Étude des niveaux de 3He par spectroscopie optique à très basse température

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Submitted on 1 Jan 1958

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Étude des niveaux de 3He par spectroscopie optique à très basse température

J. Brochard, H. Chantrel, P. Jacquinot

To cite this version:

J. Brochard, H. Chantrel, P. Jacquinot. Étude des niveaux de 3He par spectroscopie op-

tique à très basse température. J. Phys. Radium, 1958, 19 (5), pp.515-522. �10.1051/jphys-

rad:01958001905051500�. �jpa-00235880�

515.

ÉTUDE DES NIVEAUX DE 3He PAR SPECTROSCOPIE OPTIQUE

A TRÈS BASSE TEMPÉRATURE

Par J. BROCHARD, ^{H. CHANTREL et P.} JACQUINOT,

C. N. R. S., Laboratoire Aimé-Cotton, ^Bellevue (Seine-et-Oise).

Résumé.

La structure hyperfine ^{de 3He et le} déplacement isotopique 0394T(4He 2014 3He) ^ont

été étudiés sur les raies : 03BB03BB ⁼ 7 065 Å ; ^{5 875} Å ; ^{4 713} Å ; ^{4 471 Å et 3 888} Å, ^au moyen d’un spectrophotomètre à deux étalons de Fabry-Perot ^{associés en série et} d’une cathode creuse généra-

lement refroidie à l’hélium liquide pompé (~ ^1,8 °K).

Les résultats sont les suivants (en mK) :

Raies

Ce travail fait suite à une étude récente de la structure fine de 4He [1].

Abstract.

The hyperfine structure of 3He and the isotope ^shift 0394T(4He 2014 3He) ^{in lines :}

03BB03BB = 7 065 Å ; ^{4 713} Å ; ^{4 471 Å and 3 888 Å} have been mesured using ^{a double} Fabry-Perot

etalon spectrophotometer ^scanned by pressure ^{and a} hollow-cathode usually ^cooled by liquid

helium below the 03BB-point (~ 1,8 °K).

Results are as follows :

Raies

Thiswork follows experiments ^{on the fine structure} of 4He which have been published recently[1].

PHYSIQUE 19, 1958,

1. Introduction.

Dans un récent article [1]

nous avons publié des résultats relatifs à la struc- ture fine des niveaux 2 3p, 3 3P, ^{3 3.D et 4 3D}

de 4He. Dans le présent article, ^nous publions ^les

résultats obtenus sur les mêmes niveaux de 3He et

sur la mesure du déplacement isotopique

4He

3He dans les raies : 7 065 A, ^{5 875} A,

4 713 Á et 3 888 Á.

3He possède ^{un moment} magnétique ^nucléaire négatif (p1 ^{= -} 2,12815 ^M. N.) ^{et un} spin ^nucléaire

1 ==1/2. ^{Il en résulte une} décomposition ^des

niveaux de structure fine ^en niveaux de structure

hyperfine. ^{Les écarts} prévus pour ^{ces niveaux de} structure hyperfine par les relations habituelles étant du même ordre de grandeur que les ^écarts des niveaux de structure fine, ^{certains niveaux} hyperfins ^{sont fortement} perturbés, ainsi que les intensités de certaines composantes hyperfines.

.

M. Hamermesh [2] ^{a calculé ces} perturbations

par ^un procédé ^{similaire à celui} développé par

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01958001905051500

516

P. Güttinger ^{et W. Pauli} [3] ^à propos du Li II (1).

M. Fred, ^F. Tomkins, ^J. Brody et ^{M. Hamermesh} (F. ^{T. B.} H.) ^ont déjà ^{fait une étude} expérimentale

de la structure hyperfine ^{de 3He} [2]. Nous l’avons

reprise ^{car la source mise au} point ^{pour l’étude}

de 4He et la réalisation récente d’un spectrophoto-

mètre interférentiel de haute résolution à deux

étalons de Fabry-Perot ^{associés en série} permettent

d’améliorer considérablement ^{les mesures.}

II. Conditions expérimentales. --1o SOURCE. - Nous avons utilisé la source décrite dans l’article

précédent : ^{C’est une cathode creuse refroidie par}

un bain d’hélium liquide généralement ^{amené à la} température ^de 1,8 ^oK par pompage. Cependant,

pour la raie 7 065 À, ^la qualité de la cellule photo- multiplicatrice ^ne permettant pas ^une étude à très faible courant, nous avons dû nous contenter de refroidir la cathode à l’hydrogène liquide [4]. ^Nos

échantillons de 3He contenaient de 8 % ^{à 20} %

de 4He ce qui complique ^les structures enregistrées

et leur analyse, mais donne directement le dépla-

cement isotopique.

.20 ENREGISTREMENT DES STRUCTURES.

Le

spectromètre ^a été décrit précédemment (2). ^Pour chaque ^structure hyperfine ^étudiée, l’utilisation de deux étalons de Fabry-Perot ^{nous a} permis ^de reproduire ^{toutes les} composantes ^{à la fois à la} résolution désirée. Il a suffit de choisir pour chaque

raie le rapport d’épaisseurs ^{de telle sorte que} pour cette résolution l’intervalle entre ordres soit suffi- samment grand pour éviter la superposition ^de composantes. L’emploi ^{de l’étalon double entraîne}

la présence inévitable de ghosts ; ^la question ^{a été}

traitée dans l’article cité (2).

Chaque fois que cela ^{a été} possible, ^{nous avons}

(1) ^Les valeurs de M. Hamermesh sont obtenues à partir

de valeurs des intervalles de ^structure fine qui ^ne sont, pas compatibles ^avec les valeurs expérimentales que ^nous

avons publiées dans l’article précédent [1]. ^En outre, ^nous

avons relevé une erreur de transcription dans les inten- sités 2 3P - 3S et nous avons constaté que les règles ^de

sommes ne sont pas suffisamment respectées ^{dans les}

transitions 3D ^- 3P. L’un de nous reprend ^{ces calculs} actuellement. Les résultats en seront publiés ^ultérieu-

rement.

(2) Colloque ^de spectroscopie interférentielle, Bellevue, septembre ^{1957. J.} Physique Rad., 1958, 19, ^366.

choisi le rapport ^des épaisseurs ^{de telle} sorte que les ghosts n’apparaissent pas ^sur les composantes

de la structure. Par exemple, pour la raie X ⁼ 5 875 A nous avons adopté ^le rapport 11111 ^- Ac/Ao ⁼ 5,5. ^Les ghosts ^du premier

FIG, I-B,- Les composantes c, et ^(C. G,)e ^sont enregistrées ^{avec une} amplification du courant de cellule réduite au quart.

517 ordre apparaissent ^{alors à +} A(Ti/ll ^{du centre de la}

structure (avec l’intensité qui correspondrait ^aux rapport d’épaisseur 11). ^{Ils se trouvent donc dans}

l’intervalle spectral ^libre compris ^{entre les} compo- santes a2 et p. ^Il n’a pas toujours ^été possible

d’éviter la superposition ^d’une composante ^{et d’un} ghost. ^En fait, ^{ils n’ont été} réellement gênants que pour la raie 3 888 A : La figure ^II-B qui représente

la courbe obtenue en faisant une moyenne point

par point ^{de 7} enregistrements de la raie 3 888 &

en donne ^un exemple. ^Ces ghosts ^{sont bien} définis ;

souvent mieux _que la raie à laquelle ^{ils se} super-

posent ^{car on les détermine avant} chaque expé-

rience à partir d’une raie de 198Hg beaucoup plus

intense que les raies de notre cathode creuse et qui

donne par suite ^un enregistrement ^{sans fluc-}

tuations. On choisit une raie du mercure assez voi- sine de celle de l’hélium pour que le pouvoir

réflecteur des couches minces diélectriques qui

recouvrent nos lames soit le même dans les deux

cas. Cette détermination des ghosts permet ^de corriger l’enregistrement ^d’une structure. Les

ghosts ^ont d’ailleurs une intensité très faible (3).

Ceux par exemple ’qui ^se superposent ^aux compo- santes b1 ^et b3 de la raie 3 888 A n’ont une inten- sité égale qu’à 1 % ^du signal principal : ^cette

intensité est cependant égale ^{à 20} % de celle de bl

et 4 % ^de b3.

Une certaine correction est donc nécessaire

(surtout ^sur bl.) qui ^{altère forcément la} précision

des mesures. C’est en partie ^ce qui explique ^nos

marges d’erreurs relativement importantes pour cette raie (4). ^La précision ^{des mesures} pourrait

être ^encore améliorée en utilisant _pour un inter- valle entre ordres donné des rapports d’épaisseur

différents qui déplaceraient ^les ghosts, ^{mais alors}

les mesures deviendraient extrêmement longues ^et

coûteuses.

III. Notations.

Les composantes hyperfines

sont désignées par la même lettre qui désigne ^la

(3) L’étalon le moins épais ^est toujours équipé ^{de miroirs}

hautement réfléchissants (7 ^couches diélectriques) ^ce qui

lui confère un contraste élevé.

(4) ^{Nous verrons que la} précision ^est aussi altérée par la nécessité d’utiliser des courants très faible dans la cathode

ce qui ^{limite le} rapport signal-bruit, faute d’une intensité

lumineuse suffisante.

518

composante ^{de structure fine de 4He correspon-}

dante. Chaque ^lettre caractérise donc un groupe de transitions J’ --> J. Ces lettres portent ^{en indice un}

numéro d’ordre croissant vers les grands ⁶ qui

achève l’identification des composantes hyper-

fines de chaque transition F’ -> .F du groupe Les raies 5 875 A et 4 471 A

(transitions ^{3D -} 3p)

ont deux composantes hyperfines qui échappent ^à

cette notation. Ce sont les composantes

qui n’ont pas d’équivalent ^{en structure} fine. Elles sont désignées respectivement par ^{oc et} g. ^Pour plus

de clarté, ^les composantes ^{de 4He} apparaissant

. dans ^nos enregistrements ^et reproduites ^{sur nos}

schémas sont désignées par des lettres majuscules.

Chaque ^fois qu’un groupe de composantes ^n’est pas

résolu, ^la raie résultante est désignée par ^{son centre} de gravité. ^{C’est le} (C. G.) expérimental ^{dans les} enregistrements ^{et le} (C. G.) théorique ^{dans les}

schémas de structure. Ces (C. G.) ^{sont numérotés}

dans un ordre croissant vers les grands a ; leur

composition exacte est donnée dans le texte (sous

les tableaux et dans les ^chémas de structure).

IV. Présentation des résultats. ^{- 10} STRUCTURE

HYPERFINE DE 3He.

Nous avons repéré ^la posi-

tion de chaque composante par rapport ^à la compo- sante la mieux définie. Par exemple, pour la raie 4 713 Á, nous avons pris a, pour origine. ^Tout

écart particulier ^(C. G.)i - cl ou cl

(C. G.)2

par exemple peut ^s’obtenir par différence des inter- valles _{a, -} (C. G.)l, al

cl et a, - (C. G.)2.

Cependant, chaque ^écart tel que (C. G.)i - cl ou ci

(C. G.)2 ^{a fait} l’objet ^{de mesures} spéciales,

donc l’erreur absolue sur chacun d’eux est infé- rieure à la somme des erreurs absolues des inter- valles rapportés ^{à ai. On} peut ^admettre qu’elle ^est

seulement égale ^{à la} plus ^{forte erreur absolue des}

deux intervalles entrant dans la différence. Ainsi,

pour la raie 4 713 A : _{a, -} (C. G.)l = 940,5 :!: ^{3 mK}

et al

cl = 1 089 :f: ^{4 mK. La mesure directe}

de (C. G.), - cl donne

Connaissant ^la position ^d’un (C. G. ) particulier,

la position ^d’une composante particulière ^{de la}

raie non résolue qu’il représente ^{s’obtient en} ajou-

tant à la position expérimentale ^de (C. G.) ^la

valeur algébrique théorique de l’écart de (C. G.) ^à

cette composante. ^{Cette valeur} théorique ^{est cal-}

culée d’après ^{la structure} théorique du groupe des

composantes ^{non résolues. C’est une correction} toujours faible.

Les composantes ^non résolues dont la position ^a

été déterminée au moyen de telles corrections

figurent ^{dans nos tableaux avec une marge}

d’erreur suivie d’un astérisque qui signifie que ^cette

précision n’est donnée _que ^« sous réserve de la

légitimité d’une faible correction calculée ».

Les intensités relatives ont été mesurées au plani-

mètre. La nature des structures se prête ^{mal à une}

détermination précise ^des intensités. Des _compo- santes faibles apparaissent ^au voisinage ^d’un

groupe ^{de raies} intenses mal résolues et la nécessité

d’employer ^{de très faibles courants dans la source}

conduit à des enregistrements fluctuants. La pré-

cision n’est généralement que de l’ordre de 10 %

sur les intensités relatives.

20 DÉPLACEMENT ISOTOPIQUE 4HE - 3He,

Il y ^a deux façons de déterminer l’écart isoto-

pique AT(4He - 3He) : ^la première ^{consiste à}

mesurer l’écart entre le centre de gravité ^{de la}

structure fine de 4He : (C. G.) ^{4He et celui de la}

structure hyperfine ^{de 3He :} (C. G.) 3He. La déter- mination de (C. G.) ^{4He est} précise, ^à partir ^d’une

seule composante ^{de la structure fine étant donnée}

la précision ^{de nos résultats} antérieurs [1]. ^La

détermination de (C. G.) ^{3He est} malheureusement

bien moins bonne faute de précision ^{dans la mesure}

des intensités. Les valeurs obtenues _par cette méthode figurent. ^entre parenthèses ^{dans nos}

tableaux. L’autre méthode consiste à mesurer

l’écart entre la composante ^fine Jmag ^- Jmax ^{de 4He}

et la composante Fmax -->Fm,, ^{de 3He. Cet écart}

est égal ^à AT(3He - 4He). En effet le niveau

hyperfin Fmax ^n’est _pas perturbé. Son écart au

niveau Jmax ^{dont il est issu est} donc donné par la relation :

d’autre part,

bien que, ^en définitive, ^on aura, quel que soit L la relation suivante :

Par conséquent, pour ^tous les niveaux n 3P,

n 3D, ^... (ou n 3S pourvu que n soit suffisamment

grand pour que A(n 3S) _- A(oo 3S)) ^{l’écart est} toujours ^{le même.} Donc si le déplacement ^isoto- pique AT(4He - 3He) ^était nul, ^les transitions

J2ax ^- J.,,. ^{de 4He seraient} confondues avec les transitions correspondantes F:nax -+ F max ^{de 3He.}

Il faudrait toutefois, pour les transitions 3P -> n 3S,

que n soit ^assez grand. ^C’est toujours ^{le cas} prati- quement, ^sauf pour 3 888 A (3 ^3P --> 2 3S) pour

laquelle ^on appliquera ^une correction supplémen-

taire de 3,6 ^{mK à la mesure} de l’écart des raies al -- A pour obtenir AT(4He -3 He) - ( fig. II-A).

Dans nos schémas de structure nous avons repro-

519 TABLEAUX 1

(5) F. T. B. H. donnent b2 ^{= 19.} Nous pensons que leur calcul ^a donné ^{en réalité} b2 = 15 et que la valeur _{19 pro-} vient d’une erreur de transcription. La valeur (C. G.), == ^9,2 s’obtient en prenant b2 ^{= 15. Avec} b2 ^{= 19 on}

aurait : (C. G.), = ^11,4.

duit les composantes ^{de 4He à leur} position expéri-

mentale (composantes hachurées).

V. Résultats. 2013 io RAIE 4 713 A (4 ^3S -> 2 3P).

- Pour cette raie, ^le rapport d’épaisseur ^{des deux}

étalons était 12111 ^{= 10 et} l’intervalle entre ordres :

Aal =: 10 AC72 == 1605,3 mK. L’intensité du courant dans la cathode a été fixée à diverses valeurs ^com-

prises ^{entre I = 100} VA ^{et 350} fLA pour ^une tension

aux bornes de l’ordre de 200 volts. La figure ^I-A reproduit les schémas de niveaux et de structure

hyperfine théoriques. ^Cette figure ^est également

valable pour la raie 7 065 A _sauf en ce qui ^concerne

la position ^{de 4He.}

La figure ^I-B reproduit ^un enregistrement ^obtenu

avec un courant de 100 p1A.

Les tableaux I donnent nos résultats ^sur 4 713 A

en même temps que ^nos résultats sur 7 065 A.

20 RAIE 7 065 Â (3 ^{35 - 2} 3P).

En raison de la faible sensibilité des cellules dans cette région, ^la

source n’était refroidie qu’à l’hydrogène liquide ^et

le courant dans la cathode atteignait ^{I = 6 mA.}

Les épaisseurs des étalons étaient dans le rapport ⁵

et Ao-i ^{= 5.} ACF2 ⁼ 629,8 ^mK.

Les composantes al et a2 bien isolées ont permis

une détermination correcte de l’écart 3 3S1y3i2.

Malheureusement les composantes intenses B ^{et C}

de 4He se superposent ^aux composantes ^intenses

mal résolues de 3He et rendent impossible ^toute

autre détermination que celle de al et a2 qui ^sont

donc les seules à figurer ^{au tableau. Le} déplacement isotopique ^{a été mesuré en} substituant un ordre

sur deux une cathode à 4He à la cathode à 3He au cours des enregistrements. ^{Des mesures de contrôle}

ont été faites sur A dans l’enregistrement ^normal

mais elles ^{sont moins} précises ^en raison de la faible intensité de A. Les composantes A, ^{B et C}

ont été repérées ^par rapport à al et a2 ; ^{ces mesures} ont été rapportées ^{à c2 au} moyen des valeurs du niveau 2 3P établies à partir de la raie 4 713 A.

30 RAIE 3 888 A (3 ^{3P - 2} 3S).

Pour éviter

une autoabsorption gênante, ^{il a fallu} opérer ^avec

des courants très faibles (de ³⁰ (LA ^{à 100} p1A). ^La

résolution est alors bonne et seules .les composantes

centrales ne sont pas résolues ; ^{mais le} rapport signal/bruit ^n’est pas ^très satisfaisant. Les meil- leures mesures ont été faites sur une figure ^obtenue

en faisant une moyenne point par point (450 points)

de 7 enregistrements (fig. II-B). ^Le rapport ^des épaisseurs ^{d’étalons était} égal ^{à 5 et}

Nos résultats sont reproduits tableaux II.

Nous ^avons calculé la structure théorique

520

du niveau 3 3P à partir ^{des valeurs de struc-}

ture fine publiées ^récemment [1] ^{et en} prenant A (oo 3S) ^{- -} 142 mK. La structure obtenue diffère sensiblement de celle publiée par

(F. ^{T. B.} H.) [2]. ^{La structure} hyperfine ^{de la}

raie 3 888 A n’est pas modifiée de manière obser- vable : Les composantes ^{a2 et} b2 d’intensités égales

se permutent sensiblement dans la structure non

résolue : (C. G.)1.

F I G. I I-C.

L’interprétation ^{des mesures est} cependant ^diffé-

rente. Nous avons reproduit figure II-C côte à côte la structure théorique que ^nous proposons ^et celle donnée par (F. ^{T. B.} H.) ^et reproduit ^les

valeurs expérimentales des écarts de niveaux déduits de nos mesures suivant les deux inter-

prétations.

40 RAIE 5 875 A (3 3D --> 2 3P). ^{- La} figure ^111-B reproduit ^un enregistrement ^{obtenu avec}

1 ⁼ 500 VA. ^Les épaisseurs des étalons étaient

FIG. III-B. - Les composantes cl et (C. G.) sont enregistrées ^{avec une} amplification du courant de cellule réduite

de moitié.

521

TABLEAUX II

(g) ^{WEINREICH et} HUGHES, [5] ont mesuré cet écart par radio fréquence ^{et trouvé :}

Soit 224,81 db 0,002 mK, ^{résultat en} bon accord avec le nôtre.

dans le rapport 5,5 et.l’intervalle entre ordres dans

l’enregistrement ^était

Nos résultats sont reproduits ^{tableaux III.}

TABLEAUX III

La valeur de 3 3D1,3I2-3,512 est déduite des écarts _a2 fi, a2 cl, a2 C2 par moyenne pondérée.

522

TABLEAUX IV

50 RAIE 4 471 A (4 ^3D ->2 3P).

Cette raie a

été étudiée avec la même combinaison d’étalons

que la raie ^{À = 4} 713 Á. Le courant était de 350 tA

Les transitions pour ^cette raie sont les mêmes que pour 5 875 Á, ^{mais les} intensités théoriques ^corres- pondantes ^sont parfois différentes. La figure ^IV-A reproduit ^les structures théoriques du niveau 4 3D et de la raie.

L’hélium 3 nous a été fourni _{par le} Laboratoire National d’Oak Ridge (Isotope Division, ^{U. S.}

Atomic Energy Commission, ^Oak Ridge, Tennessee)

et nous tenons à exprimer ^{ici nos} remerciements

aux organismes américains qui ^{nous ont} procuré

ces échantillons.

Manuscrit reçu le ²⁴ février 1958.

BIBLIOGRAPHIE

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[6] ^CHANTREL (H.), J. Physique Rad. 1958, 19, ^366.

FIG. IV-B.

Les composantes ^{CI et} (C. G.)3sont enregistrées ^{avec une} amplification ^{du courant de} cellule réduite de moitié.