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L’effet Raman dans les gaz à la pression atmosphérique.
I
J. Cabannes, A. Rousset
To cite this version:
L’EFFET RAMAN DANS LES GAZ A LA PRESSION
ATMOSPHÉRIQUE.
I Par J. CABANNES,Faculté des Sciences de Paris et A. ROUSSET,
Faculté des Sciences de Bordeaux.
Sommaire. - Une théorie élémentaire
permet de calculer la dépolarisation des bandes Raman
produites par les vibrations symétriques des molécules. Pour contrôler cette théorie, que semblaient justifier les résultats obtenus dans l’étude de la diffusion de la lumière sans changement de longueur d’onde, nous avons mesuré la dépolarisation des bandes Raman d’un certain nombre de gaz usuels. Les valeurs mesurées sont toujours très inférieures aux valeurs prévues.
On trouvera dans cet article une étude expérimentale du spectre Raman des gaz N2, O2, CO, NO, CO2, N2O, NH3, H2 pris sous la pression atmosphérique et un essai d’interprétation des principaux résultats d’après la structure électronique des molécules étudiées.
1. Introduction
théorique.
-- Uneexplication
très
simple
del’anisotropie optique
des molécules avait été trouvée par Silberstein en 1917. Onconsi-dère la molécule comme un ensemble d’atomes
isotropes polarisables
par unchamp électrique
extérieur. Onadmet,
en outre, que lapolarisation
induite danschaque
atomeéquivaut
à un doublet situé au centre de l’atome.Supposons
cette molécule+
dans le
champ électrique
E d’une onde lumineuse. Si les atomes étaient assezéloignés
les uns des autres_ _
+
pour être soumis seulement au
champ imposé
E, lapolarisation
de chacun d’eux nedépendrait
évidemment pas de laposition
des atomesvoisins,
c’est-à-dire de l’orientation de la molécule par
rapport
--au vecteur
E;
la molécule seraitisotrope.
Mais,
enréalité,
les atomes d’une même moléculeréagissent
les uns sur les autres : la
polarisation
dechaque
+atome résulte non seulement du
champ
E,
mais aussi deschamps
produits
par tous les doubletsvoisins;
elledépend
donc de l’orientation de la -7molécule par
rapport
au vecteur E. On voit comment lapolarisation
de lamolécule,
qui
est la sommegéométrique
despolarisations
de tous ses atomes,dépend
de la direction du vecteur lumineux.L’aniso-tropie
de la moléculeprovient
del’action,
surchaque
atome, des doublets induits dans tous les autres.L’un de nous a montré
qu’une
telle molécule a trois réfractivitésprincipales;
si la molécule n’estpas
trop
compliquée,
onpeut
aisément les calculer en fonction des réfractivités des atomespris
isolé-ment et des distances
interatomiques
dans la molécule.Cette
hypothèse,
reprise
par Ramanathan et parHavelock,
a étélonguement développée
par l’un de nous. Elle est évidemmentbeaucoup
trop
simpliste
et Placzek a insisté sur la nécessité de trouver mieux. Nous
rappellerons
seulement sesplus
beaux succès. 10 La mesure de l’indice de léfraction et du facteur dedépolarisation
des molécules à deuxatomes
identiques
N2
et0, permet
de calculer laréfractivité et le rayon des atomes N et 0. Avec les valeurs ainsi
obtenues,
nous pouvons calculerl’anisotropie
de la moléculeN,O
et en tirer unevaleur du facteur de
dépolarisation
de la lumière diffusée parl’oxyde
azoteux. Nous arrivons ainsi à la valeurthéorique p
~ o, z 33 très voisine de lavaleur mesurée
directement p
=0,120.
Ramanathana retrouvé de même, par le
calcul,
ladépolarisation
de la lumière diffusée par le gaz
carbonique
et parla vapeur de sulfure de carbone
(o,oq
et0,12).
Enfirl,
l’un de nous a calculé ladépolarisation
de la lumière diffusée par les moléculesCH,CI
et CHCl3
et trouvé sensiblement la même valeur dans les deux cas
(p
=0,015),
d’accord en celaavec
l’expé-rience.2~ En
première
approximation, lorsque
varient les distancesinteratomiques,
la réfractivitémoyenne
1 /3 (A
-E- B -E-C)
reste constante, tandis que chacune des réfractivitésprincipales
A, B,
Cpeut
changer
dans delarges
limites. Cette consé-quence del’hypothèse
de Silbersteinexplique
laloi
empirique
d’additivitéd’après laquelle
on obtient la réfractivité moléculaire comme une somme de réfractivitéscaractéristiques
des atomesqui
consti-tuent la molécule.
En
réalité,
ces succèsimpressionnants
n’ont pasla
portée
qu’on
serait tenté de leur attribuer.A
partir
des constantesoptiques
de l’azote et del’oxygène,
nous avons sans doute obtenu une excellente valeur de ladépolarisation
de la lumière parl’oxyde
azoteux;mais,
avecl’oxyde azotique,
156
nous aboutissons à un échec. La
dépolarisation
mesurée dans le cas de la molécule NO
(0,026)
est inférieure à celle de0,
(o,o6j+)
et à celle deN2
(o,o36),
alors que le calcul donne la valeur o,o5ocomprise
évidemment entre les deux
piécédentes.
D’autrepart,
dans le cas deCO2
et deCS~,
Havelock retrouvela
dépolarisation
mesurée enadoptant
pour laréfractivité et pour le rayon de l’atome de carbone
des valeurs très différentes de celles d’où était
parti
Ramanathan,
et tout aussiplausibles.
Ces réflexions nous ont amenés à chercher ailleurs un contrôle
plus rigoureux
del’hypothèse
deSil-ber5tein.
Nous l’avons trouvé dans le calcul apriori
de la
dépolarisation
des bandes Raman. Cetteépreuve
n’a pas été favorable àl’hypothèse.
Soient
A, B,
C les réfractivitésprincipales
de lamolécule;
posonsLe facteur de
dépolarisation
de l’ensemble des radia-tions diffusées par un gaz sous le nom de bandeRayleigh
a pourexpression
Si les noyaux
atomiques
oscillent dans lamolécule,
considérons une des oscillations
fondamentales.
définie par la coordonnée normale q =
Q
sin 2’ITV t.Supposons
que l’oscillation conserve les éléments desymétrie
de la molécule au repos. Les réfractivitésprincipales
prennent
àchaque
instant les valeurset l’on sait que la
dépolarisation
de la bande Raman relative à l’oscillation fondamentaleenvisagée
s’ex-prime
en fonction des réfractivités dérivéesA’,
B’,
C’ comme ladépolarisation
de la bandeRayleigh
en fonction des réfractivitésprimitives
A, B,
C. Lecalcul de la
dépolarisation
d’une bande Raman revient donc àexprimer
lesréfractivités
A, B,
C en fonction de la coordonnée normale q et àprendre
les dérivées. Le calcul est trèssimple
dans le cas des moléculesdiatomiques;
il est assez facile dans le cas des oscillationssymétriques
des molécules XY2et XY3.
Les
premiers
calculs,
relatifs aux molécules formées de deux atomesidentiques,
ont été effectuées parl’un de nous, en collaboration avec Y.
Rocard,
dès 1929. Ils donnent ladépolarisation
de la brancheQ
de la bande Ramanet la
dépolarisation
de l’ensemble des branches P,Q,
RDans ces
premiers
calculs,
on avaitsupposé
iufinimentpetit
lerapport x
=ajr3
entre laréfrac-tivité des atomes et le cube de la distance de leurs
centres. Mais cette restriction n’est pas nécessaire.
Soient A et B = C les réfractivités
principales
d’une moléculediatomique
formée de deux atomesiden-tiques :
A et B sontrespectivement proportionnels
àz j( ~ -- 2 x)
et ài/(i
I+ x);
il en résulte que A’ ‘et B’ sont
respectivement
proportionnels
à 2 A2 et à - B 2. D’où lesexpressions
la
première,
relative à la bandeRayleigh;
laseconde,
à la bande Raman. En éliminantBjA
entre cesexpressions,
on aboutit à la relationinvariante,
valable pour toutes les moléculesX2,
On a
donc,
entre ladépolarisation
Po de la bandeRayleigh
et ladépolarisation
p de la bande Raman des molécules formées de deux atomesidentiques,
une relation
invariante,
d’où l’on tire les valeursnumériques
contenues dans le tableau suivant :Le résultat essentiel de cette étude est le
suivant :
lorsque
ladépolarisation
de la bandeRayleigh
croît de o à
1/2,
ladépolarisation
de la bande Raman décroît de6/7
à1/2.
Dansl’hypothèse
deSilberstein,
le facteur de
dépolarisation p
d’une molécule formée de deux atomesidentiques
doit donc restersupérieur
ào,5.
Pratiquement,
po atoujours
été trouvéinfé-rieur à o, I et il faut s’attendre à trouver des valeurs
de p
supérieures
à o,6.’
Dans le cas, un peu
plus compliqué,
des moléculestriatomiques
linéairesY-X-Y,
lesexpiessions
de A et de Bdépendent
des réfractivités al, a2 des atomes X et Y et de la distance XY = r.Ces
expressions
ont la formeLa coordonnée normale dont la variation donne l’oscillation
symétrique
de la molécule linéaire Y-X-Y est la distance rocorrespondant
à l’étatd’équi-libre des trois noyaux atomiques dans la molécule.
En dérivant les
expressions
de A et de B parrapport
à 1’-1’0’ ouplus simplement
parrapport
à x, nous obtenons pour A et B’ des valeurs
respecti-vement
proportionnelles
àLes calculs
numériques exigent
la connaissance de al, a2 et r. Apartir
des donnéesadoptées
par l’un de nous, on obtient :pour
CO2
pour
CS2
Les valeurs
précédentes
de a1, a2 et r ne sont pas unanimementadmises;
pour la rnoléculeCS2,
Have-lockposait ai =
0,018; a2
= 3,26; r = 1,23. Maisles nouvelles
données,
très différentes desnôtres,
conduisent encore à un résultat
voisin, p
=c~, a 2.
Dans tous les cas, la valeur de B’ est faible vis-à-vis de celle de A’. Admettons
qu’on puisse
poser B’ = o; il en résulterait à = 1 et p = o,5.Dans
l’hypothèse
deSilherstein,
ladépolarisation
de la bande Raman des molécules
triatomiques
linéaires Y-X-Y doit être voisine de
o,5.
Les deux cas
particuliers
que nous venons d’envi-sager(molécules
diatomiques
et moléculestriato-miques
linéairesY-X-Y)
rentrent dans le casplus
général
des moléculesqui
restenthomothétiques
àelles-mêmes au cours d’une des oscillations fonda-mentales. Les oscillations totalement
symétriques
de l’ion
C03
= i u65cm-1),
de la molécule debenzène
(992 cm-1)
et du tétraèdrerégulier
CC]4
(ùj59 cm-1)
sont du mêmetype
que l’oscillationd’une molécule
diatomique
et l’oscillationsymé-trique
d’une moléculetriatomique
linéaire Y-X-Y.La
longueur
rqui
définit àchaque
instant laphase
de l’oscillation et les
propriétés optiques
de la molé-cule sera, parexemple,
le côté dutriangle
équi-latéral formé par les noyaux 0 de l’ionC03.
Soit donc A la somme des réfractivités des atomes
supposés
infinimentéloignés
les uns des autres;lorsqu’ils
viennent se grouper pour former lamolé-cule,
la réfractivité moléculaire varie par actionmutuelle des atomes voisins et l’on
peut
laconsi-dérer comme une fonction du nombre variable ¿:
- A
1,3qui
estgénéralement
assezpetit (par exemple
voisinde
o,1).
En mêmetemps
apparaît l’anisotropie
de la molécule. S’il y a un axe desymétrie
d’ordresupérieur à
2, les réfractivitésprincipales, g (suivant
l’axe)
et g’ (dans
leplan équatorial),
peuvent
être4éveloppées
suivant lespuissances
croissantes de 2, et l’on arrive à desexpressions
en admettant que g + 2
g’
= 3A,
aux termes dusecond ordre
près.
C’est la loi d’additivité desréfractivités
atomiques qu’on
peut
considérer,
soit comme une loiexpérimentale,
soit comme uneconsé-quence de notre
hypothèse
surl’origine
del’aniso-tropie
moléculaire. On tire de làOn remarquera que, dans ces
expressions,
les lettresA, B,
C nereprésentent plus
les réfractivitésprincipales
de lamolécule,
comme dans les pagesprécédentes;
ce sont des coefficients dudévelop-pement
en .série des réfractivitésprincipales g
etg’.
Lorsque
E est assezpetit,
60
est sensiblementpropor-tionnel à E, donc
petit; 6
est sensiblementpropor-tionnel
à /
doncgrand,
etSi est voisin de 0,1, l’ordre de
grandeur
du facteurde dépolarisation
est 0,01 r pour la raieRayleigh
et o,85 pour la raie Raman
symétrique.
Mais rienn’empêche
de faire un calculrigoureux.
Soit,
parexemple,
l’ionC03
àsymétrie
ternaire.Supposons négligeable,
suivantBragg,
la réfractivité de l’atome de carbone. Soit a =1,3 la réfractivité en
angstrôms-cubes
dechaque
atomed’oxygène
et r =2,25
le côté dutriangle équilatéral
évaluéen
angstrôms.
Lespuissances
croissantes de E =~
sont ’
Les valeurs
de g
etde g’
se calculent facilement.158
par l’un de nous, il y a
plusieurs
années. On trouveLe facteur de
dépolarisation
de la raie Ramantotalement
symétrique
av =gg2 cm-1 de la molécule de benzène se-calcule de la même manière. Les
grou-pements
CH sont aux sommets d’unhexagone
régu-lier
plan
de côté r. Soit a leur réfractivité.Supposons
la vibration lumineuse excitatrice Z
perpendiculaire
auplan
des noyaux;soit 1
le momentélectrique
induit dans
chaque
atomeavec
j
D’où
Supposons
la vihration lumineuse X dans leplan
des noyaux; parexemple, parallèle
à la
ligne CI C4
joignant
deux sommetsopposés
de il. Soit(~i, vh)
lescomposantes
du moment induit dans l’atome G’l(i
= 1, 2, 3,4,
5,6),
parallèlement
etperpendiculairement
à X
En
posant
on transforme le
système
(2)
en unsystème
de troiséquations
à troisinconnues,
d’où l’on tire x et y. OrOn trouve ainsi
L’indice de réfraction de la vapeur de ben-zène
(p
=1,0017)
et le facteur dedépolarisation
de la raieRayleigh
dans la vapeur(p
=0,0445)
nous donnent la réfractivité moléculaire et
l’aniso-tropie,
c’est-à-direaussi g
etg’.
On tire ensuite les valeurs de 2 et de a desexpressions (1)
et(4) de g
et
g’.
Nous ohtenons ainsid’où
Lorsque
la molécule oscille de telle manière quel’hexagone
plan
du noyaubenzénique
conserve lasymétrie
sénaire,
il y a émission de la forte bandeRaman =
gg2 cm-’. A
chaque
instant,
pendant
l’oscillation,
l’état de la molécule est défini par lavaleur actuelle de r ou de E. Le calcul des dérivées
dg
dE dg
et
dg’
,
conduit pour cette bande Raman aux valeurs à = --
735 et p
=o,37.
En
regard
des facteurs dedépolarisation
ainsicalculés,
il suffit d’inscrire les valeursdéjà
mesuréesdans les
spectres
Raman avant1936
(Tableau I)
pour
apercevoir
l’insuffisance del’hypothèse qui
est à la base de nos calculs.TABLEAU 1.
Les valeurs mesurées sont
toujours
très inférieures*
aux valeurs
calculées,
mais le contrôle neporte
que sur 5 molécules. Nous avonspensé
qu’il
était utilesimples,
avecl’espoir
de trouver dans les donnéesexpérimentales
dequoi
édifier une théorieplus
satis-faisante.Comme les substances formées des molécules les
plus simples, diatomiques
ettriatomiques,
sontgénéralement
à l’état gazeux dans les conditionsordinaires,
nous avons été amenés à réaliser unmontage
pour la mesure du facteur dedépolarisa-tion des raies Raman dans les gaz sous la
pression
atmosphérique.
Unerapide description
dumontage
et les
premiers
résultats ont étécommuniqués
àl’Académie des Sciences le a5 mai
I g36
(C.
R., ~
1936,
202, ~ 8~35).
Les résultats définitifs ont étépubliés
le 10
janvier 1938 (C.
R.,
1938,
206,
85).
2. Liste
bibliographique
des travaux anté-rieurs. -Lorsque
nous avonsentrepris
cetravail,
de nombreuses recherches sur l’effet Raman dans les gaz et vapeurs avaient
déjà
donnéd’importants
résultats;
mais un trèspetit
nombre d’auteurs s’était intéressé à la mesure du facteur dedépola-risation et les résultats obtenus
jusque-là
dans ce domaine se réduisent à peu de chose. Nous pensonscependant
être utiles à nos lecteurs en donnant ici la listebibliographique
desMémoires,
relatifs à l’effet Raman dans les gaz,publiés
de1928
à1935.
On entrouve une
cinquantaine.
1928.
1. RAMDAS, L’effet Raman dans les gaz et les vapeurs, Proc. Ind. Assoc., 3, I3I.
1929.
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carbonique,
Nature, 124, g 2.3. GHOSH et MAHANTI, L’effet Raman dans les gaz et les
liquides,
Nature, 124, 230.!. WooD, L’effet Raman dans les gaz, Phil.
Mag.,
7, 744.
5. RASETTI, L’effet Raman dans les gaz
diato-miques,
Proc. Nat. Acad.,15,
234;Phys.
Rev., 34, 367 et 548; Nuovo Cimento, 6, 356. 6. RASETTI, Intensités alternées dans le spectre de
l’azote, Nature, 124, 792.
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DILLON et RASETTI,Spectres
Raman des gazpolyatomiques, Phys.
Rev., 34, 582.1930.
8.
DICKINSON,
STEWART et WENT, Lespectre
Raman du gaz sulfureux,Phys.
Rev., 35, 1126. 9. WOOD et DIEKE, L’effet Raman dans le gazchlorhydrique, Phys.
Rev., 35, 13 5 5.10. SALANT et SANDOW, L’effet Raman dans l’acide
bromhydrique
et l’acideiodhydrique, Phys.
Rev., 36,
I 5gI.
II. SEGRÉ, Intensité des raies de rotation dans le
spectre Raman des molécules
diatomiques,
Nuovo Cimento, 7, 3 8 0.12. SEGRÉ, Spectre Raman de
l’éthylène,
Rendlconfi. dei Lincei, 12, 226.
r 3. BHAGAVANTAM, L’effet Raman dans
l’hydrogène
sulfuré, 126, 5 0 2.
1 y. BHAGAVANTAM,
Spectre
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15. RASETTI, Les spectres Raman de rotation de l’azote et de
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107.
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à l’étatliquide
et à l’état gazeux, Z.t. phys.
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4o. TRUMPY, Le spectre de rotation de
l’oxygène
aux pressions élevées, Z. f .
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84, 28 a. 1934.41. LANGSETH et NIELSEN, Mesures de
dépolarisation
et d’intensité dans le spectre Raman du gazcarbonique, Phys.
Rev., 46,1057.
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Spectre
Raman de la vapeur d’eau lourde, Journal Chem.Phys.,
2, 464.
43. WooD,
Spectre
Raman de la vapeur d’eaulourde,
Phys.
Rev.,45, 731.
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benzène,
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dansl’acétylène
lourd C2D.,Phys.
Rev., 46, 535. 1935.46. BENDER, L’effet Raman dans la vapeur d’eau,
Phys.
Revu., 47, 252.47.
WEILER,
Larépartition
des intensités dans la bandeRayleigh
des gazcomprimés,
Ann. derPhys.,
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48. BHAGAVANTAM et RAO, Effet Raman dans les gaz
C02
etN02, Nature, 135,
I50,49. BHAGAVANTAM et RAO, La
répartition
des inten-sités dans les spectres Raman, Proc. Ind.Acad.,
50. BHAGAVANTAM,
Spectre
Raman dudeutérium,
Proc. Ind. Acad., 2, 303, 31o et ~.~~.51. SITT et YOST,
Spectre
Raman et vibrations fon-damentales de SiH4,
Journal Chem.Phys.,
4, 82.On trouve
déjà,
dans cesMémoires,
quelques
résultats relatifs au facteur dedépolarisation.
Pour la raie1557
del’oxygène,
Bhagavantam
(22)
donne p
0,3;pour la raie 1974 de l’acétylëne,
PO,2.
Dans un article
plus
récent(33),
le même auteurétudie le
spectre
Raman del’hydrogène (de
30 à 5oatm)
et trouve, pour les raies de rotation35~
et
587,
p =0,85
+o,o5;
pour la raie de
vibra-tion
4i~6,
p = o, I ~ ~!- 0,02.Enfin,
Langseth
etNielsen