Spectroscopie « beam foil »

(1)

Exercice n° 12 de physique atomique, série de travaux dirigés, Année 2006, Université Joseph Fourrier

Spectroscopie « beam foil »

Dans les années 70, la spectroscopie dite « beam foil » était en plein essor. Son principe consiste à interposer sur le trajets d’ions accélérés une cible solide très mince (typiquement une feuille de carbone de quelques centaines d’angströms d’épaisseur) de telle sorte qu’après traversée de la cible on recueille toute une distribution d’ions multichargés, les ions accélérés perdant des électrons dans la cible. De plus les ions sont également produits dans des états d’excitation variés. Les niveaux excités se désexcitent spontanément en émettant des photons de longueurs d’onde caractéristiques.

Un montage expérimental de « beam foil » se compose : i) d’une source d’ions ; ii) d’un accélérateur de type Van de Graaf ; iii) d’un système permettant de sélectionner en charge et masse les ions ; iv) d’une cible et enfin v) d’un dispositif d’observation permettant d’étudier la lumière émise par les ions.

Ici on réalise une expérience avec un faisceau d’ions carbone C+ accélérés sous une énergie de 1MeV (ces ions carbone n’a rien à voir avec les atomes de carbone composant la cible). Après la traversée de la cible la lumière émise en x par les ions excités est focalisée grâce à une lentille sur la fente d’entrée d’un monochromateur (Figure 1). En sortie du monochromateur un photomultiplicateur détecte les photons sélectionnés.

Figure 1 Dispositif expérimental

Page 1 sur 3 Exercice de physique atomique n°

2008-12-07 file://E:\Houa 1\Sauvegarde site\exercice_de_physique_atomique_n.htm

(2)

1) Le monochromateur est réglé sur une longueur d’onde de 229,7nm, correspondant à une transition entre deux niveaux d’énergie de C²⁺ (les ions incidents C+ perdent un électron dans la cible et sont portés dans des états excités de C²⁺). La figure 2 montre, en coordonnées semi-logarithmiques, l’évolution de l’intensité de la lumière émise à 229,7nm en fonction de la distance à la cible.

a) Expliquer qualitativement la figure 2.

b) Calculer la durée de vie du niveau supérieur de la transition observée

Figure 2 : Déclin de la transition à 229,7nm

(3)

2) On observe maintenant la raie à 407,6nm correspondant à une transition de C⁺, et on obtient la courbe de la figure 3.

Figure 3 : Déclin de la transition à 407,6nm

Voici trois explications proposées pour ce comportement :

A. La variation non linéaire du logarithme de l’intensité est due au fait que le niveau excité i dans lequel est porté l’ion C⁺ se désexcite vers deux niveaux inférieurs différents j et k. Les taux radiatifs Aij et A

différents, on met en évidence sur la figure 3 deux temps de déclin différents de la fluorescence.

B. Le niveau supérieur est peuplé uniquement de façon indirecte par un mécanisme de cascade à partir d’un niveau ayant un taux de désexcitation différent de la transition radiative observée. On observe alors les deux taux de déclin caractéristiques.

C. Le niveau supérieur de la transition est peuplé en partie directement, en partie par cascade depuis un niveau plus excité.

D. Le monochromateur a une résolution insuffisante pour séparer deux raies émises de deux niveaux différents qui se désexcitent avec deux taux de déclin différents

a) Discuter quels sont les arguments qui permettent de rejeter telle ou telle explication.

b) Déduire de l'enregistrement de la Fig.3 l'expression qui décrit numériquement l’évolution I(t)/I(0) observée.