Spectre d'absorption de Yb I

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Submitted on 1 Jan 1969

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Spectre d’absorption de Yb I

Pierre Camus, Frank S. Tomkins

To cite this version:

Pierre Camus, Frank S. Tomkins. Spectre d’absorption de Yb I. Journal de Physique, 1969, 30 (7),

pp.545-550. �10.1051/jphys:01969003007054500�. �jpa-00206815�

SPECTRE D’ABSORPTION DE Yb I

(1)

Par PIERRE CAMUS

(2)

^{et FRANK S.}

^TOMKINS,

Chemistry Division, Argonne ^National Laboratory, Argonne, ^Illinois 60439.

(Reçu

^{le 20 mars}

1969.)

Résumé. 2014 Soixante-treize raies

d’absorption

^de

l’ytterbium

^ont été mesurées dans la

région

ultraviolette 1 980-2 300 Å. _{Les raies} sont

interprétées

^comme étant les transitions entre le niveau fondamental 6s2

1S0

^et les niveaux

1P1

^et

3P1

^des

configurations

^{excitées 6s} np

de Yb I. L’étude de la série de

Rydberg

^6s2

1S0-6s np1P1

pour n variant de 6 à 48 conduit à la valeur de 50 441,0 ± 0,2 ^cm-1 pour ^sa limite

qui

^{est le} niveau fondamental 6s

2S1/2

^{de Yb II.}

Le

potentiel

d’ionisation de Yb I est donc de : 6,2537 ± 0,0002 volts, ^la

précision

étant limitée par ^la détermination du facteur de conversion 8 065,73 ± 0,23

cm-1/eV.

Abstract. ²⁰¹⁴ Seventh-three

absorption

^{lines of}

ytterbium

have been measured in the ultraviolet

region

between 1 980 and 2 300 Å. The lines are

interpreted

^as

being

transitions between the

ground

^{level 6s2}

1S0

^{and the}

1P1

^and

3P1

levels of the excited

configuration

^6s np

of Yb I. Examination of the

Rydberg

^{series 6s2}

1S0

^{~ 6s}

np1P1,

^{for n}

varying

^{from 6 to} 48,

gives

^{the value 50 441.0 ± 0.2 cm-1 for the limit,} which is the

ground

^{state 6s}

2S1/2

^{of Yb II.}

The ionization

potential

^{of Yb I is thus 6.2537 ± 0.0002 volts ; the}

precision being

^limited

by

the determination of the conversion factor 8 065.73 ± 0.23

cm-1/eV.

Introduction. ^- En

1936, Meggers

^{et Scribner}

[1]

ont étudié _pour la

premiere

^{fois le}

spectre

^d’emission de

l’ytterbium.

^{Dans la}

region comprise

^{entre 2 000}

^A

et 2

500 k,

sept raies d’émission du

spectre

neutre sont

publi6es

^{en 1966} par

Meggers

^{et Corliss}

[2].

En

1964,

^{Mossoti et Fassel}

[3]

^{ont observe}

sept

^raies

en

absorption

par

spectroscopie

de flamme dans la

region

^{2 450-4 000}

A. Derni6rement,

^{Parr et Elder}

[4]

ont

analyse

^le

spectre

^de

photoionisation

^de

l’ytterbium

entre 1 350

A

et 2 000

A,

^et donne la valeur de

6,25

Jb

0,01

^volts pour le

potentiel

d’ionisation de 1’atome

neutre en 6tudiant les series de

Rydberg

^5d

np, 6p

^nd

etfl3

6s5dnd. Dans le but de calculer la valeur du poten- tiel

d’ionisation, d6jh

d6termin6e

experimentalement

par diff6rents auteurs

[5],

nous avons

entrepris

^1’etude

en

absorption

de la s6rie

principale 6s2-6s np

^{de Yb I.}

Expérience.

^{- La cellule a}

absorption

^constitu6e

d’un tube en tantale chauffe _par induction a 6t6

pr6c6demment

^d6crite par l’un des ^auteurs

[6].

^Elle

est

conjugu6e

^{de la source blanche et} de la fente du

spectrographe

par des lentilles en fluorure de lithium.

La source blanche est la

partie positive

^d’une

decharge

de

0,5

^{A sous 5 000 V dans une}

lampe

^a

hydrog6ne

Hanovia de

type

commercial. Le

spectrographe

^utilise

(1)

^{Cette 6tude a} 6t6 subventionnee par l’U.S. Atomic

Energy

Commission.

(2)

^Adyesse permanente : Laboratoire Aim6-Cotton, C.N.R.S. II,

91-Orsay (France).

LE JOURNAL DE PHYSIQUE. ^- T. 30. N° 7. JUILLET 1969.

est un

McPherson, montage Eagle

^sous

vide,

^{de trois}

metres de focale donnant une

dispersion

^de

2,7 A/mID

dans la

region

^{1 650-2}

^500,k

^6tudi6e.

Quelques

^dizaines

de

milligrammes d’ytterbium m6tallique

^{sont chauffés}

a une

temperature

voisine de 900 OC _pour obtenir une

tension de _vapeur de 4 a 5 mm de

Hg.

^La cellule d’ab-

sorption

^est

emplie

^{avec de 1’helium sous une}

pression

de

1,5

^mm

Hg

pour ralentir la diffusion de la vapeur

m6tallique

^{vers les}

parties

^{froides. Avec une fente}

de 30 _[1. et des

plaques photographiques

^Eastman

Kodak

SWR,

^les

temps

^de pose ^sont de l’ordre de 5 a 10 s. Le spectre de reference est donne par ^une cathode creuse

cuivre-germanium

^{refroidie a}

1’eau,

soumise a ^un courant continu de 400 mA sous un

potentiel

^{de 700 V. Les}

longueurs

d’onde du cui-

vre

[7], [8],

^du

germanium [8], [9], [10]

^{et de}

quelques

raies d’6mission du silicium

[11], [12] apparaissant

dans le

spectre

continu de la

lampe

^a

hydrog6ne,

^ont

servi d’étalon.

Rdsultats. ^- Le tableau I donne la liste des raies

d’absorption

mesur6es dans la

region comprise

^entre

1 950

A

^et 2 250

A

avec une

precision

^de

^{0,004 A} qui repr6sente

la moyenne des ^mesures de trois

plaques photographiques

differentes. Certaines

raies,

^en

parti-

culier vers la limite d’ionisation du

spectre,

^sont diffuses et 1’erreur sur la determination de leur lon- gueur d’onde ^est certainement

plus grande.

^{Dans la}

colonne I

(intensité),

^{est donnee une} indication sur

la force de la transition observ6e a 1’aide de la notation

35

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01969003007054500

546

symbolique

suivante : tres tres forte

(ttF),

^{tres forte}

(tF),

^forte

(F),

moyenne

(M),

^faible

(f),

^{tres faible}

(tf),

diffuse

(d).

Chaque

^{terme est}

repere

dans la colonne classifi- cation _par son nombre

quantique principal n

^{et la}

lettre A ou B suivant

qu’il appartient respectivement

a la s6rie

principale 652 1S0-65 np 1 P1

^{ou a la s6rie}

652 lS0-65 np 3pl.

Les

energies

^{de deux}

^niveaux, appartenant proba-

blement

hfl3

^5d2

^6s,

^sont

6galement

^donn6es.

Tous les niveaux

impairs

de nombre

quantique principal / 6gal

^{a 1 trouv6s} par W. F.

Meggers [13]

ont ete confirm6s. Les

longueurs

^d’onde

marquees

d’un

ast6risque

^dans le tableau I sont les transi- tions directes de ces niveaux avec le niveau fonda- mental 6s2

lSo.

TABLEAU I

LONGUEURS D’ONDE OBSERVEES EN ABSORPTION

(*) ^Niveau

appartenant probablement

^{a la}

configuration

Interprétation.

^{- La}

figure

¹

reproduit

^le spectre

d’absorption

^de

l’ytterbium

^{entre 1 950}

^A

^{et 2 300}

^A.

Les termes

1P1

^{de la s6rie}

principale 6s2-6s np

^sont

reperes

^et visibles de n

6gal

^{8 a 38 sur la}

reproduction

de la

plaque photographique

^{et mesures}

jusqu’a n egal 48

^au

comparateur.

^{Les termes}

3P,

^des

^configura-

tions fis

np

^sont

reperes

par ^un trait

plus

^{court. I1 est}

facile de constater sur la

figure

1 que la s6rie n’est pas

exempte

^de

perturbations

^{et l’on}

peut

^{observer ces} effets en suivant la croissance ou la décroissance irre-

guli6re

^de l’intensit6 des transitions au fur et a mesure

que ⁿ

augmente.

^{Entre les termes 12 A et 13 A}

apparait

une raie intense

perturbatrice

^et l’intensit6 de la tran-

sition 13 A est

plus

^forte que celles des termes voisins 12 A et 14 A. Pour n ⁼

14,

^{un niveau}

perturbateur apparait

^{entre les 6tats}

1P1

^et

3P,.

^A

partir

^{de n =}

17,

les intensites des transitions

1So-6s np 1P1

^{croissent anor-}

malement et il est difficile _pour le terme 18 A de choisir

entre les raies 2 005

A

et 2 003

A

celle

qui

fait intervenir le niveau dont la

composante

^{en 6s}

18p 1P,

^{est la}

plus

6lev6e. Pour n >

19,

la s6rie redevient

plus r6guli6re.

Pour les termes de n

superieurs

^a

25,

la difference

d’6nergie

^entre les niveaux

1P1

^et

3P1

^{d’une meme}

configuration

^6s

np

^{tend vers une valeur tres faible.}

Cette diff6rence

d’énergie depend

lin6airement du

parametre électrostatique G1 (6s np)

^{et du}

parametre spin-orbite (np

^{et tend} avec eux vers la valeur zero

quand

^{n tend vers l’infini. Les} deux series

1SO-’Pl A

et

1S0-3p¡

^{B ont la meme limite}

2Sl/2

^{de Yb II. A}

partir

de n

6gal

^a

31,

les raies sont

larges

^et la resolution instrumentale insuffisante _pour

s6parer

les transitions aboutissant aux termes

1P,

^et

3P1.

Pour determiner la limite

Too

de la s6rie

principale 6s21So-6s np 1P1,

nous avons utilise la m6thode de moindre carr6 d6crite _par M. Seaton

[14],

^minimisant

1’ecart entre

1’6nergie

^observ6e

En(obs)

^et

l’ énergie

calcul6e

En (calc)

^de

chaque

^{terme n en}

exprimant

^la

variation du d6faut

quantique

^sous la forme d’un

polynome

en en

(formule

^{de Ritz}

generalisee).

^{Les ter-}

mes calcul6s

En (calc)

^sont

repr6sent6s

par ^une fonc- tion de

plusieurs param6tres Cl,

^...,

CN

définis de la mani6re suivante :

où

T}

^{est une} valeur estimée la

plus proche possible

de la limite

cherchée,

^{R la constante de}

Rydberg,

Z Ie

degre

d’ionicité de

1’atome,

^ici

egal

^à

1,

En solutions de

1’equation

^{suivante :}

FIG. 1. ^- Series de

Rydberg

^6S2

lSo-6s

np

1 PI,

3P, ^{dans Yb I.}

548

L’erreur

A T,,,

^{commise sur} la determination de la valeur

Too

de la limite de la s6rie ^est donnee _par la relation :

avec n2 : nombre de termes

observes,

^{N : nombre de}

parametres Cl,

^...,

CN

^utilises

(N n2).

D’apres

^la

figure 1,

^{il est}

preferable

d’61iminer du calcul de moindre carr6 sur les

energies

^{les termes dont}

le

m6lange

^avec des niveaux de

configurations

^diff6-

rentes est

trop important.

^Dans le tableau

II,

^nous

r6sumons les valeurs obtenues de la limite

2S,/2

pour

plusieurs jeux

^{de termes} utilises. Les coefficients

Ci

definis

pr6c6demment

^sont les coefficients du

d6velop-

pement

^{du d6faut}

quantique Vn

^sous la forme d’un

polynome

^{en en. En}

prenant

pour limite la valeur 50 441 cm-1 obtenue a

partir

^{des termes les moins}

perturb6s (n

>

21),

^{il est}

possible

^{de tracer la courbe}

de la

figure

²

repr6sentant

la variation du d6faut

quantique

pour la s6rie A en fonction de

1’energie

FIG. 2. ^- Variation du def aut

quantique

yn pour ^la s6rie 652

’SO-6s

np

IPl.

absolue T. Entre les ^termes 18 et

19,

^{cette courbe}

ressemble a une courbe de

dispersion

^anormale

[15]

^et

est

caractéristique

^{de la}

perturbation provoqu6e

par le

niveau j

⁼

1,

49 920 cm-1.

En

premiere approximation,

^au second ordre de la theorie des

perturbations,

^nous pouvons utiliser la formule de

correction «

de Shenstone-Rus-

Tn- To

sell

[16],

^et

ajouter

^{celle-ci au}

d6veloppement

^du

d6faut

quantique precedent.

T n - To

^est la difference ^entre les

energies

^absolues

des niveaux

perturb6s

^et celle du niveau

perturbateur

49 920 cm-1. Nous avons determine

graphiquement

^la

valeur du

parametre

d’interaction oc

6gal

^{a 4}

cm-1,

et calcul6 les limites

T,,,,

^{obtenues avec cette correction}

pour les memes

jeux

^{de termes} que ci-dessus. Tous les resultats sont rassemblés dans le tableau II.

TABLEAU III

Yb I : SERIE PRINCIPALE

6s21So-6s np 1Pl

LIMITE :

50 441,0

^cm-1

550

TABLEAU IV Yb I : SERIE

6S2 1So-6s np 3P1

LIMITE : 50

441,0

^cm-1

On

peut

^constater que les coefficients

Ci

^des

poly-

nomes

de en

pour les series

corrig6es

^sont

plus petits

^et

que la courbe de variation

n(T)

^se

rapproche

^d’une

droite.

N6anmoins,

la valeur de la limite reste la meme

pour les termes 6lev6s peu

perturb6s

^{et nous}

adopterons

comme limite d’ionisation de Yb I la valeur

L’incertitude est

comparable

^{a la}

precision

^obtenue

sur la mesure des

longueurs

^{d’onde. Les} tableaux III

et IV

indiquent les energies

^{des termes} des series A et B et les valeurs des nombres

quantiques

effectifs n*

obtenues _pour la limite de 50

441,0

cm-1 choisie.

Conclusion. ^- Cette nouvelle

technique d’absorp-

tion nous a

permis

^{de mesurer} soixante-treize raies dans le domaine 1 980

A-2

300

A

et de determiner la valeur du

potentiel

d’ionisation _par voie

spectrosco- pique avec

^une

grande precision.

L’incertitude

pourrait

encore etre reduite _par des mesures

pr6cises

^{des lon-}

gueurs d’onde des ^termes 6lev6s de la s6rie en utilisant

un

spectrographe

^de

plus grande dispersion

pour

spa-

rer leurs composantes

1P,

^et

3pl.

La valeur de la limite d6termin6e a

partir

^{des termes}

les moins

perturb6s

^est

justifi6e

par la

comparaison

avec les resultats obtenus en

appliquant

la correction de

perturbation

de Shenstone-Russell. La encore, ^un traitement de

perturbation

par les m6thodes de Racah

est incertain en raison du

grand

^{nombre de}

parametres

de 1’hamiltonien et du faible nombre de niveaux de

cette s6rie a deux electrons

optiques.

^{La valeur du}

potentiel

d’ionisation trouv6e est donc de

6,2537

:1:

0,0002

^{volts en} utilisant le facteur de conversion

[17]

8

065,73 :1: 0,23 cml/eV.

^{I1 est a noter} que la

precision

sur la valeur du

potentiel

^{est limit6e} par la d6termi- nation du facteur de conversion des cm-1 a 1’electron- volt.

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