HAL Id: jpa-00207378
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Submitted on 1 Jan 1973
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Fonctions d’autocorrélation du moment dipolaire de quelques molécules polyatomiques à l’état gazeux
M. Cattani, Nguyen-Van-Thanh, I. Rossi
To cite this version:
M. Cattani, Nguyen-Van-Thanh, I. Rossi. Fonctions d’autocorrélation du moment dipolaire de quelques molécules polyatomiques à l’état gazeux. Journal de Physique, 1973, 34 (2-3), pp.239-245.
�10.1051/jphys:01973003402-3023900�. �jpa-00207378�
FONCTIONS D’AUTOCORRÉLATION DU MOMENT DIPOLAIRE
DE QUELQUES MOLÉCULES POLYATOMIQUES A L’ÉTAT GAZEUX
M. CATTANI
(~),
NGUYEN-VAN-THANH et I. ROSSI Laboratoired’Infrarouge, Equipe
de Recherche Associée auCNRS,
Université de Paris
VI, 91-Campus d’Orsay,
France(Reçu
le 25 mai1972,
révisé le 29septembre 1972)
Résumé. 2014 Calcul de la fonction d’autocorrélation du moment
dipolaire
de quelques moléculespolyatomiques
à l’état gazeux compte tenu ducouplage
vibration-rotation. Un formalisme pure- mentquantique
a été utilisé. Les résultats sontcomparés
avec les données dans leproche
infra-rouge.
Abstract. 2014 The
dipole
auto-correlation functions for some gaseouspolyatomic
molecules arecalculated
taking
into account the vibration-rotationcoupling
effect. Apurely
quantum mechanical formalism is used. The results arecompared
with the near infrared data.Classification
Physics Abstracts
13.30 - 14.60 - 08.45
1. Introduction. - Dans un récent travail
[1] ]
relatifau calcul des fonctions d’autocorrélation du moment
dipolaire 0(t)
des moléculestoupies symétriques (halo-
formes
CHX3)
nous n’avons pas trouvé un excellent accord entre la théorie etl’expérience.
Enfait,
nousavions
négligé
lecouplage
vibration-rotation.Nous nous proposons, dans cet
article,
de montrerque le
couplage
vibration-rotation estimportant
et nepeut
êtrenégligé
pour lestoupies symétriques (CHF3
etCHC’3)
et les molécules linéaires(OCS
etN20).
Lesbandes 2 v, de
CHF3,
vi deCHCl3, 2 v3
de OCS et2 V3 de
N20
ont été étudiées parspectrométrie infrarouge.
Pour le calcul de la fonction de corrélation
0(t)
nousavons utilisé le formalisme
quantique.
Dans le cas des molécules linéaires
étudiées,
nousverrons que l’effet
quantique qui pourrait expliquer
ladissymétrie
duprofil
de bande estnégligeable
devantl’effet du
couplage
vibration-rotation.2. Calcul de la fonction d’autocorrélation. - Soit
HRv
l’hamiltonien total de latoupie symétrique,
somme des hamiltoniens de
vibration,
de rotation etdu
couplage vibration-rotation, et 1 JKvl)
etE JKvl
lesfonctions d’état et les valeurs propres
correspondant
àcet
opérateur.
Lesrègles
de sélection des bandes(t)
De l’Instituto de Fisica de Sâo Paulo, Brasil, avec la subvention de la Fundaçâo de Amparo à Pesquisa do Estado de Sâo Paulo (FAPESP).parallèles
des« toupies symétriques »
sont les sui-vantes :
avec
La
fréquence
des raies rotationnelles dans les tran- sitionsdipolaires (v, J, K) - (v’, J’, K’) s’exprime
dansla branche
Q
par :et dans
les
branches P et R par :avec m = - J pour la branche P
m = J + 1 pour la branche R.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01973003402-3023900
240
Dans le cas des molécules
linéaires,
lesrègles
desélection des bandes
parallèles (transitions M. E)
des molécules linéaires sont les suivantes :
La
fréquence
des raies rotationnellesVP,R
s’obtient àpartir
del’éq. (2)
enposant
K - 0.Dans le cas d’un
champ électromagnétique
incidentnon
polarisé,
la fonction de corrélationqJ(t)
est reliéeau coefficient
d’absorption a(cv)
par :où w = 2 ncv, et n =
N/V est
la densité des molécules absorbantes.Lorsque
l’effetDoppler
estnégligeable,
;la fonction
Q(t)
est donnée par(voir
parexemple
Cattani
[21)
avec
où Z
désigne
la fonction departition.
L’opérateur
momentdipolaire d(t)
de la molécule absorbante est défini par :d(t) = U+(t) dU(t)
où d =
d(t
=0),
etl’opérateur
d’évolution du sys- tème.U(t)
obéit àl’équation :
Ho désigne
l’hamiltonien des molécules libres et Vl’énergie potentielle
d’interaction entre toutes les molécules du gaz. Dansl’éq. (4)
la moyenne ... >est
prise
sur tous les états des molécules du gazexcepté
les
états JKv).
Le calcul exact de la fonction de corrélation
cp(t)
pour toutes les valeurs du
temps
t est très délicat en raison du recouvrement des raies[3]. Cependant,
pour déterminer l’effet ducouplage vibration-rotation,
il -suflit de calculercp(t)
pour destemps
très inférieursaux
temps
de relaxation rotationnelle i,qui
est del’ordre de
10-1°
s[4], [5], [6].
Pour t r,
U(t)
estégal
àl’unité,
et la fonctionQ(t)
devient :
p est
l’opérateur
momentdipolaire
de la molécule-isolée.
La fonction de corrélation
cp(t)
est déterminéeexpé-
rimentalement à
partir
de la relation(3)
en considé-rant le coefficient
d’absorption a(w)
relatif aux bandescontinues étudiées
(Fig. 1,
2 et3).
La valeur théo-rique
decp(t)
est calculée àpartir
d’unesuperposition
discrète des
états JKv) (éq. (6)).
FIG. l. - Profils normalisés de la bande 2 vl 1 de CHF3 3
(P = 760 torrs ; L = 50 cm) centrée à 5 960 cm-1 et de la bande v 1
de CHCl3 (P = 70 torrs ; L = 1 m) centrée à 3 033 cm-1.
FIG. 2. - Bande 2 V3 de OCS (P = 760 torrs ; L = 1 cm) centrée à 4 100 cm-l. Courbe ln (IolIt) = f (v).
FIG. 3. - Bande 2 V3 de N20 (P = 500 torrs ; L = 25 cm) centrée à 4 417 cm-1. Courbe In (IoJlt) = f(v).
L’éq. (6) qui
est valable seulement pour untemps t
tel que0
t « is’applique
à notre casparticulier
etnous pourrons comparer les résultats
théoriques
etexpérimentaux
deQ(t)
dans l’intervalle 0 t T.En
effet,
la fonction d’autocorrélationdipolaire Q(t) [7]
décrit la valeur moyenne ded. d(t)
où d estl’opérateur
momentdipolaire
à l’instant t = 0. Pournos conditions
expérimentales (pressions
relativementfaibles)
nous pouvons considérer comme valable l’«approximation d’impact » [3], [4],
selonlaquelle
les interactions moléculaires
(collisions binaires)
seproduisent pendant
untemps r,
très inférieur à la durée i entre deux collisions durantlaquelle
la molé-cule est libre. Nous considérons alors l’évolution de
l’opérateur d. d(t)
relatif à la molécule librependant
l’intervalle T. Ainsi
Q( t) peut
être décrite par une moyennestatistique
sur les étatsdiscrets JKv)
(cf. éq. (6)).
Il faut
souligner
que pour despressions
sufhsam-ment élevées l’«
approximation d’impact »
n’est pas valable etl’éq. (6)
nepeut plus
êtreappliquée.
Uneétude relative à ce
sujet
est actuellement en cours.Dans le cas où il
n’y
a pas de recouvrement de bandes devibration-rotation,
nous pouvons calculerqJ(t)
pour la transition v -> v’ :Pour les molécules
considérées,
la conditionhcvv-+v, >
kT esttoujours
réalisée et nous pouvons alorsnégliger
PJ’K’v’ devant pJKv.L’éq. (7)
devientNous introduisons une erreur
négligeable
dans lecalcul de
cp(t)
si nous posons P JKv ~PJKV ’(0)’.
L’indice(°) signifie
que les éléments de la matrice densité ont été évalués ennégligeant
lecouplage
vibration-rotation.En
effet,
dans le cas des bandesparallèles
étudiées(1 = l’ = 0),
nous supposons que :où gJK
désigne
ledegré
dedégénérescence
relatif auxniveaux rotationnels. Les
expressions
depv(O)
etpJK(0)
sont
données,
parexemple,
dans les ouvrages de Townes et Schawlow[6]
ou deHerzberg [8].
En
désignant
par n le vecteur unitaireporté
par l’axe de lamolécule,
nous avons : u = pn. Les élé- mentsmatriciels ( (Jv 1 p 1 J’ v’) |2
pour les bandesd’une molécule
diatomique [9], [10]
et pour la bande 2 v3 deN20 [11 ] peuvent
se mettre sous la forme :Les éléments
matriciels (J 1 n 1 J’) lZ
relatifs au rota-teur linéaire
rigide
sont donnésplus
loin(cf. éq. (13)).
Mvv’(m) représente
le momentdipolaire
de la transi- tion v --> v’compte
tenu de l’interaction rotation- vibration. Le calcul exact deMvv(m) l2
nécessite la connaissance des fonctionsd’état Jv)
d’ordresupé-
rieur à zéro
qui
n’ont pas encore été obtenues.Cepen-
dant cet élément matriciel
peut
s’écrire[11]-[15] :
où Uv-v (0)|
cl, c,, etc. sont déterminésexpéri-
mentalement.
Dans le cas de la bande
2 v3
deN20, Margolis [11]
a obtenu :
et
L’éq. (8)
s’écrit alors pour la bande2 v3
deN20
entenant
compte
des relations(9)
et(10) :
(II)
Nous définissons une fonction de corrélation
03A6v>v (t)
telle que :A
partir
de cette dernièrerelation,
nous pouvons calculer la valeur de03A6v->v,(t)
relative à la bande 2 V3 deN20
pour destemps t
variant de 0 à 4 xlO-12
s,en
remplaçant
dans la relation(12)
donnant03A6v->v(t) l’expression de Mvv’(M) |2 :
- soit par
l’approximation
- soit par la formule obtenue
expérimentalement
par
Margolis [11].
Il fautsouligner
que les écarts maxima obtenus àpartir
de ces deux méthodes de calcul sont environ de 2%
pour lapartie imaginaire
de
03A6v->v,(t)
et de0,3 %
pour lapartie
réelle. Ces diffé-rences sont
négligeables
devant les erreursexpéri-
mentales
qui
sont de l’ordre de 8%
pour lapartie imaginaire
et de 5%
pour lapartie
réelle de03A6v->v,(t).
Dans le calcul de
03A6v->v,(t)
l’effet ducouplage
devibration-rotation est
prépondérant
dans le facteurexp[2 nivj(v, v’) ct]
etpeut
êtrenégligé
dans l’élémentmatriciel ( Mvv’(m) 12.
Des déterminations
expérimentales
de|Mvv (M) 12
ont été obtenues pour la bande
fondamentale
de CO[12]
et les bandesharmoniques
3 v3 deC02 [13],
242
2 v et 3 v de HI
[14].
Dans tous les cas, le facteurexp[2 nivj(v, v’) ct]
estprépondérant
dansl’expression
de
03A6v >.v,(t) etl’approximation Mvv’(M) |2 - 1Mv.>v (o)2
est tout à fait
légitime.
A notre
connaissance,
il n’existe pas de valeursexpérimentales
de l’élémentmatriciel 1Mvv (m), |2 pour
les bandes 2 V3 de
OCS,
2 v, deCHF3
et vi deCHC’3.
Pour ces cas, nous supposons que la relation :
qui
est exacte à l’ordre zéro[16],
reste encore valable.Les éléments
matriciels 1 (K 1 n 1 J’ K’) /2
relatifs à un rotateursymétrique rigide
sont donnés par :où b est le
symbole
de Kronecker.Pour une molécule
linéaire,
les éléments matricielscorrespondants
à la transition Z - E s’obtiennent enfaisant K = 0 dans la relation
(13).
De
plus
si nous tenonscompte
des erreursexpéri- mentales, l’approximation
considérée pour l’élément de matriceparaît
être suffisante. Eneffet,
il nes’agit
pas dans ce travail d’étudier en détail pour ces molé- cules l’effet du
couplage
vibration-rotation sur la fonction03A6v-v,(t)
maisplutôt
de montrer que ce cou-plage
nepeut
êtrenégligé.
En
conclusion, pour t
i la fonction de corréla- tionthéorique 03A6thv-v,(t) peut s’écrire,
en tenantcompte
des relations(8), (9), (12)
et(13) :
Il est facile de vérifier que nous avons :
La fonction de corrélation
expérimentale 03A6exp v-v(t)
s’obtient à
partir
deséq. (3)
et(12) :
où wv-v = 2 7nv-v c ;
Nv = 7Bpv (0)
est lapopulation
du niveau vibrationnel v. Le coefficient
d’absorp-
tion
a(co)
est donné parl’expérience d’après
la loide Beer-Lambert :
It/Io
=exp[ - a(w) PL]
où P estla
pression,
L lalongueur
de la cuved’absorption.
Nous comparerons ensuite la valeur de
03A6exp v-v(t)
déterminée à l’aide de la relation
(15)
avec celle de03A6th v-v (t)
calculée à l’aide deséq. (1), (2)
et(14)
et entenant
compte
desparamètres
moléculaires donnés dans le tableau I.3. Résultats et discussion. - Les conditions
expé-
rimentales pour l’obtention des
spectres d’absorption infrarouge
ont été décrites ailleurs[1].
Leprofil
nor-malisé de bande défini par : ln =
In(Io/It)(J)
ln (10/ It)(J) = (J)o
TABLEAU 1
Constantes moléculaires de
CHF3, CHCI3,
OCS etN20
(*)
Valeurs nonpubliées
de la référence[17].
(**)
Labande V1
deCHCl3 n’ayant
pas été étudiée en hauterésolution,
nous avons été amenés à donnerun ordre de
grandeur
raisonnable des différentes constantes moléculaires de cette bande àpartir
des constantesde la bande 2 V1’ Les valeurs de
Dj, Dj,
etDj
sont obtenues àpartir
des références[18], [19].
est
représenté
sur lafigure
I pour la bande 2 vi deCHF3
et la bande v, de
CHCl3.
Lesfigures
2 et 3représentent
les courbes
ln (Io/It)v
en fonction de v relatives auxbandes 2 v3 de OCS et
N20.
Nous remarquons que l’intensité de la branche R des bandes
2 v3
de OCS etN20 présente
une « cassurebrutale » du côté des
fréquences
élevées. Ceci est dû à un « retournement des raies » que nous pouvons observer à l’aide d’unspectromètre
de résolvanceplus
élevée[20], [21], [22].
Au
temps t
=0,
nousimposons
la valeur 1 à la fonction de corrélation donnée par la relation(15).
De cette
façon,
nous pouvons estimer un ordre degrandeur
de l’élément matriciel :- pour la bande 2 v, de
CHF3 :
- pour la
bande vl
deCHCl3 :
- pour la bande
2 V3
de OCS :Quant
à la bande2 v3
deN20,
la valeur de Mar-golis [11] : 1 uo - 2(0) I = 5,58 x 10-3
D satisfait bien àla condition
précédente imposée
à03A6o->2(t), en
tenantcompte
des erreursexpérimentales.
Sur les
figures 4, 5,
6 et 7 sontreprésentées
lescourbes
théoriques,
calculées àpartir
de la relation(14)
et les courbes
expérimentales
obtenues à l’aide de larelation
(15).
Ces courbescorrespondent
à lapartie
réelle Re
03A60-v(t)
pour la bande 2 vi deCHF3,
labande VI de
CHCl3
et les bandes 2 V3 de OCS etN20.
Les
figures
8 et 9représentent
les courbes relatives à lapartie imaginaire
Im00-,(t)
pour les bandes2 v3
de OCS et de
N20.
FIG. 4. - Parties réelles des fonctions de corrélations théo- riques et expérimentale de la bande 2 vl de CHF3 (T = 298 OK)
+ + + + expérimental,
OOOCO théorique (sans couplage
vibration-rotation),
-8-8-8- théorique (avec couplage vibration-rotation).
FIG. 5. - Parties réelles des fonctions de corrélation théoriques
et expérimentale de la bande v 1 de CHCI 3 ( T = 298 OK) + + + + expérimental,
00000 théorique (sans couplage vibration-rotation),
-8-8-8- théorique (avec couplage vibration-rotation),
FIG. 6. - Parties réelles des fonctions de corrélation théoriques
et expérimentale de la bande 2 v3 de OCS (T = 298 °K)
+ + + + expérimental,
00000 théorique (sans couplage vibration-rotation),
-8-8-8- théorique (avec couplage vibration-rotation).
FIG. 7. - Parties réelles des fonctions de corrélation théorique.
est expérimentale de la bande 2 v3 de N20 (T = 298 °K) + + + + expérimental,
OOCCO théorique (sans couplage vibration-rotation),
-8-8-8- théorique (avec couplage vibration-rotation).
244
FIG. 8. - Parties imaginaires des fonctions de corrélation théorique et expérimentale de la bande 2 v3 de OCS (T = 298 OK)
+ + + + expérimental,
-8-8-8- théorique (avec couplage vibration-rotation).
FIG. 9. - Parties imaginaires des fonctions de corrélations théorique et expérimentale de la bande 2 v3 de N20 (T = 298 OK)
+ + + + expérimental,
-8-8-8- théorique (avec couplage vibration-rotation).
Nous estimons que pour les molécules
linéaires,
lesparties
réelle Re03A6o->(t) et imaginaire
Im03A6o-+>v(t)
sontaffectées
respectivement
d’une erreurexpérimentale
de l’ordre de
± 5 % et
± 8%.
Mais pour les
haloformes,
l’erreur sur lapartie
réelleest de ± 10
%.
La valeurexpérimentale
de lapartie imaginaire, qui
est très faible et de l’ordre degrandeur
des erreurs
expérimentales,
n’est pasreprésentée
ici.La
figure
4représente
les valeursexpérimentales
dela
partie
réelle Re03A6o->v (t)
pour la bande 2 v, deCHF3
ainsi que les valeurs
théoriques compte
tenu ou non ducouplage
vibration-rotation. Notons que l’accordthéorie-expérience, qui
est meilleurcompte
tenu ducouplage,
n’est pas entièrement satisfaisant. Cecipourrait
être dû à laprésence
de « bandes chaudes »dans le
spectre
observé[17].
Par contre, l’accord est très satisfaisant pour labande v1,
deCHCl3 (cf. Fig. 5).
Il en est de même pour la
partie
réelle Re03A6o ->v(t)
des bandes
2 v3
de OCS etN20 (Fig.
6 et7)
où l’in-fluence du
couplage
resteprépondérante. Quant
àla valeur
théorique
de lapartie imaginaire
Im03A6o..>(t)r
sa valeur serait inférieure à
10-3
si lecouplage
étaitnégligé ;
c’estpourquoi
nous n’avons tracé dans lesfigures
8 et 9 que les courbesthéoriques
obtenues entenant
compte
ducouplage.
L’accord est alors très raisonnable.Nous pensons que s’il subsiste une différence entre les valeurs
théorique
etexpérimentale
de lapartie imaginaire
Im03A6o>v(t)
relative à la bande2 v3
deN20,
elle n’est pas due essentiellement à l’existence de bandes chaudes
[21], [22].
Mais ilpourrait
y avoir une autresource d’erreur que nous avons
déjà évoquée précé- demment,
à savoir que l’«approximation d’impact »
n’est pas
rigoureusement
valable etl’éq. (14)
nepeut
donner des résultats entièrement satisfaisants.Le désaccord que nous observons pour la
partie imaginaire
Im1>ov(t) de
la bande2 v3
de OCSpeut s’expliquer
par les mêmes remarquesprécédentes [20]
auxquelles
nous devonsajouter
les erreurs introduites dans le calcul de03A6>thv,(t) quand
estsupposée
réaliséel’égalité
suivante :Cette dernière
approximation
estégalement
une caused’erreur
probable
pour lestoupies symétriques.
Remarquons
aussi que ladissymétrie
duprofil
de labande est due
principalement
aucouplage
vibration-rotation,
l’effetquantique
étantnégligeable
devant cecouplage.
Eneffet,
ennégligeant
lecouplage
nousobtenons la valeur
théorique
de lapartie imaginaire
Im
03A6o->v(t) pratiquement nulle,
cequi
est contraire àl’expérience.
En
conclusion,
nous pensons que pour les moléculestoupies symétriques
et linéaires que nous avons étu-diées,
il est nécessaire d’introduire lecouplage
vibra-tion-rotation afin d’obtenir une
représentation
satis-faisante des résultats
expérimentaux.
Remerciements. - Nous tenons à remercier M. le Professeur P. Barchewitz pour les
précieux
conseilsqu’il
nous aprodigués.
M. M. Cattani est reconnaissant à M. le Professeur P. Barchewitz pour l’accueil chaleureux
qu’il
a trouvéau Laboratoire
d’Infrarouge.
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