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Submitted on 1 Jan 1970
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Analyse des courbes d’absorption et de dichroïsme circulaire magnétique : Application aux ions Pb2 + et
Ag- dans les halogénures alcalins
M. Billardon, F. Sicart, J. Badoz, J. Chapelle, L. Taurel
To cite this version:
M. Billardon, F. Sicart, J. Badoz, J. Chapelle, L. Taurel. Analyse des courbes d’absorption et
de dichroïsme circulaire magnétique : Application aux ions Pb2 + et Ag- dans les halogénures al-
calins. Journal de Physique, 1970, 31 (2-3), pp.219-225. �10.1051/jphys:01970003102-3021900�. �jpa-
00206895�
ANALYSE DES COURBES D’ABSORPTION ET DE DICHROÏSME CIRCULAIRE MAGNÉTIQUE :
APPLICATION AUX IONS Pb2 + ET Ag-
DANS LES HALOGÉNURES ALCALINS
M.
BILLARDON,
F. SICART et J. BADOZLaboratoire
d’Optique Physique (1),
E. P. C.I.,
10 rueVauquelin,
Paris 5eJ. CHAPELLE et L. TAUREL
Laboratoire de
Physique
Cristalline(2),
Faculté desSciences, 91, Orsay (Reçu
le 3septembre 1969)
Résumé. 2014 On propose une méthode permettant
d’analyser
finement des courbescomplexes d’absorption
et de dichroïsme circulairemagnétique.
On obtient ainsi les paramètrescaractéristiques
de chacune des composantes. La méthode est
appliquée
aux spectres des ions Pb2+ et Ag- dans les halogénures alcalins. On démontre ainsi que la dégénérescence du premier état excité estcomplè-
tement levée.
Abstract. 2014 A method is
proposed
which allows the resolution ofcomplex absorption
and magnetic circular dichroism curves. One thus obtains the parameters of interest for all the compo- nents of each curve.Specific examples
aregiven
for the Pb2+ and Ag- ions in halides. Our proce- dure demonstrates the degeneracy of the first excited state to becompletely
lifted.1. Introduction. -
Lorsque
l’on cherche à inter-préter
une courbed’absorption complexe
on ren-contre souvent le cas où
plusieurs
transitions sont voisines et où il y a recouvrement des différentescomposantes d’absorption.
Dans ce cas, laprésence
de maximums ou de
points
d’inflexion est souvent insuffisante pour déterminer lesparamètres
relatifs à chacune descomposantes.
Cetteinterprétation simple
peut même conduire à des erreurs assez
grossières.
Pour
analyser
de tellescourbes,
leparamètre
leplus
difficile à fixer est le nombre de
composantes
que l’on doitconsidérer,
ainsi que leur forme. Unepremière
méthode consiste à utiliser une
hypothèse théorique
concernant la nature des transitions
étudiées ;
cecipermet
de connaître apriori
le nombre des compo- santes recherchées. C’est le cas pour la méthode des moments utilisés dansl’analyse
des courbes de dichroïsme circulairemagnétique (DCM) [1], [2].
Bien souvent, il est évident que les résultats
dépendent
de la validité de
l’hypothèse
dedépart.
Une autre méthode consiste à rechercher par une
analyse mathématique adéquate,
et sans faired’hypo-
thèse a
priori,
le nombre des composantes nécessaires pourreprésenter
lacourbe ;
on détermine ensuite lesparamètres caractéristiques
de cescomposantes.
Dansce cas on obtient un nombre minimum de compo- santes, mais il n’est pas certain
(par
suite des défautsde
l’analyse)
que l’on obtienne toutes lescomposantes.
Il est alors utile de
confronter, lorsque
ceci estpossible,,
les résultats obtenus avec une
hypothèse théorique.
C’est cette seconde méthode que nous avons utilisée- Par
ailleurs,
il est souventpossible
d’obtenir pourune même transition deux courbes de
dispersion
serapportant
à desphénomènes physiques
distincts-L’analyse
simultanée de ces deux informations facilitegrandement l’interprétation
des donnéesexpérimen-
tales. Nous avons
appliqué
une telle méthode à l’ana-lyse
simultanée des courbesd’absorption
et dedichroïsme circulaire
magnétique.
II.
Analyse
des courbesd’absorption.
- Nous sup- poserons que la courbe à étudier est lasuperposition
Y soit de
profils
de gauss, soit deprofils
deLorentz. Le
problème
sera résolu si l’on déterminepour
chaque composante
troisparamètres
carac-téristiques :
la valeur de sonmaximum,
l’abscissex~’
de cet extrémum et la
demi-largeur
II. 1 SUPERPOSITION DE GAUSSIENNES - Soit tout d’abord une
gaussienne unique :
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01970003102-3021900
220
Il est facile de vérifier
[3, 4]
que sa dérivéelogarith- mique
est une droite(Fig. 1) :
Ceci
permet
de « linéariser » la détermination desinconnues xj (l’abscisse
pourlaquelle
la droites’annule)
et
ôj (d’après
lapente
de cettedroite).
Cette remarque
prend
tout son intérêt dans le casd’une
superposition
degaussiennes.
Dans toutes lesrégions
où unecomposante yj
estprédominante,
lacourbe
y’/y
sera unsegment
de droite à pentenégative ;
ceci
permettra
de calculer lescaractéristiques
de lagaussienne correspondante.
Cette méthode
d’analyse
est illustrée par lafigure
2aqui représente
lasuperposition
de troiscomposantes théoriques d’amplitude
et delargeur égales
et desépa-
ration relative
La courbe
enveloppe
Yprésente
l’allure d’une courbesimple
tandis queY’/Y
montre sansambiguïté
lapré-
sence de deux
composantes
latérales dont onpeut
déterminer lesparamètres
defaçon
assezprécise (tableau I).
En déterminant alors la différence entre Y et ces deuxcomposantes,
on vérifie laprésence
de latroisième
composante.
Lesparamètres Ôj
etyî
decette dernière sont obtenus par défaut car la contribu- tion des deux
composantes
latérales est obtenue parexcès.
Toutefois,
cetteanalyse
suffit pour affirmer laprésence
de la troisièmecomposante,
car sa contri- bution reste trèssupérieure
aux erreursexpérimen-
tales
possibles.
On peut ensuite améliorer laprécision
des résultats en
employant
une méthode d’itération tenantcompte
de laperturbation apportée
à unecomposante
par les composantes voisines. Les résul-tats de cette
analyse
sontindiqués (tableau I).
La
figure
2breprésente
un autre cas assezfréquent
oùil existe une
composante
étroite etd’amplitude
faiblecachée sous une composante
plus importante.
L’allurede la courbe Y
suggère
laprésence
d’une composanteprépondérante
pour x = 3 040 et d’unecomposante
faible vers x = 2800,
tandis que l’étude de la dérivéelogarithmique permet
d’obtenir avecprécision
la véri-table
décomposition
de cette courbe. Il faut remarquer que le cas d’unecomposante d’amplitude
faible estparticulièrement favorable ;
onpeut
obtenir des résul- tatsprécis pratiquement, quelle
que soit laséparation
relative s. On trouvera en
[3]
et[4]
d’autresexemples d’analyse
de courbes à deuxcomposantes.
FIG. 2. - Exemples théoriques d’analyse :
a) trois composantes de même largeur et même amplitude
avec une séparation relative s = 1 ;
b) deux composantes dont l’une est prépondérante.
Il. 2 CONSIDÉRATIONS PRATIQUES. - Pour
analyser
une courbe
complexe Y(x),
on étudie d’abordgraphi- quement Y’/Y.
Dans lesrégions
où unegaussienne
estprépondérante (en particulier
vers le «pied »
descourbes) Y’/ Y
sereprésente
par une droite à pentenégative.
Cecipermet
de fixer le nombre minimum decomposantes,
ainsi que les zones où l’on peut effectuer uneanalyse simplifiée.
Onpeut
alors déter- minergraphiquement
lesparamètres xj
ety; puis
déterminer
yî d’après
la courbe initiale Y. On obtient toutefois des valeursplus précises
en minimisant les TABLEAU 1Analyse
de la courbereprésentée figure
2aécarts
quadratiques (Y’/Y - y -10gYj)2
pour chacune des zones où il existe une composante
prépondérante (voir appendice).
Il convient ensuite de déterminer la différence entre la courbeexpérimentale
et les composantes ainsi déterminées afin de détecter la
présence
éventuelle d’autrescomposantes.
II.3 SUPERPOSITION DE COURBES NON GAUSSIENNES.
-
Envisageons
d’abord le cas d’une courbe lorent- zienne :m
avec c
== 201320132013~L, 7j étant
lademi-largeur
à mi-hauteur.7.
On vérifie aisément que la dérivée
logarithmique
decette courbe n’est pas une
droite ;
cecipermet
de dis-tinguer
la nature duprofil
descomposantes d’après
la concavité de
Y’/ Y (Fig. 3).
Par contre, la courbeY’/Y2
est une droite d’abscisse àl’origine x7
et depente -
2/y;
Onpeut
donc utiliser cette courbe pour déceler lacomplexité
d’une courbeexpérimentale.
FIG. 3. - Comparaison des courbes de Gauss et de Lorentz.
YG et courbe de Gauss et sa dérivée logarithmique.
YL et courbe de Lorentz et sa dérivée logarithmique III.
Analyse
des courbes de dichroïsme circulaire.- Le dichroïsme circulaire
(naturel
oumagnétique)
permet d’obtenir desrenseignements
différents de ceuxfournis par
l’absorption,
en cequi
concerne la confi-guration (ou conformation)
et la nature des niveauxélectroniques
d’une molécule. Il estdonc,
là encore, très utiled’analyser
finement les courbes obtenues afin d’en extraire lesparamètres caractéristiques.
Deplus,
contrairement à
l’absorption,
le dichroïsme circulaireprésente
unsigne (positif
ounégatif
pour chacune destransitions)
et lesimple
examen d’une courbe de dis-persion
permet bien souvent de déceler lacomplexité
d’une courbe
d’absorption
ou d’obtenir des informa- tions sur la nature des niveaux excités. Il est donc par- ticulièrement fructueuxd’analyser
simultanément les courbesd’absorption
et de dichroïsme circulaire. Dansce
qui suit,
nous nous intéresseronsplus particulière-
ment au dichroïsme circulaire
magnétique.
Soit
D(v) l’absorption exprimée
en densitéoptique, AD(v)
la densitéoptique dichroïque magnétique
et Hle
champ magnétique.
Pour une transitionisolée,
ADse compose de trois termes que nous
appellerons
icitermes
a, b
ou c[5] [6] :
AD est donc une combinaison linéaire de la courbe
d’absorption
et de sa dérivée. Pour déterminer les coefficients a,b,
c, une méthodesimple
consiste à for-mer le rapport en fonction de la
fréquence :
En
particulier,
si la courbe estgaussienne,
cette expres- sion devient :Le
rapport dD/D
est donc formé d’une droite dont la pentepermet
de déterminer a(si
a étépréalable-
ment
calculé) ;
la valeur aupoint v
= v~ permet donc de déterminer la constante b +c/kT.
Cette méthode permet de trouver lesparamètres
de la courbe defaçon précise
dans le cas d’une transition isolée(fig. 4a).
Dans les formules
(3), (4)
et(5)
obtenues par undéveloppement
limité aupremier ordre,
il estpossible
de
remplacer
vpar À
si lalargeur
des bandes est assezfaible.
Simplement
la constante aqui exprime
laséparation
des niveaux sous l’influence duchamp magnétique
est mesurée maintenant enlongueur
d’onde et non
plus
enfréquence.
Il est doncpossible
d’effectuer
l’analyse
directement sur les courbes AD =.Î (~) ~
Les formules
précédentes
sont valables si l’on admetun
déplacement rigide
des raies sous l’influence duFIG. 4. - Exemples théoriques de courbes de dichroïsme circulaire magnétique et comparaison des courbes
a) cas d’une transition unique comportant un terme a et un terme b ;
b) cas de deux transitions voisines comportant uniquement des termes b de signes contraires.
222
champ magnétique.
Dansl’hypothèse
d’undéplace-
ment non
rigide, l’expression
de AD estplus compli- quée.
La formule
(5)
se révèleparticulièrement
intéres-sante dans le cas d’une courbe
complexe
où il y aplu-
sieurs transitions voisines. Elle
permet
parexemple
dedistinguer
laprésence
de deux termes a voisinsquel
que soit leursigne puisque,
comme pour la dérivéeloga- rithmique
dansl’analyse
del’absorption,
il y a deux asymptotes distinctes.Naturellement,
dans ce cas, il estpréférable d’analyse
simultanément la courbed’absorp-
tion afin de vérifier si les
paramètres
et des diffé-rentes transitions coïncident. Un autre cas
particulière-
ment intéressant est illustré par les
figures (4a)
et(4b).
Sur la
figure (4a)
nous avonsreprésenté
le cas d’unetransition
simple
pourlaquelle
le dichroïsme circulaire est dûprincipalement
au terme a del’expression (8).
La
figure (4b) représente
le dichroïsme circulaire résul- tant de deux termes b designes
contraires dus à deux transitions voisines non résolues enabsorption.
Lesdeux courbes AD obtenues sont très semblables et il est a
priori impossible
de lesdistinguer.
Par contre, le tracé des courbesAD/D permet
d’effectuerl’analyse
sansambiguïté.
Dans lepremier
casOD/D
est une droitesimple ;
dans le second cas la courbeprésente
deuxpaliers
très nets dont la valeur donne immédiatement leparamètre b
relatif à chacune des transitions. Cespaliers permettent également
de fixer les zones pourlesquelles
onpeut
considérerchaque
transition comme isolée de savoisine ;
ceci facilite par ailleursl’analyse
de la courbe
d’absorption.
Lorsque
le dichroïsmecomporte
seulement des termes c ou b(il
n’existe que des termes du typeb,
en dichroïsme circulairenaturel)
il estpossible
d’utiliserégalement
la dérivéelogarithmique
pouranalyser
AD.En
définitive, l’analyse
simultanée des courbes de dichroïsme circulaire etd’absorption
permet de déter- miner avecprécision
lesparamètres caractéristiques
des différentes composantes de courbes
complexes.
Cetravail
simplifie
notablement l’attribution de transi- tionsélectroniques
à cescomposantes.
IV.
Application
aux ions deconfiguration ns2
dansleur état fondamental. - Nous avons étudié les spectres
d’absorption
et de dichroïsme circulairemagnétique
de différents ions du type
ns2 placés
dans une matricecristalline
cubique [7].
Nous nous sommes intéressésplus particulièrement
à lapremière
bande U-V. Dans le modèle de l’ionlibre,
cette bande est liée à la transi- tion1 So ~ 3 Pl,
Les ions considérés étantengagés
dans un édifice
cristallin,
on peut se demander si cemodèle est satisfaisant et si la
dégénérescence
de l’étatexcité n’est pas levée. Dans cette dernière
hypothèse,
on devrait obtenir en dichroïsme circulaire
magné- tique,
soient un terme a et des termesb,
soient troistermes b. La méthode
d’analyse
utilisée permet de résoudre ceproblème.
Nous avons étudié en
particulier
les ionsPb 2 +
etAg- placés
dans des matrices deKCI, KBr,
NaCI ouKI. Les échantillons ont été
préparés
par la méthode deKyropoulos
et l’ionAg-
a été obtenu par réductionélectrolytique [7].
Les courbes de dichroïsme circu- laire(3)
ont été tracées à l’aide d’unappareil
construitau laboratoire
[8], [9].
Les courbesd’absorption
àbasse
température
ont été tracées simultanément sur ce mêmeappareil.
Les courbesd’absorption
àtempé-
rature ordinaire ont été obtenues à l’aide d’un
spectro- photomètre
Bausch and Lomb «spectronic
».Les
figures (5)
à(9)
montrent les résultats obtenus ainsi quel’analyse
effectuée. Lapremière
banded’absorption
est bien isolée des autres bandes cequi
facilite
l’analyse.
Dans tous les cas, la dérivéeloga- rithmique
de la densitéoptique
D reste linéaire sur lesflancs de la courbe. Ceci
justifie
le choix d’une formegaussienne
pourreprésenter
lescomposantes
de la courbed’absorption.
Lalargeur
des courbes étantassez
faible,
nous avons choisi une formegaussienne symétrique
enlongueur
d’onde et non pas en nombre d’ondes. Ceci ne modifie pas notablement les résultats.FIG. 5. - Pb2+ dans KBr à température ordinaire : a) résultats expérimentaux et analyse ; (-) densité optique D ; (- - -) ) dichroïsme circulaire magnétique AD pour I-I= 7 200 gauss ; (...) rapport ADID (-.-.) dérivée loga- rithmique D’/D ;
b) décomposition des courbes D et AD précédentes.
Le niveau fondamental
1So
étantsingulet,
ledichroïsme circulaire ne
peut comporter
que des termes a ou b. Si l’état excité est effectivement un tri-plet, l’absorption
doit sereprésenter
par une seulecomposante
et le dichroïsme circulaire doit être lasuperposition
de deux termes a et b relatifs à la même (3) AD = D+ - D- est la différence de densité optique en lumière u+ et a- respectivement. Avec cette convention la constante de Verdet de l’eau est négative dans le domaine visible.transition comme nous l’avons
représenté
surl’exemple théorique
de lafigure
5a. Ce cas doit être immédiate- ment exclus. La dérivéelogarithmique
montre deuxasymptotes
très nettes sur laplupart
descourbes ;
pour tous les cas étudiés
ici,
aussi bien à latempérature
ordinaire
qu’à
latempérature
del’azote, AD/D pré-
sente deux
paliers
designes
différents et lamajorité
de la courbe AD est due non pas à un terme a mais à deux termes b voisins
(comme
dansl’exemple théorique
de la
Fig. 4b).
Il est donc nécessaire de considérer aumoins deux
composantes
pourexpliquer
les résultatsexpérimentaux.
Il faut alorsprocéder
à uneanalyse complète
pourdistinguer
entre les deux derniers caspossibles :
un doublet et unsingulet
ou bien trois sin-gulets,
et vérifier laprésence
de troiscomposantes
pour D et
AD,
ainsi que l’absence de termes a pour AD.Les zones où il existe une composante
prépondérante
sont déterminées par
D’/D
etAD/D ;
nous avons pu obtenir ainsi lesparamètres caractéristiques
des deuxcomposantes
latérales. Pourl’absorption
ainsi que pour le dichroïsmecirculaire,
la différence entre la courbeexpérimentale
et la somme de ces deux pre- mières composantes est alors trèssupérieure
auxerreurs
expérimentales possibles
et sereprésente
bienpar une seule courbe
gaussienne.
C’est cette courberésiduelle que nous avons
repérée
par R sur lesfigures 5b,
6b et7b, qui représente
ladécomposition
FIG. 6. - Ag- dans KCI à température ordinaire :
a) résultats expérimentaux et analyse ; (-) densité opti-
que D ; (- - -) dichroïsme circulaire magnétique AD pour H = 7 200 gauss ; (...) rapport AD/D ; (201320132013) dérivée loga- rithmique D’/D ;
b) décomposition des courbes D et AD précédentes.
FIG. 7. - Ag- dans KI à 98 °K :
a) résultats expérimentaux et analyse ; (20132013) densité opti-
que D ; (- - -) dichroïsme circulaire magnétique AD pour gauss ; ( ... ) rapport AD/D ; (-.-.) dérivée loga- rithmique D’/D ;
b) décomposition des courbes D et AD précédentes.
complète
des courbes D et AD. Dans le cas dePb+
dans KBr nous avons
procédé
un peu différemmentcar la dérivée
logarithmique
nepermettrait
pas de fixer avec assez deprécision
lesparamètres
de la seconde composante située vers 3 100A.
Nous avonsdonc déterminé la différence entre la courbe
expéri-
mentale et la
première composante
et recommencél’analyse
sur cette différencequi
sereprésente
alorspar deux composantes. Pour dans
KCI,
à latempérature ordinaire,
laséparation
relative des deux composantes extrêmes est assez faible(de
l’ordre de0,5)
et les résultats obtenus sont assezimprécis
en cequi
concernel’amplitude
des différentes composantes.Il faudrait utiliser une méthode d’itération pour trou-
ver des
paramètres plus précis.
Notons par ailleurs que le
signe
du dichroïsme cir- culaire des deux composantes extrêmes est le même pour etAg-,
tandis que pour lacomposante
centrale il estpositif
pourAg-
etnégatif
pourPb .
Finalement pour tous les casétudiés, l’analyse
montre
qu’il
est nécessaire de considérer trois compo-santes pour
représenter
les courbes D et AD. L’écart224
FIG. 8. - Pb2+ dans KCl : a) à 102 °K, H = 3 000 gauss ;
b) à température ordinaire, H = 7 200 gauss ; (-) densité optique D ; (- - -) dichroïsme circulaire magnétique AD ; (...) rapport AD/D ; (2013.2013) dérivée logarithmique D’/D.
FIG. 9. - a) Ag- dans KI à température ordinaire,
H~ 7 200 gauss ;
b) Ag- dans NaCl à température ordinaire, H == 7 200 gauss.
(-) densité optique D ; (- - -) dichroïsme circulaire magné- tique AD ; (...) rapport AD/D ; (2013-2013’) dérivée logarith- mique D’/D.
entre les courbes
expérimentales
et ces trois compo- santes est alors de l’ordre degrandeur
des erreursexpérimentales.
Le dichroïsme circulaire necomporte
pas de termes a mais seulement trois termes b. Ces résultats éliminent donc
l’hypothèse
d’un doublet et d’unsingulet
et démontrent l’existence de trois sin-gulets.
V. Conclusion. - En
définitive, l’analyse
descourbes
d’absorption
et de dichroïsme circulairemagnétique
des ionsns2
dans leshalogénures
alcalinsconduit à admettre que la
triple dégénérescence
del’état excité est
complètement
levée dans tous les cas.Cette observation a été faite dans tous les cas à la tem-
pérature
ordinaire et pour nos troisexpériences
à latempérature
de l’azoteliquide.
Il convient desouligner
que cette conclusion a été confirmée par des mesures de dichroïsme linéaire sous contrainte
[10]
effectuéesdans notre laboratoire.
Notre travail remet sérieusement en cause des conclusions récentes quant aux facteurs g de l’ion
Pb
dans différentshalogénures
déterminés par desmesures de dichroïsme
[11].
Les auteurspréjugent
en effet de la nature de l’état excité et
calculent g
par la méthode des moments. Les valeurs ainsi obte-
nues sont
beaucoup trop
faibles etl’hypothèse
estavancée d’un effet de covalence. Cette
approche
ne noussemble pas satisfaisante et les difficultés rencontrées illustrent bien certaines limitations de la méthode des moments dans le cas des courbes
complexes.
Notreconclusion est
plus proche
de cellequi
a été obtenuepour l’indium dans
KCI,
KBr et KI[12].
La courbed’absorption
est dans ce caspartiellement
résolue etles auteurs émettent
l’hypothèse
d’un doublet et d’unsingulet
excités. Onpeut cependant
se demander sil’application
de la méthode que nous proposons ne conduirait pas à trouver troissingulets.
Appendice.
-Lorsqu’on
cherche àanalyser
unecourbe
expérimentale Y,
il faut utiliser un certain nombre depoints ;
nous les choisirons icirépartis
selon une
progression arithmétique
de pas h(Fig. 1).
En
désignant
parY+
et Y- lesamplitudes
de deuxpoints
consécutifs(Fig. 1)
on obtient alors pour l’abscisse x =0,5(x-
+x+) :
L’erreur relative commise en utilisant les expres- sions
(6)
est du second ordre enh/ô J.
En choisissantun pas h =
0,1 5j
l’erreur absolue serapratiquement toujours
inférieure aux erreursexpérimentales
duesau tracé de la courbe Y.
Dans les zones où
Y’/Y
estlinéaire,
le calcul numé-rique
desparamètres peut
se faire àpartir
des expres- sions(7).
Celles-ci ont été obtenues en minimisant lesécarts
quadratiques (YI Y -
et(Log
Y -Log y)2
lorsque
le nombre total depoints
d’une zoned’analyse
est
impair.
avec :
N : nombre total
impair
depoints
choisis.h : pas de la
progression.
x, et x2 : abscisses du
premier
et du dernierpoint
choisi pour
l’analyse.
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