Structure hyperfine du niveau 5 1D2 des isotopes 111Cd et 113Cd

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Submitted on 1 Jan 1975

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Structure hyperfine du niveau 5 1D2 des isotopes 111Cd et 113Cd

M.-C. Bigeon, M. Chantepie, J.-L. Cojan, J. Landais

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M.-C. Bigeon, M. Chantepie, J.-L. Cojan, J. Landais. Structure hyperfine du niveau 5 1D2 des isotopes 111Cd et 113Cd. Journal de Physique, 1975, 36 (11), pp.1071-1074.

�10.1051/jphys:0197500360110107100�. �jpa-00208350�

STRUCTURE HYPERFINE DU NIVEAU 5 1D2 ^{DES ISOTOPES 111Cd}

ET 113Cd

M.-C. BIGEON, ^M. CHANTEPIE, ^J.-L. COJAN, ^{J. LANDAIS}

Laboratoire de Spectroscopie Atomique (*) de l’Université de Caen, 14032 Caen Cedex, ^France (Reçu ^{le 15 avril} 1975, accepté ^{le 9} juin 1975)

Résumé.

Nous avons mesuré la structure hyperfine du niveau 5 1D2 ^des isotopes 111Cd ^et

113Cd. L’observation des croisements de niveaux dans cet état et l’analyse par spectrométrie ^inter-

férentielle Fabry-Perot ^{de la} raie 6 438 Å (5 1P1-5 1D2) permettent de déterminer la valeur du

rapport A/gj (1D2) pour chaque isotope, ^en grandeur ^{et en} signe.

Abstract.

The hyperfine ^structure of the 111Cd, 113Cd isotopes has been measured. The obser- vation of the level crossings ^{in this state and the} analysis of the 6 438 Å (5 1P1-5 1D2) ^line by Fabry-

Perot interference spectroscopy ^{allow the} magnitude ^and sign ^{of the} ratio A/gj _(1D2) ^to be determined for each isotope.

Classification Physics ^Abstracts

5.230

5.448

1. Introduction.

Les structures hyperfines ^des

niveaux de la configuration ^{5s 5d des} isotopes 111Cd

et 113 Cd ont déjà ^fait l’objet de différentes études [ 1, 2, 3, 4, 5]. ^La plus ^{récente, celle de} Chantepie ^{et Lécluse} [5], ^a conduit à la détermination des rapports ( 2013 ) ¹¹¹ et ( 2013 ) ^{des états de triplet, A et g étant} respective-

g 1 1 3

ment, pour ^un niveau, ^{la constante de structure} hyper-

fine et g ^le facteur de Landé électronique. ^{La seule}

mesure expérimentale ^{de la structure} hyperfine ^du

niveau 5 lD2 ^a été effectuée par Barrat Rambosson [4]

au moyen d’une résonance magnétique ^sur l’isotope 113Cd, ^ce niveau était excité _par bombardement élec-

tronique, ^elle obtient (A 1D2)113 ^-’ ^{1 mK; cette}

mesure ne permet pas de connaître le signe ^{de A et elle} peut ^être perturbée par l’intervention des effets de ^cas- cades et aussi _par l’influence du champ magnétique ^sur

le faisceau électronique. L’interprétation théorique ^des

résultats de Chantepie ^{et Lécluse} [5] ^{dans le cadre}

de la théorie de Breit et Wills [6] permet ^de prévoir

une valeur de A(1D2) de l’ordre de - 3 mK (cf. § ⁴ ci-dessous). ^{Il nous est} donc apparu utile de réaliser

une mesure précise ^de A(5 1 D2); ^{nous avons, à cet} effet, utilisé la technique des croisements de niveaux décrite _par Franken et al. [7] qui ^{conduit à la valeur}

absolue de A 1D2. ^Une technique ^de spectroscopie interférentielle permet ^{en outre d’obtenir le} signe ^{de A.}

2. Etude expérimentale ^{de la structure} hyperfine ^du

niveau 5 iD2 par la méthode des croisements de niveaux.

-

2.1 DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL.

2 .1.1 Champ magnétique (Fig. 1).

^Le champ magnétique statique Ho ^est dirigé parallèlement ^{à la} composante ^horizon-

FIG. 1.

Dispositif expérimental.

tale du champ ^terrestre suivant la direction Oz d’un

repère trirectangle Oxyz. ^{Il est obtenu à l’aide de}

deux bobines Bl ^et J?2 ^en positions d’Hebnholtz. ^Un

voltmètre digital, ^donnant quatre ^chiffres significatifs,

mesure la tension _que développe ^aux bornes d’un shunt plongé ^{dans la} glace ^{fondante, le courant}

alimentant les deux bobines B1 ^et B2. L’étalonnage champ ^{tension est} obtenu à l’aide d’une résonance

magnétique ^{à 144 MHz sur} le niveau 5 3p 1 ^{dont le}

facteur de Landé est [8]

(*) ^Associé

^C.N.R.S.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:0197500360110107100

1072

et dont la largeur, ^{30 mG,} permet ^un pointé ^très précis. ^La précision relative de cet étalonnage ^{est de} 10-4, ^{elle est} largement supérieure ^{à celle avec} laquelle

on mesure la position ^des champs ^{de croisement} (2 ^x 10-3).

Deux autres bobines d’axe vertical (parallèle ^à Oy) permettent de compenser la composante ^verticale du champ ^terrestre.

2.1.2 Excitation optique.

^La cellule de réso- nance, de forme cylindrique ^{de 10 cm de} long ^{et de}

4 cm de diamètre est en silice fondue, elle contient

une petite quantité de cadmium (quelques mg) ^enrichi

à 95 % ^en isotope ^{111 ou} 113 introduit _par distillation

sous vide. L’axe de la cellule est horizontal et dirigé

suivant Oz. Elle est disposée ^{dans un} four dont le

chauffage ^{est assuré} électriquement ^au moyen d’un conducteur coaxial thermocoax : le courant alternatif

qui parcourt ^{en sens} inverses le conducteur interne et

la gaine externe, crée ^un champ magnétique négli- geable ^au niveau de la cellule. Les deux arcs excita- teurs, ^en silice fondue et remplis ^{de cadmium} naturel,

sont disposés dans le four de part ^et d’autre de la cellule de manière à fournir une excitation dirigée préférentiellement ^suivant Oy. ^On peut ^ainsi peupler

les atomes dans l’état de résonance 5 Pl par absorp-

tion de la raie 2 288 A (5 180-5 1 P 1) ^{et si la} température

de la cellule est suffisamment élevée (280 OC) pour avoir un emprisonnement ^{de cette} radiation, dans l’état

5 lD2 par absorption ^{de la raie 6 438 A} (5 ’Pl-5 ’D2)-

Cette dernière excitation contient une composante de vecteur électrique parallèle ^à Ox, qui ^{est une} superposition cohérente de _J+ et de u- ce qui permet d’observer le croisement de niveau. Elle contient

également ^une composante qui s’additionne à la lumière parasite. ^Tout effet de transfert de cohérence à partir ^{du niveau 5} 1 PI ^est négligeable compte ^tenu de la température ^de la cellule.

2.1.3 Détection.-La détection s’effectue suivant la direction Oz ; ^un filtre interférentiel à fort contraste et de bande passante ²⁰ A _permet d’isoler la raie 6 438 A émise _par la cellule. La lumière de fluores-

cence est recueillie _par une lentille L1 qui ^forme l’image

de la cellule sur ^un diviseur de faisceau. Deux lentilles

L2 ^et L2 ^font converger les faisceaux sur deux photo- multiplicateurs situés à environ 1,5 ^{m du centre des} bobines et blindés magnétiquement. ^Deux pqlariseurs Pi ^et P2 placés ^{sur ces faisceaux} transmettent respec- tivement les vibrations polarisées rectilignement ^sui-

vant Ox. et Oy. ^{Les courants} d’anode fournis _par les deux photomultiplicateurs, ^{sont ensuite} opposés ^dans

un voltmètre différentiel qui délivre à sa sortie une

tension proportionnelle ^{à la} différence de ces deux courants. Cette méthode permet ^de minimiser les instabilités et les dérives _propres aux arcs excitateurs.

En faisant varier H autour du champ de croisement

Hc, OQ obtient ^le _signal de croisement. Pour améliorer le rapport signal ^sur bruit, ^{nous utilisons une} technique d’intégration à l’aide d’un analyseur multicanaux

fonctionnant en mode multiéchelle ^et qui pilote également ^la tension commandant le balayage ^du champ magnétique Ho.

Ce dispositif ^ne permet d’observer que les croise- ments de niveaux AmF

^{2 ; il ne} permet pas de déterminer le signe ^des constantes de structure hyper-

fine.

2.2 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX.

Le diagramme

Back Goudsmith du niveau 5 ’D, ^d’un isotope impair

du cadmium de spin ^nucléaire I = -1 ^{permet de} prévoir trois croisements de niveaux AMF

^{2 dont}

les positions sont, ^en négligeant ^{le facteur de Landé}

nucléaire et les interactions de second ordre :

Dans ces trois expressions IB ^est le magnéton ^{de Bohr}

et gj(ID2) ^le facteur de Landé électronique ^{du niveau}

1 D2. ^{Nous avons} expérimentalement ^{observé ces}

trois croisements de niveaux. Nous nous sommes

attachés à déterminer avec précision la valeur du

champ Hj pour lequel ^le signal de croisement est le

plus important. ^{Lors de} chaque intégration, ^nous

avons fait varier le champ, ^{avec une} amplitude ^stable

dans le temps, ^{autour du} champ de croisement H.2.

Après ^{une heure} d’intégration (100 accumulations),

le rapport signal ^{sur bruit est} de l’ordre de 10 (Fig. 2).

FIG. 2.

Croisement de niveaux, Cd 113 (H;), ^obtenu après

1 heure d’intégration.

Nous obtenons ainsi :

En choisissant gj(’D2)

¹ (couplage ^LS pur) ^{et en}

négligeant les corrections de second ordre et le facteur de Landé nucléaire, ^{nous obtenons :}

Nous avons vérifié _que les positions ^{des deux autres}

croisements déterminées avec une précision ^{de l’ordre}

de 5 % confirmaient ces valeurs.

La largeur de la courbe de croisement (7,4 ± 0,4) G,

et les valeurs des pentes des courbes représentant ^les

variations de l’énergie ^en fonction de H des sous-

niveaux au point ^de croisement, permettent ^{de déter-} miner la durée de vie ’(1 D2), ^{on trouve :}

Cette mesure est en accord avec celle

que ^{nous avons} obtenue _par effet Hanle et qui ^{est en}

cours de publication ^{et avec} celles de Verolainen et Osherovich [9] ^obtenue par ^une méthode de coïnci- dences retardées (1,98 ± 0,18) ^{10-8 s.}

3. Analyse expérimentale ^{de la structure de la raie}

6 438 Â (5 ’P 1-5 ’D2)- - L’interprétation des résul- tats de croisement de niveaux nécessite la connaissance du signe ^de A(iD2). Pour déterminer ce signe, ^nous

avons utilisé une méthode de spectroscopie ^interfé- rentielle, Fabry-Perot, ^à partir ^de l’analyse ^{de la raie}

6 438 A (5 ’Pl-5 lD2)-

La structure hyperfine de la raie 6 438 A, pour l’un des isotopes ^{111Cd ou 113 Cd est} constituée de trois

composantes A, B, ^C d’intensités respectivement pro-

portionnelles ^à 9,1 ^{et 5.}

D’après ^Lehmann [10] ^{et Lurio et Novick} [11] ]

Suivant le signe ^de A(iD2) ^deux types ^de spectres ^sont

possibles : ^si A(iD2) ^est positive (Fig. 3a), ^{les deux raies}

intenses A et C sont pratiquement confondues et dis- tantes de la raie B d’environ 9 mK. Le profil global

de la raie n’est donc _pas dans ce cas sensiblement différent de celui d’un isotope pair.

Par contre si A(ID2) ^est négative (Fig. 3b) ^{les deux}

raies A et C sont distantes de 19 mK, ^{la raie B se situant}

au milieu du spectre. ^Le profil ^{de la raie se trouve alors}

notablement élargi par rapport ^{à celui d’un} isotope pair.

FIG. 3a.

Spectre ^{de la} raie 6 438 A (Ae D2) > 0).

FIG. 3b.

Spectre ^{de la} raie 6 438 A (Ae D2) 0).

Nous avons réalisé l’analyse expérimentale ^{avec un}

interféromètre de Fabry-Perot, balayé ^en pression,

dont les lames avaient une planéité ^de Â/ 100, ^{et étaient}

revêtues de couches multidiélectriques de finesse réflectrice 75. Compte ^{tenu du} diamètre du dia-

phragme explorateur, ^la finesse instrumentale était de l’ordre de 30. L’intervalle spectral libre était de 250 mK ; ^{la source lumineuse est une} lampe ^{à cathode}

creuse refroidie à l’azote liquide ^{et contenant de} l’argon ^{sous une} pression ^de 0,6 ^{torr. Nous avons} choisi l’argon ^de préférence ^au néon habituellement

employé ^{dans ce} type ^de lampe, afin d’éliminer deux raies _rouges parasites ^{voisines de la} raie étudiée et

provenant ^du néon. Nous avons utilisé deux cathodes exactement permutables ^{l’une contenant de} l’oxyde

de cadmium pair (isotope ¹¹⁴ enrichi à 99 %) ^et

l’autre de l’oxyde de cadmium impair (isotope ¹¹³

enrichi à 95 %). ^{La raie 6 438 Á est} sélectionnée à l’aide d’un filtre interférentiel à bande passante étroite (20 Á) ^{et dont nous avons vérifié} par compa- raison avec un monochromateur à réseau, qu’il per- mettait un gain important de lumière sans introduire de transmission de raies parasites. ^La finesse de la raie obtenue avec 114Cd est de 10,7 (1) ; pour l’isotope l11Cd, ^{elle est de} 6,9 (2). L’élargissement ^{est donc}

sensible et nous pouvons conclure que A(I D2) ^est

négative. ^Le spectre ^obtenu permet également par ^sa

dissymétrie de confirmer les positions relatives des deux raies intenses A et C et par suite le signe ^{de la}

constante A(’Pl).

4. Interprétation ^des résultats.

A(lD2) ^étant négative, ^le croisement de niveau H c 2 correspond ^au

croisement des sous-niveaux Zeeman

Les différences d’énergie séparant ^{le niveau} ’D2 ^des

autres niveaux D (dans ^la configuration ^5s 5d) ^étant grandes (de ^{l’ordre de 200} cm 1) ^les corrections de second ordre sont relativement faibles. De même l’influence du facteur de Landé nucléaire [12],

sera très faible. Pour tenir compte ^des corrections dues à ces termes sur les valeurs de A/gJ ^{nous avons utilisé}

la méthode décrite _par Chantepie ^{et Lécluse} [5] ^et qui

consiste à diagonaliser l’hamiltonien représentant l’énergie de l’ensemble des niveaux de la configuration

5s 5d.

Les résultats définitifs ^sont les suivants :

(’) ^Ce qui correspond ^à

largeur apparente ^{de : 23 mK.}

(Z) ^Ce qui correspond ^à

largeur apparente ^{de : 36 mK.}

1074

nous constatons que ^ces rapports ^{ne sont} pas très différents de ceux obtenus en négligeant ^les corrections de second ordre ; ^{de ces deux} rapports ^nous déduisons :

ce dernier ne diffère _{pas, à} la précision ^de nos mesures

près, ^{de celui des} facteurs de Landé :

mesuré _{par Leduc} et Lehmann [13].

La seule valeur expérimentale ^de gJ(l D2) ^est

celle de Barrat Rambosson [4] :

nous avons donc

Nous pouvons également comparer ^ces résultats à ceux

obtenus _par Chantepie ^{et Lécluse} [5] ^{dans le cadre de}

la théorie de Breit et Wills.

Nous devons avoir :

as, a’, a", ^{étant les} constantes de structures hyperfines

individuelles des électrons 5s et 5d.

En prenant pour as, a’, a" et A(’D2) ^les valeurs cal- culées et mesurées _par Chantepie ^{et Lécluse} [5]

on obtient :

Ce résultat confirme donc le signe ^{de A trouvé} expéri- mentalement, la valeur de A diffère cependant ^de près

de 1 mK de la valeur expérimentale. ^Ceci correspond

aux limites de la théorie de Breit et Wills. Il ne nous a

pas semblé utile de rechercher un accord théorie

expérience plus satisfaisant (Théorie ^{de Breit et Wills}

modifiée _par exemple [14]) ^tant que la précision ^avec laquelle les facteurs de Landé de la configuration

5s 5d sont connus ne sera pas améliorée.

5. Conclusion.

Nous avons pu déterminer avec

précision ^{la valeur des} rapports A/gj ^{du niveau}

5 1D2 ^des isotopes l11Cd ^{et 113Cd. Les valeurs que}

nous obtenons sont en accord satisfaisant avec la théorie de Breit et Wills. Il ne semble _{pas que} la fonction d’onde de l’état de singulet ^{D soit très diffé-}

rente de celle des états de triplet ^{D du moins au voisi-}

nage du noyau. Nous ^avons également ^{déterminé la}

durée de vie de ce niveau et confirmé le signe ^de

A(5 ’Pl) précédemment ^déterminé par Lehmann.

Il serait maintenant souhaitable d’obtenir une valeur aussi précise que possible ^des facteurs de Landé afin de poursuivre plus ^avant l’étude de la configura-

tion 5s 5d.

Remerciements.

Nous tenons à remercier Mes- sieurs Barrat J.-P. et Gluck _{G. pour} l’aide qu’ils ^nous

ont apportée pour l’étalonnage ^du champ magnétique

et l’étude spectroscopique ^{de la raie 6 438 A.}

Bibliographie

[1] SCHRAMMEN, A., ^Ann. Phys. ⁸³ (1927) ^1161.

[2] SCHRAMMEN, A., ^Ann. Phys. ⁸⁷ (1928) ^638.

[3] ALBRIGHT, ^C. L., Phys. ^{Rev. 36} (1930) ^847.

[4] BARRAT-RAMBOSSON, M., Thèse Caen 1965.

[5] CHANTEPIE, M., LECLUSE, Y., ^J. Physique ³² (1971) ^415.

[6] BREIT, G., WILLS, L. A., Phys. ^{Rev. 44} (1933) ^470.

[7] COLEGROVE, ^F. D., FRANKEN, ^P. A., LEWIS, R. R., SANDS,

R. H., Phys. ^{Rev. Lett. 3} (1959) ^420.

[8] THADDEUS, ^{V. S.} P., NOVICK, R., Phys. Rev., 126 (1962) ^1774.

[9] VEROLAINEN, ^Y. F., OSHEROVICH, ^A. L., Opt. Spectros. ²⁰ (1966) 517.

[10] LEHMANN, J.-C., ^J. Phys. ²⁵ (1964) ^809.

[11] LURIO, A., NOVICK, R., Phys. ^{Rev. 134} (1964) ^{A 608.}

[12] LEDUC, M., BROSSEL, J., LEHMANN, J.-C., C. R. Hebd. Séan.

Acad. Sci. B 263 (1966) ^740.

[13] LEDUC, M., LEHMANN, J.-C., C. R. Hebd. Séan. Acad. Sci.

B 262 (1966) ^736.

[14] LURIO, A., Phys. ^{Rev. 142} (1966) ^46.