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Fonctions d'autocorrélation du moment dipolaire de quelques molécules polyatomiques à l'état gazeux

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Academic year: 2021

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Texte intégral

(1)

HAL Id: jpa-00207378

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00207378

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�

(2)

FONCTIONS D’AUTOCORRÉLATION DU MOMENT DIPOLAIRE

DE QUELQUES MOLÉCULES POLYATOMIQUES A L’ÉTAT GAZEUX

M. CATTANI

(~),

NGUYEN-VAN-THANH et I. ROSSI Laboratoire

d’Infrarouge, Equipe

de Recherche Associée au

CNRS,

Université de Paris

VI, 91-Campus d’Orsay,

France

(Reçu

le 25 mai

1972,

révisé le 29

septembre 1972)

Résumé. 2014 Calcul de la fonction d’autocorrélation du moment

dipolaire

de quelques molécules

polyatomiques

à l’état gazeux compte tenu du

couplage

vibration-rotation. Un formalisme pure- ment

quantique

a été utilisé. Les résultats sont

comparés

avec les données dans le

proche

infra-

rouge.

Abstract. 2014 The

dipole

auto-correlation functions for some gaseous

polyatomic

molecules are

calculated

taking

into account the vibration-rotation

coupling

effect. A

purely

quantum mechanical formalism is used. The results are

compared

with the near infrared data.

Classification

Physics Abstracts

13.30 - 14.60 - 08.45

1. Introduction. - Dans un récent travail

[1] ]

relatif

au calcul des fonctions d’autocorrélation du moment

dipolaire 0(t)

des molécules

toupies symétriques (halo-

formes

CHX3)

nous n’avons pas trouvé un excellent accord entre la théorie et

l’expérience.

En

fait,

nous

avions

négligé

le

couplage

vibration-rotation.

Nous nous proposons, dans cet

article,

de montrer

que le

couplage

vibration-rotation est

important

et ne

peut

être

négligé

pour les

toupies symétriques (CHF3

et

CHC’3)

et les molécules linéaires

(OCS

et

N20).

Les

bandes 2 v, de

CHF3,

vi de

CHCl3, 2 v3

de OCS et

2 V3 de

N20

ont été étudiées par

spectrométrie infrarouge.

Pour le calcul de la fonction de corrélation

0(t)

nous

avons utilisé le formalisme

quantique.

Dans le cas des molécules linéaires

étudiées,

nous

verrons que l’effet

quantique qui pourrait expliquer

la

dissymétrie

du

profil

de bande est

négligeable

devant

l’effet du

couplage

vibration-rotation.

2. Calcul de la fonction d’autocorrélation. - Soit

HRv

l’hamiltonien total de la

toupie symétrique,

somme des hamiltoniens de

vibration,

de rotation et

du

couplage vibration-rotation, et 1 JKvl)

et

E JKvl

les

fonctions d’état et les valeurs propres

correspondant

à

cet

opérateur.

Les

règles

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- sitions

dipolaires (v, J, K) - (v’, J’, K’) s’exprime

dans

la 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

(3)

240

Dans le cas des molécules

linéaires,

les

règles

de

sélection des bandes

parallèles (transitions M. E)

des molécules linéaires sont les suivantes :

La

fréquence

des raies rotationnelles

VP,R

s’obtient à

partir

de

l’éq. (2)

en

posant

K - 0.

Dans le cas d’un

champ électromagnétique

incident

non

polarisé,

la fonction de corrélation

qJ(t)

est reliée

au coefficient

d’absorption a(cv)

par :

w = 2 ncv, et n =

N/V est

la densité des molécules absorbantes.

Lorsque

l’effet

Doppler

est

négligeable,

;la fonction

Q(t)

est donnée par

(voir

par

exemple

Cattani

[21)

avec

où Z

désigne

la fonction de

partition.

L’opérateur

moment

dipolaire d(t)

de la molécule absorbante est défini par :

d(t) = U+(t) dU(t)

où d =

d(t

=

0),

et

l’opérateur

d’évolution du sys- tème.

U(t)

obéit à

l’équation :

Ho désigne

l’hamiltonien des molécules libres et V

l’énergie potentielle

d’interaction entre toutes les molécules du gaz. Dans

l’éq. (4)

la moyenne ... >

est

prise

sur tous les états des molécules du gaz

excepté

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 du

couplage vibration-rotation,

il -suflit de calculer

cp(t)

pour des

temps

très inférieurs

aux

temps

de relaxation rotationnelle i,

qui

est de

l’ordre de

10-1°

s

[4], [5], [6].

Pour t r,

U(t)

est

égal

à

l’unité,

et la fonction

Q(t)

devient :

p est

l’opérateur

moment

dipolaire

de la molécule

-isolée.

La fonction de corrélation

cp(t)

est déterminée

expé-

rimentalement à

partir

de la relation

(3)

en considé-

rant le coefficient

d’absorption a(w)

relatif aux bandes

continues étudiées

(Fig. 1,

2 et

3).

La valeur théo-

rique

de

cp(t)

est calculée à

partir

d’une

superposition

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).

(4)

L’éq. (6) qui

est valable seulement pour un

temps t

tel que

0

t « i

s’applique

à notre cas

particulier

et

nous pourrons comparer les résultats

théoriques

et

expérimentaux

de

Q(t)

dans l’intervalle 0 t T.

En

effet,

la fonction d’autocorrélation

dipolaire Q(t) [7]

décrit la valeur moyenne de

d. d(t)

où d est

l’opérateur

moment

dipolaire

à l’instant t = 0. Pour

nos conditions

expérimentales (pressions

relativement

faibles)

nous pouvons considérer comme valable l’«

approximation d’impact » [3], [4],

selon

laquelle

les interactions moléculaires

(collisions binaires)

se

produisent pendant

un

temps r,

très inférieur à la durée i entre deux collisions durant

laquelle

la molé-

cule est libre. Nous considérons alors l’évolution de

l’opérateur d. d(t)

relatif à la molécule libre

pendant

l’intervalle T. Ainsi

Q( t) peut

être décrite par une moyenne

statistique

sur les états

discrets JKv)

(cf. éq. (6)).

Il faut

souligner

que pour des

pressions

sufhsam-

ment élevées l’«

approximation d’impact »

n’est pas valable et

l’éq. (6)

ne

peut plus

être

appliquée.

Une

étude relative à ce

sujet

est actuellement en cours.

Dans le cas où il

n’y

a pas de recouvrement de bandes de

vibration-rotation,

nous pouvons calculer

qJ(t)

pour la transition v -> v’ :

Pour les molécules

considérées,

la condition

hcvv-+v, >

kT est

toujours

réalisée et nous pouvons alors

négliger

PJ’K’v’ devant pJKv.

L’éq. (7)

devient

Nous introduisons une erreur

négligeable

dans le

calcul de

cp(t)

si nous posons P JKv ~

PJKV ’(0)’.

L’indice

(°) signifie

que les éléments de la matrice densité ont été évalués en

négligeant

le

couplage

vibration-rotation.

En

effet,

dans le cas des bandes

parallèles

étudiées

(1 = l’ = 0),

nous supposons que :

gJK

désigne

le

degré

de

dégénérescence

relatif aux

niveaux rotationnels. Les

expressions

de

pv(O)

et

pJK(0)

sont

données,

par

exemple,

dans les ouvrages de Townes et Schawlow

[6]

ou de

Herzberg [8].

En

désignant

par n le vecteur unitaire

porté

par l’axe de la

molécule,

nous avons : u = pn. Les élé- ments

matriciels ( (Jv 1 p 1 J’ v’) |2

pour les bandes

d’une molécule

diatomique [9], [10]

et pour la bande 2 v3 de

N20 [11 ] peuvent

se mettre sous la forme :

Les éléments

matriciels (J 1 n 1 J’) lZ

relatifs au rota-

teur linéaire

rigide

sont donnés

plus

loin

(cf. éq. (13)).

Mvv’(m) représente

le moment

dipolaire

de la transi- tion v --> v’

compte

tenu de l’interaction rotation- vibration. Le calcul exact de

Mvv(m) l2

nécessite la connaissance des fonctions

d’état Jv)

d’ordre

supé-

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 déterminés

expéri-

mentalement.

Dans le cas de la bande

2 v3

de

N20, Margolis [11]

a obtenu :

et

L’éq. (8)

s’écrit alors pour la bande

2 v3

de

N20

en

tenant

compte

des relations

(9)

et

(10) :

(II)

Nous définissons une fonction de corrélation

03A6v>v (t)

telle que :

A

partir

de cette dernière

relation,

nous pouvons calculer la valeur de

03A6v->v,(t)

relative à la bande 2 V3 de

N20

pour des

temps t

variant de 0 à 4 x

lO-12

s,

en

remplaçant

dans la relation

(12)

donnant

03A6v->v(t) l’expression de Mvv’(M) |2 :

- soit par

l’approximation

- soit par la formule obtenue

expérimentalement

par

Margolis [11].

Il faut

souligner

que les écarts maxima obtenus à

partir

de ces deux méthodes de calcul sont environ de 2

%

pour la

partie imaginaire

de

03A6v->v,(t)

et de

0,3 %

pour la

partie

réelle. Ces diffé-

rences sont

négligeables

devant les erreurs

expéri-

mentales

qui

sont de l’ordre de 8

%

pour la

partie imaginaire

et de 5

%

pour la

partie

réelle de

03A6v->v,(t).

Dans le calcul de

03A6v->v,(t)

l’effet du

couplage

de

vibration-rotation est

prépondérant

dans le facteur

exp[2 nivj(v, v’) ct]

et

peut

être

négligé

dans l’élément

matriciel ( Mvv’(m) 12.

Des déterminations

expérimentales

de

|Mvv (M) 12

ont été obtenues pour la bande

fondamentale

de CO

[12]

et les bandes

harmoniques

3 v3 de

C02 [13],

(5)

242

2 v et 3 v de HI

[14].

Dans tous les cas, le facteur

exp[2 nivj(v, v’) ct]

est

prépondérant

dans

l’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 valeurs

expérimentales

de l’élément

matriciel 1Mvv (m), |2

pour

les bandes 2 V3 de

OCS,

2 v, de

CHF3

et vi de

CHC’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 rotateur

symétrique rigide

sont donnés par :

où b est le

symbole

de Kronecker.

Pour une molécule

linéaire,

les éléments matriciels

correspondants

à la transition Z - E s’obtiennent en

faisant K = 0 dans la relation

(13).

De

plus

si nous tenons

compte

des erreurs

expéri- mentales, l’approximation

considérée pour l’élément de matrice

paraît

être suffisante. En

effet,

il ne

s’agit

pas dans ce travail d’étudier en détail pour ces molé- cules l’effet du

couplage

vibration-rotation sur la fonction

03A6v-v,(t)

mais

plutôt

de montrer que ce cou-

plage

ne

peut

être

négligé.

En

conclusion, pour t

i la fonction de corréla- tion

théorique 03A6thv-v,(t) peut s’écrire,

en tenant

compte

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

des

éq. (3)

et

(12) :

wv-v = 2 7nv-v c ;

Nv = 7Bpv (0)

est la

population

du niveau vibrationnel v. Le coefficient

d’absorp-

tion

a(co)

est donné par

l’expérience d’après

la loi

de Beer-Lambert :

It/Io

=

exp[ - a(w) PL]

P est

la

pression,

L la

longueur

de la cuve

d’absorption.

Nous comparerons ensuite la valeur de

03A6exp v-v(t)

déterminée à l’aide de la relation

(15)

avec celle de

03A6th v-v (t)

calculée à l’aide des

éq. (1), (2)

et

(14)

et en

tenant

compte

des

paramètres

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].

Le

profil

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 et

N20

(*)

Valeurs non

publiées

de la référence

[17].

(**)

La

bande V1

de

CHCl3 n’ayant

pas été étudiée en haute

résolution,

nous avons été amenés à donner

un ordre de

grandeur

raisonnable des différentes constantes moléculaires de cette bande à

partir

des constantes

de la bande 2 V1’ Les valeurs de

Dj, Dj,

et

Dj

sont obtenues à

partir

des références

[18], [19].

(6)

est

représenté

sur la

figure

I pour la bande 2 vi de

CHF3

et la bande v, de

CHCl3.

Les

figures

2 et 3

représentent

les courbes

ln (Io/It)v

en fonction de v relatives aux

bandes 2 v3 de OCS et

N20.

Nous remarquons que l’intensité de la branche R des bandes

2 v3

de OCS et

N20 présente

une « cassure

brutale » du côté des

fréquences

élevées. Ceci est dû à un « retournement des raies » que nous pouvons observer à l’aide d’un

spectromètre

de résolvance

plus

élevée

[20], [21], [22].

Au

temps t

=

0,

nous

imposons

la valeur 1 à la fonction de corrélation donnée par la relation

(15).

De cette

façon,

nous pouvons estimer un ordre de

grandeur

de l’élément matriciel :

- pour la bande 2 v, de

CHF3 :

- pour la

bande vl

de

CHCl3 :

- pour la bande

2 V3

de OCS :

Quant

à la bande

2 v3

de

N20,

la valeur de Mar-

golis [11] : 1 uo - 2(0) I = 5,58 x 10-3

D satisfait bien à

la condition

précédente imposée

à

03A6o->2(t), en

tenant

compte

des erreurs

expérimentales.

Sur les

figures 4, 5,

6 et 7 sont

représentées

les

courbes

théoriques,

calculées à

partir

de la relation

(14)

et les courbes

expérimentales

obtenues à l’aide de la

relation

(15).

Ces courbes

correspondent

à la

partie

réelle Re

03A60-v(t)

pour la bande 2 vi de

CHF3,

la

bande VI de

CHCl3

et les bandes 2 V3 de OCS et

N20.

Les

figures

8 et 9

représentent

les courbes relatives à la

partie imaginaire

Im

00-,(t)

pour les bandes

2 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).

(7)

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,

les

parties

réelle Re

03A6o->(t) et imaginaire

Im

03A6o-+>v(t)

sont

affectées

respectivement

d’une erreur

expérimentale

de l’ordre de

± 5 % et

± 8

%.

Mais pour les

haloformes,

l’erreur sur la

partie

réelle

est de ± 10

%.

La valeur

expérimentale

de la

partie imaginaire, qui

est très faible et de l’ordre de

grandeur

des erreurs

expérimentales,

n’est pas

représentée

ici.

La

figure

4

représente

les valeurs

expérimentales

de

la

partie

réelle Re

03A6o->v (t)

pour la bande 2 v, de

CHF3

ainsi que les valeurs

théoriques compte

tenu ou non du

couplage

vibration-rotation. Notons que l’accord

théorie-expérience, qui

est meilleur

compte

tenu du

couplage,

n’est pas entièrement satisfaisant. Ceci

pourrait

être dû à la

présence

de « bandes chaudes »

dans le

spectre

observé

[17].

Par contre, l’accord est très satisfaisant pour la

bande v1,

de

CHCl3 (cf. Fig. 5).

Il en est de même pour la

partie

réelle Re

03A6o ->v(t)

des bandes

2 v3

de OCS et

N20 (Fig.

6 et

7)

l’in-

fluence du

couplage

reste

prépondérante. Quant

à

la valeur

théorique

de la

partie imaginaire

Im

03A6o..>(t)r

sa valeur serait inférieure à

10-3

si le

couplage

était

négligé ;

c’est

pourquoi

nous n’avons tracé dans les

figures

8 et 9 que les courbes

théoriques

obtenues en

tenant

compte

du

couplage.

L’accord est alors très raisonnable.

Nous pensons que s’il subsiste une différence entre les valeurs

théorique

et

expérimentale

de la

partie imaginaire

Im

03A6o>v(t)

relative à la bande

2 v3

de

N20,

elle n’est pas due essentiellement à l’existence de bandes chaudes

[21], [22].

Mais il

pourrait

y avoir une autre

source d’erreur que nous avons

déjà évoquée précé- demment,

à savoir que l’«

approximation d’impact »

n’est pas

rigoureusement

valable et

l’éq. (14)

ne

peut

donner des résultats entièrement satisfaisants.

Le désaccord que nous observons pour la

partie imaginaire

Im

1>ov(t) de

la bande

2 v3

de OCS

peut s’expliquer

par les mêmes remarques

précédentes [20]

auxquelles

nous devons

ajouter

les erreurs introduites dans le calcul de

03A6>thv,(t) quand

est

supposée

réalisée

l’égalité

suivante :

Cette dernière

approximation

est

également

une cause

d’erreur

probable

pour les

toupies symétriques.

Remarquons

aussi que la

dissymétrie

du

profil

de la

bande est due

principalement

au

couplage

vibration-

rotation,

l’effet

quantique

étant

négligeable

devant ce

couplage.

En

effet,

en

négligeant

le

couplage

nous

obtenons la valeur

théorique

de la

partie imaginaire

Im

03A6o->v(t) pratiquement nulle,

ce

qui

est contraire à

l’expérience.

En

conclusion,

nous pensons que pour les molécules

toupies symétriques

et linéaires que nous avons étu-

diées,

il est nécessaire d’introduire le

couplage

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

conseils

qu’il

nous a

prodigués.

M. M. Cattani est reconnaissant à M. le Professeur P. Barchewitz pour l’accueil chaleureux

qu’il

a trouvé

au Laboratoire

d’Infrarouge.

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