont

parfaitement

résolues et si l’on connaît la distribution

énergétique

des niveaux

profonds 3d3/2

et

3d5/2,

la manière dont ils se composent avec les distribu- tions

f,

les

élargissements

instrumentaux ainsi que les effets secondaires de type

Auger qui peuvent

intervenir durant le processus d’émission ou

d’absorp- tion, principalement

dans le cas des métaux

[3].

Dans

l’oxyde,

les distributions

f,

à caractère

atomique

(6)

très fortement

marqué, peuvent

être assimilées à des courbes de Lorentz. La

largeur

à mi-hauteur

d’une transition

MIv

ou

Mv, corrigée

pour les effets

instrumentaux,

est alors

égale

à la somme des

largeurs

de la distribution f et du niveau

profond.

Les

largeurs

des niveaux

3d3/2

et

3d5/2

ont été déterminées théori- quement par E. J. McGuire

[10].

A

partir

des raies

d’absorption Mjv

et

Mv,

nous avons estimé à environ

0,5

eV la

largeur

de la distribution 5f excitée de

U02.

Cette distribution

s’élargit

dans le métal mais les effets secondaires augmentent dans ce cas. De

plus,

la raie

d’absorption

du métal semble formée de deux structures mal résolues. Nous n’avons pas déterminé les

largeurs

des distributions

occupées

5f n car les

transitions

correspondantes

sont difficiles à résoudre

expérimentalement

par suite de la

présence

de raies

atomiques

intenses situées à leur

voisinage.

Outre le caractère

plus

ou moins fortement localisé des états en

jeu,

nous avons vu

qu’il

est

possible,

à

partir

de nos spectres, de déterminer la

position

de ces états par

rapport

au niveau de Fermi du métal.

D’après

nos

observations,

des distributions

occupées

à caractère f sont

présentes

dans le métal à

2,5

eV

environ en dessous du niveau de Fermi.

Quant

aux

états d’excitation situés immédiatement

au-dessus,

ils sont à caractère f

prédominant.

Ces résultats sont

en très bon accord avec les

positions prévues

pour les états à caractère f dans la structure de bande

proposée

par J. Friedel

[11]

pour l’uranium a.

Les

déplacements

observés pour les émissions 5fn et R

lorsqu’on

passe du métal à

l’oxyde

traduisent

à la fois une modification de

l’énergie

des états f

et du niveau

profond, 3ds/2

ou

3d3/2,

Il faudrait

donc connaître la variation de

l’énergie

des niveaux 3d pour

pouvoir

déterminer la

position

exacte des états f

dans

l’oxyde

par

rapport

au métal.

Toutefois,

étant

donné le sens des

déplacements,

nous pouvons conclure à une diminution du nombre d’états

occupés

à caractère f dans

l’oxyde.

Des études

analogues

sont actuellement en cours

pour le thorium et le

plutonium.

Les spectres ont été effectués dans les locaux du

Département

de la

Métallurgie

du Plutonium à Fon-

tenay-aux-Roses,

dont le

responsable

est M. Calais.

Nous remercions M. A. Courtois pour l’aide efficace

qu’il

nous a

apportée

au cours de

l’expérimentation.

Bibliographie [1] KARNATAK, R. C., Thèse de Doctorat d’Etat, Paris 1971.

[2] CAUCHOIS, Y., BONNELLE, C., MANESCU, I., C. R. Hebd. Séan.

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[3] BONNELLE, C., KARNATAK, R. C., J. Physique 32 (1971) C4-230.

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[5] MARIOT, J. M., KARNATAK, R. C., BONNELLE, C., J. Phys. &

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[11] FRIEDEL, J., J. Phys. & Chem. Solids 3 (1956) 175.

Références

Documents relatifs

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