Résonance magnétique sur des atomes orientés optiquement

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Submitted on 1 Jan 1954

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Résonance magnétique sur des atomes orientés

optiquement

Jean Brossel, Bernard Cagnac, Alfred Kastler

To cite this version:

Jean Brossel, Bernard Cagnac, Alfred Kastler. Résonance magnétique sur des atomes orientés

optique-ment. J. Phys. Radium, 1954, 15 (1), pp.6-8. �10.1051/jphysrad:019540015010601�. �jpa-00234853�

6

Ce

_qui

a un intérêt actuel du

_point

de vue

commercial,

c’est de

_pouvoir

établir

_{qu’une ampoule}

contient du radium

_exempt

de mésothoiium et de radiothorium. Pour cela il n’est même pas néces-saire d’avoir un tube de radiothorium. Il suffit de

comparer le tube à

expertiser

à un tube de radium

exempt

de

_{mésothorium,}

au

_compteur

à

scintil-lation,

pour deux

énergies

très

_{différentes,}

supé-rieures à i MeV : les

_rapports

des intensités _mesurées

doivent être les mêmes. Pour un tube très récemment

préparé qui pourrait

contenir MTh sans RTh on

pourrait

faire les

_rapports

d’intensité à une

_énergie

de l’ordre de

o,6

MeV _pour

_{laquelle MTh}

donne

un effet

_important

et à une

_{énergie supérieure}

à i MeV.

_Remarquons

_que

la

comparaison

peut

même être faite sur une

_ampoule

de radium

_qui

n’est pas encore en

_équilibre

avec le radon et le

dépôt

actif;

le

_rayonnement

_pénétrant

venant des

dérivés du radium

_ayant

la même

_{composition que}

°

celui d’une

_ampoule

en

_équilibre,

avec seulement une intensité

_plus

faible.

La

_précision

facile à atteindre est de 10 _{pour 100} pour la détermination de la

_proportion

de Ra

et

RTh,

quand

ces _corps sont

_présents

dans

l’am-poule

de MTh avec une activité

_comparable.

D’autre

part

on

_peut

facilement _prouver

_{qu’une ampoule}

de radium contient moins de i _{pour 100 de} radio-thorium.

Un essai fait avec un

cristal

_{plus épais,}

o mm

d’épaisseur,

a montré que l’effet des rayons _y de RTh

est très

_augmenté

_par

_rapport

à l’eftet _{des rayons}

du radium au-dessus de 2,1

MeV,

par

rapport

aux

intensités obtenues avec le cristal

_{de 7}

_mm, de

sorte _{que l’on}

_pourrait

améliorer

_beaucoup

la méthode en

_employant

un tel cristal.

Manuscrit reçu le 16 _{septembre 1953.,}

BIBLIOGRAPHIE. [1] JOLIOT-CURIE I. - Les Radioéléments

naturels, Hermann,

I946, p. I44.

[2] RICOUX. -

Étalonnage

en millicuries du milligramme

équivalent de Th B + C. Mesure des rayons 03B1 avec

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8, 388.

[3] WINAND. - Mesure _{calorimétrique} de Th B + C ou

de RTh + dérivés.

Étalonnage

en millicuries du milli-gramme équivalent (Thèse, Bruxelles, I939). J.

Phy-sique Rad., I939, 10, 36I.

[4] BOTHE. 2014 Détermination de la _proportion de Ra, MTh,

RTh contenue dans un _{tube, par absorption du}

rayon-nement 03B3. Z. Physik, I924, 24, I0.

[5] CURIE Marie et YOVANOVITCH. 2014 Détermination de la

proportion de Ra, RTh, MTh dans un _{tube par la}

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J. Physique Rad., I928, 9, 297.

[6] HALBAN H. V. Jr. - Difiérence

entre les rayons 03B3 de Ra et ceux de _{RTh pour} la _production des

_{photonéutrons}

dans Be ou D. C. R. Acad. Sc., I938, 206, II70.

[7] VICTOR C. -

Analyse des _quantités de Ra et de RTh

présentes dans une source de MTh sans traitement

chimique. J. _Physique Rad., I947, 8, 298.

[8] BOUCHEZ R. - Sur

l’étalonnage des sources _{de rayons 03B3}

du Th C". J. Physique Rad., I949, 10, 4I5.

RÉSONANCE

MAGNÉTIQUE

SUR DES ATOMES

ORIENTÉS OPTIQUEMENT

Par JEAN _BROSSEL, BERNARD CAGNAC et ALFRED

KASTLER,

Laboratoire de _Physique,

École Normale _Supérieure, Paris.

Sommaire. - Des atomes de sodium d’un

jet atomique ont été orientés par illumination avec de

la lumière de résonance 5 _{890-5 896 Å polarisée} circulairement. Ces atomes orientés ont été utilisés

pour effectuer des transitions de résonance magnétique entre les sous-niveaux Zeeman de l’état fonda-mental 32

_{$$ S1/z,}

transitions _qui ont été détectées _optiquement. A côté des résonances normales

corres-pondant

au passage

d’un niveau m à un niveau _adjacent on _{observe, lorsqu’on augmente}

l’ampli-tude du champ de haute fréquence, des résonances nouvelles très _{aigues qui} font intervenir à la fois

trois ou quatre niveaux Zeeman.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. TOME

_15,

JANVIER

195!1,

La création d’une

_inégalité

de

_population

’entre

les sous-niveaux Zeeman de l’état fondamental

des atomes à l’aide d’un

_dispositif

de « _pompage

optique » [1]

a été obtenue antérieurement

_{[2], [3].}

Nous avons

_{perfectionné l’expérience}

_portant

sur un

_{jet atomique}

de sodium. Les taux d’orientation

obtenus ont été

_doublés,

et les

_procédés

_optiques

de détection de l’orientation se sont révélés

sen-sibles et commodes.

_{L’expérience}

décrite

_ci-après

consiste à

_prendre

un

_jet

d’atomes orientés _{par le}

procédé précédent

(décrit

en détail dans la réfé-rence

_[2])

et à mesurer le

signal

d’orientation.

Puis on _{provoque une résonance}

_magnétique

entre deux sous-niveaux Zeeman de l’état fondamental.

7

L’eff’et du

_champ

de

_{radiofréquence}

est

_{d’égaliser}

la

_population

des deux niveaux

_impliqués

dans la résonance. Le

_signal

d’orientation

diminue,

ce

qui

permet

la mesure. Le

_montage

utilisé est le

sui-vant :

.

Un

_{jet atomique}

de

_sodium,

émis

horizontalement,

est

_placé

dans un

_champ

_magnétique

_Hz

perpen-diculaire au

_jet.

Celui-ci est illuminé en lumière

circulaire droite

a,

_{(ou gauche}

OEi) (1)

sur 23 cm

de

_long

avec la raie de résonance du sodium. La lumière excitatrice se _propage dans la direction du

champ magnétique

Hz,

l’illumination étant simul-tanée des deux côtés. Ceci constitue la

_région

d’orien-tation. Le

_jet

_{passe alors à} l’intérieur d’une boucle faisant

_partie

d’un circuit

_accordé,

et dans

_laquelle

on envoie une intensité

_réglable

de

_{radiofréquence.}

La

_fréquence

utilisée,

contrôlée par

quartz,

est

de 108,5

MHz. Le

_{champ magnétique}

oscillant

_Hl

est

_{perpendiculaire}

à

Hz

et en

fait,

parallèle

au

jet.

C’est dans cette zone de « désorientation o

que les transitions sont

produites.

Le

jet

aborde alors la

_région

de détection : _{il y} est illuminé en

lumière 7r. L’intensité circulaire droite

_{1 G+}

réémise

est _{mesurée par} un

_{photomultiplicateur qui}

est

monté en

_opposition

avec un deuxième

photo-multiplicateur

mesurant simultanément la lumière circulaire

_gauche

réémise

I,.

En l’absence d’orientation des atomes

Io+

=

I6-,

les deux

_signaux

s’annulent. L’illumination

préa-lable

7’

détruit la condition

_précédente

et le

_signal

d’orientation

I6+- I?-

apparaît. Lorsque

Hz

varie,

la boucle de

_{radiofréquence}

étant

_alimentée,

on

note une baisse du

_signal

d’orientation

_chaque

fois

que H5 passe par une valeur

résonante,

c’est-à-dire

_chaque

fois _que la distance de deux niveaux

Zeeman de l’état fondamental du sodium est

_égale

à

_{T o8, 5}

MHz. C’est ainsi

_que

les courbes des

_{figures i}

et 2 ont été obtenues : en

abcisses,

le

_champ

Hz;

en ordonnée sont

_portées

les variations

relatives

de la

_quantité

Des valeurs de _{p de} 35

_pour

100 ont été observées. Pour

_chaque

courbe la

_puissance

de

_{radiofréquence}

est constante.

La

_figure

I,

représente

le

diagramme

Zeeman de

l’état fondamental de Na : deux niveaux

hyper-fins F = 1 et F = 2 distants de _{I 7 1} MHz. Les transitions que nous observons sont les transitions

basse

_fréquence

à l’intérieur de chacune des

confi-gurations

Zeeman de ces deux niveaux. Leurs

facteurs de

_{Landé gF}

sont

_égaux

et de

_signes

opposés

(+ I/2 ).

Nous nous

_plaçons

dans une

_région

du

_champ’

où l’effet Back-Goudsmit est

_déjà,

sen-(1) Nous dirons que la lumière est circulaire droite lorsque

son sens de circulation est celui du courant magnétisant

dans les bobines _produisant le _{champ Hz.}

sible : les intervalles entre niveaux

_contigus

sont

différents,

mais la

_règle

de sélection

âmp = -+- 1

s’applique

encore. On doit donc s’attendre à observer

six résonances

_A,’

_{Bi, B2, Cl, C2,}

D.

Mais,

il résulte de la formule

_de

Breit-Rabi _que les intervalles

_qui

suivent,

sont

_égaux

_{(fig. 1 ) :}

Il reste donc en fait

_quatre

résonances distinctes

_A,

B, C,

D. La courbe 1

_(fig.

₂₎

montre

_qu’avec

des

puissances

de

_{radiofréquence}

faibles il en est bien ainsi. La résonance

_A,

_par

_{exemple, correspond}

à

une

_{égalisation,}

par le

champ

de

_{radiofréquence,}

des

_populations

des niveaux

_{(- 2)}

et

_{(- I)}

de l’état F = _2, l’illumination

préalable

_en lumière _oB

ayant

initialement _{accumulé presque} tous les

atomes dans le niveau

_{(F, ml’) = (2,}

-

2).

Lorsque

l’intensité du

_champ

de

_{radiofréquence}

croît,

un

_phénomène

très

_remarquable

_{apparaît :}

la

_largeur

de chacune des résonances

A, B, C,

D

augmente.

Lorsqu’elles

commencent à se recouvrir

(fig.

2, courbe

II)

trois nouvelles résonances a,

b,

c,

apparaissent

aux endroits où les distances des

niveaux

_(mp-+

_{MF) :}

_(-

2 -

_{o), (-}

I

-+ + 1)

et

(0 -+ + 2)

sont

_égales

à deux fois

108,5

MHz. Leur

caractère le

_plus

_frappant

est leur extrême finesse. Il ne

_s’agit

_pas de transitions directes

(d’ailleurs

interdites) provoquées

par

l’harmonique

2 de l’émetteur de

_{radiofréquence :}

ces résonances

seraient aussi

_provoquées

_{directement par} le fon-damental de

108,5

MHz,

et

cela,

dans un

_champ

de 60 _gauss

environ;

rien n’a pu être observé dans

cette

_région.

On doit

_plutôt

admettre _{que dans les conditions}

où l’on

_opère

les niveaux

_{(- 2)}

et

_(o)

_par

_exemple

peuvent

être mis en communication par

pro-8

Fig. 2.

Fig. 3.

duit un

_brassage

de

_population

dans

_lequel

les

trois niveaux

_(-

_{2), (- r )}

et

_(o)

entrent

simul-tanément en

_jeu.

Les

_populations

finales ne sont

pas nécessairement

égales

d’ailleurs. Nous dési-gnerons par convention ces nouvelles résonances

par le terme commode de « résonance double »

en raison de leur caractère. Leur

_{interprétation}

quantique

sera _{donnée par} ailleurs

_[4].

Comme

_prévu,

on

_peut

renouveler le _{processus :}

en

_augmentant

encore l’intensité de

_{radiofréquence,}

on _provoque à leur tour

_{l’élargissement}

des

réso-nances doubles et

_lorsque

la zone de

recouvre-ment est suffisante deux « _résonances

_{triples a>}

a

_{et g}

apparaissent, correspondant,

suivant

_l’image

précédente,

à l’intercommunication des niveaux

(-

2, -1, o,

+

i)

d’une

_part

et

_(-

i, o, + z, +

2)

d’autre

_part.

Ces deux résonances ont été observées

aux

_points

où les distances

(- 2 -->

+

1 )

et

(- I

--->- ₊

₂₎

sont

_égales

à trois fois

108,5

MHz

_(courbe

III,

fig. 2).

On

_peut

_prévoir

aussi une résonance «

_quadruple

». Nous ne l’avons pas observé avec les

_puissances

de

_{radiofréquence}

dont

nous

_disposions.

Signalons

enfin deux effets

_apparents

sur les

figures :

on voit sur la

_{figure 1}

_que l’intensité de A

est

_{plus grande}

_{que celle de B :}

A > B > C > D, a > b > L’inverse a

lieu,

si l’orientation

_préalable,

au lieu

d’être faite en lumière circulaire

_gauche

a7, l’est

en lumière circulaire droite

OE)

( fig. 3).

La chose

correspond

à une accumulation des

atomes,

dans le

premier

cas, vers le niveau

(-

2),

dans

l’autre,

vers

le niveau

_{(+ 2)}

de l’état F = _2.

Enfin on note sur la

_figure

3 l’effet d’une orien-tation

_plus

ou moins

_prononcée

(lumière

a-+

_plus

ou

moins

_intense).

La courbe en trait

_plein

_p = 30

correspond

à une orientation

_forte,

avec atomes

accumulés en

(+ 2).

La raie A a _presque

disparu,

les.

deux niveaux

_(-

₂₎

et

_{(-1 )}

_{étant presque}

complètement

vidés et leurs

_populations

étant voi-sines. La raie D est au contraire très intense

[ grande

différence de

_population

entre

_{(+ 1)}

et

_{(+ 2)].}

La courbe en

pointillé

_p = 18

correspond

à _une

orientation

_plus

faible. -Les niveaux

_(-

₂₎

et

_{(- 1)}

sont moins bien vidés : la résonance A est

_plus

forte que dans le cas

_précédent.

Par

contre,

les

niveaux

_{(+ i)}

et

_{(+ 2)}

sont moins bien

_remplis,

l’accumulation en

₍₊

₂₎

moins

_{prononcée :}

la

réso-nance D est donc ici

plus

faible que pour le

cas _p = 30.

Les

_expériences

décrites ci-dessus _doivent

per-mettre une mesure des

populations

des divers

sous-niveaux mp des atomes orientés.

Manuscrit reçu le 10 octobre _1953.

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