L’EFFET ZEEMAN DES
CONFIGURATIONS
3 p5 4p
ET3 p5 5 p
DEL’ARGON
I. J. TERRIEN et H. DIJKSTRA.Laboratoire
Physica,
à Amsterdam.Sommaire - Avec un grand réseau de Rowland monté stigmatiquement, on a mesuré les décomposi-tions magnétiques des raies infrarouges 1s20142 p et des raies violettes 1s20143 p de l’argon I. Toutes les valeurs de g sont anormales et montrent que le couplage, comme on le savait déjà par la disposition des termes,
est un couplage intermédiaire. Contrairement à la règle de Preston les raies homologues 1s20142 p et 1s20143 p ont des décompositions différentes : les valeurs de g, lorsqu’on passe des termes 2p aux termes 3p, montrent que le changement de couplage avec le nombre quantique principal de l’électron p est une tendance vers le couplage (j-j). Une variation toute semblable s’observe lorsqu’on passe des termes 2p de l’argon aux mêmes termes 2p du Krypton ; ces derniers se raprochent beaucoup, par leurs énergies relatives et leurs valeurs de g, des termes 3p de l’argon.
Inglis et Johnson ont calculé l’influence, sur les termes et les valeurs de g, d’une interaction magnétique
spin-orbite
de chaque électron ajoutée au couplage R. S.; cette approximation, encore assez satisfaisante pour les termes 2p du néon, s’est montrée beaucoup moins bonne pour les termes 2p de l’argon.Les
plaques photographiques
pourl’infrarouge
nouvellement parues sur le marché ont rendu
possible
laspectroscopie photographique jusqu’à
12.000 A.Avec un
montage
à réseau très lumineux dans larégion infrarouge, Meggers
et liiess(1),
Paschen et Ritschl(2), Slevogt (1),
ontphotographié,
et classifié enpartie,
un certain nombre despectres.
Avec unspectrographe
àprisme
et une lame deLummer,
BélaPogany
(4)
a mesuré lesdécompositions magnétiques
des termes desconfigurations
et dukrypton
I.Nous nous sommes
proposés
d’utiliser legrand
ré-seau concave enmontage stigmatique (:5),
mis à notredisposition
par M. leprofesseur
Zeeman dans sonlaboratoire,
à l’étude de l’effet Zeeman del’argon
dansl’infrarouge,
afin de déterminer les valeursde ,q
des termes de laconfiguration
3p5
~~
del’argon
1;
nousavons par la suite étudié la
configuration
3 p5 5 1)
par la mesure des raies violettes.Méthode
expérimentale. -
Leréseau,
lorsque
toutefois il est
lumineux,
a desavantages
intéressantspour
l’investigation
de l’effet Zeeman dansrinfra-rouge :
(1) Bur. Stand../. Research, 1932. 8, p. 393; 1932, 9, p. 121, 309; ~1933, 10, p. 139, i27, 669, 157, 821.
(2) cfer Physik., 1933, 18, p. 86 i.
(e) Z. Physik., 1933, 82, p. 92.
(4) Z. Physik,1933, 86, p. l29.
(5) Réseau de Rowland, rayon de 20 pieds, largeur utilisée de 12 cm, soit 10 000 traits environ. L’installation en montage
stigmatique est semblable à celle décrite par Meggers et Burns
(Sc. Pap. Bur. Stand.; 1922, 18, p. 491). Toute l’installation et
l’Plertroaimant reposent sur un bloc de béton indépendant de
, 250 tonnes, monté sur pilotis, et qui n’est influencé en rien par les vibrations du trafic de la rue et des machines du labora-toire.
1°
On
peut
utiliser les raies violettes du fer dans le 2e ordre pour la mesure deslongueurs d’ondes,
et desdécompositions
de raies violettes connues pour lamesure du
champ magnétique;
~° La
largeur
dutriplet
normald ~,,,
estproportion-nelle à ):¿ et devient
plus grande.
Il en est de même pourl’élargissement
des raies par effetthermique
ouélectrique,
mais legrain
desplaques infrarouges
étantplus grossipr,
delarges séparations magnétiques
sont
pourtant avantageuses;
31 Le 1,> que l’on
peut
séparer
devientplus petit :
0’1 =
v/R;
,
4° La
dispersion
dans lemontage
stigmatique
aug-mente avec i~.Le schéma bien connu du
montage
stigmatique
se voit sur lafigure
1 ;
la luminosité estplus
grande,
mais ladispersion plus petite
que dans lemontage
Rowland. Lesexpositions
dansl’infrarouge
ont été faites dans lepremier
ordre,
avec unedispersion
de4,95 À/mm,
et lesexpositions
dans le violet dans le deuxièmeordre,
avec unedispersion
de2,47
Â/mm.
Le châssisporte-plaque
C a unelargeur
de 40 cm etpermet
dephotographier
un intervalle delongueurs
d’ondes de 1880 ~ dans lepremier
ordre et de 940 Â dans le second.La source lumiîîeuse utilisée a
déjà
été décrite(1) :
entre les
pièces
polaires coniques
N et S del’électro-aimant est
engagé
un tube muni dequatre
fenêtres de verre ou dequartz;
ce tube et lespièces polaires
limi-tentl’espace
danslequel
on introduit le gaz à étudier. Deuxpetits disques
detungstène
isolés despièces
polaires
par du mica constituent les électrodes. Ladécharge
est alimentée par du courant alternatif à hautetension,
d’intensité 15 à 20milliampères,
dans(1) E. BACI et A LANDE, Zeeman und
AfuLtiplettstruktur,
1925, p. 129..,l’argon
à unepression
de 12 mm de mercure. Avec unepression
et une intensitéplus
grandes,
les raies deviennent moinsfines,
tandis que l’intensité du spec-tre d’étincelleaugmente
parrapport
auspectre
d’arc.Fig. 1. - Schéma de
montage pour l’étude de l’effet Zeeman des gaz.
M, miroir concave donnant un faisceau parallèle; R, réseau concave; C, châssis porte-plaque.
Avant une mesure, on pompe
plusieurs jours,
en allumant ladécharge
dans un courantd’hydrogène
pur. Pendant les
expositions
dansl’infrarouge, l’argon
était renouvelé toutes les deuxheures;
pendant
lesexpositions
dans leviolet,
toutes les heures.Le
champ
magnétique
estproduit
par un gros élec-troaimant Weiss(Oerlikon, Zurich);
lespièces polaires
coniques,
d’écartementréglable,
sont terminées par une surfaceplane
de 10 mm de diamètre. Le courant de 100ampères,
sous une tension de 80volts,
est fourni par ungénérateur
situé dans la salle des machi-nes dulaboratoire;
il circule dans 500spires
de tubes de cuivre autour dechaque pôle;
les tubes sont refroi-dis par un courantd’eau,
et sont pour cela divisés en 16tronçons
réunis enparallèle
par des raccords de caoutchouc. Le refroidissement estparfaitement
effi-cace, et l’aimantpeut
être utilisépendant
une durée indéfinie.L’intensité du
champ,
un peusupérieure
à ~0 000 gauss, était déterminée par ladécomposition
desraies
3~6~i,~~
et3944,03
del’aluminium,
ou desraies
1680,14
et4722 J 6
duzinc,
excitées flans l’entrefer par un trembleur(arc
intermittent)
dans uneatmos-phère
d’hydrogène
raréfié(2
cm depression).
Les
plaques photographiqîies
employées
par noussont les
plaques
IlfordInfrared,
Eastman Pi etRi,
Agfa 730
et 810. Larégion
de sensibilité desplaques
EastmanR 1,
Agfa
810,
et Ilford est à peuprès
lamême;
les deuxpremières
soit un peuplus rapides
et ont ungrain plus
fin;
maisl’avantage
desplaques
Ilford estqu’elles
n’ont pas besoin d’êtrehypersensi-bilisées : cette
opération
ne réussit pastoujours,
sur-toutlorsque
lesplaques
deviennentâgées
dequelques
mois. Commerévélateur,
nous avonspréféré
la formule à l’élon recommandée parEastman,
qui
donne despla-ques
plus
claires que le révélateur ordinaire au métol. Lesdécompositions
magnétiques
ont été mesurées sur lesphotogrammes
faits au moyen dumicrophoto-mètre
enregistreur
Zeiss. Il semble bien que les mesures de différents clichés concordent mieux par cette mé-thode que par la mesure directe du cliché sous lecom-parateur.
La durée
d’exposition
dansl’infrarouge
était de 20 à 24 heures. Latempérature
du réseau était maintenue constantependant
cetemps
avec des écarts maximum deil-- 01,03,
au moyen d’unerégulation automatique
de latempérature
de la salle(~).
La duréed’exposition
dans le violet était de 12heures;
les raiesd’étincelle
étaient alors dans cetterégion
fortementsurexposées,
et les bandes desimpuretés
du gaz venaient sur laplaque
avecplus
ou moins d’intensité. De là vient que les mesures dans le violet sont moins exactes que dans le rouge, où les clichés étaientparfaitements
purs.Résultats des mesures. - Le
spectre
d’arc del’argon
est un des mieux connus et desplus
complète-mentanalysés
(2).
Rappelons
seulementl’origine
des raies lesplus
intenses que nous avons étudiées. La couche extérieure de l’atome normal est la couchecomplète
3~6,
état L’un de ces six électronspeut
passer àl’orbite 4s,
4~,
ou 5p :
on aainsi,
soit laconfiguration
3p5,
As,qui
donne lieu à 4 termes nolés(notation
dePaschen)
1 s~, 1 s4, 1 s3 et 1 s2 dans l’ordredes
énergies
croissantes,
soit laconfiguration 3 p:¡, 4 p,
qui
donne lieu à 10 termes notés2 pi o, 2j~,... ~~~,
dans l’ordre desénergies
croissantes,
soit laconfiguration
3 p~,
5 p
dont les 10 termes sont notés3 p;,
avec l’indice i du termecorrespondant
2p, :
1 ordre des indices n’estplus
exactement l’ordre desénergies.
Les termesanalogues
des autres gaz rares sont notés selon les mêmesrègles.
Les termes de
l’argon
ont des valeurs duquantum
j indiquées
par le tableauI,
qui
donne aussi la nota-(1) La température du réseau R est contrôlée par un couple thermoélectrique et un galvanomètre G (fig. 1). dont le spot lumineux, sur une échelle graduée en dixième de degré, permet d’apprécier facilement le centième de degré.tion liussel-Sztunders
lluelquelois
utilisée. Les raies que nous avons étucliéesproviennent
des transitionsT.~BLEAU I. - l’erînes des
configurations
et,3 pa. np
del’argon,
notation dePaschen.,
nolaUonRllssel-Saunders,
et valeurs dej.
Résultats : termes
2 p.
- Le facteur dedécomposi-tion du terme s~, seul terme s
ou /
ait lavaleur 2,
et du terme p,,, seulterme p
oÙ i
Etit la ;alcur;j,
estindé-pendant
ducouplage;
sa valeurthéorique
est~= 1,50
pour le terme sj, ce que nons avons vérifiéexacte-ment,
etg =1,33
pour le terme ce que nous avons vérifiéapproximativement.
Les termes s3, }J1 et p5, oùj
=0,
ne sont pasdécomposés
dans lechamp
magné-tique.
Les termes s2
et s,~
ontdéjà
été étudiés(1) ;
nousavons retrouvé les mêmes valeurs de g,
1,10
et1,40.
Dans le tableau IIfigurent
lesdécompositions
mesu-rées dechaque
raie,
la valeurde 9
qu’on
en déduit pour le terme pi, et ladécomposition
calculée avec cette valeur de g. Lapolarisation
descomposantes
a été déterminée pour lesplus
intenses de ces raies.TABLEAU II. -
I)écomposition
des raies s- 2p
del’argon
et valeurs de g.Lorsque
ladécomposition
n’est pas entièrementré-solue,
nous avons choisi la valeur de g defaçon
à amener le centred’intensité,
calculéd’après
l’intensitéthéorique,
à coïncider avec le sommet de la courbephotométrique
du groupe decomposantes
non résolu.Lorsque
lalargeur
de ce groupedépasse
lepouvoir
séparateur
effectivement atteint(0,2
dÀnormal),
cequi
arrive surtout dans le cas de troiscomposantes
cd’intensité
décroissante,
noussupprimons
de ce calcul lacomposante
extrême laplus
faible, qui
esttrop
éloi-gnée
pourpouvoir
déplacer
le sommet de la courbephotométrique ;
cettecomposante
est d’ailleurs sou-vent un peu au-dessous du noircissement normal dela
plaque photographique,
Le terme n’a pu être
étudié,
les raies en combi-naison avec ce terme étanttrop
loin dansFinira rouge.
Précision et
pouvoir
réparateur. --
Les mesuresreproduites
dans le tableau II montrent que deuxcom-posantes d’égale
intensité distantes de0,2
d~ normal sontséparées
dans larégion
i.6U0 À,(voir
~,7635,
$5 - P6);
la raie intense)B Si t 5,
s.~; - p,, dont ladécom-position, indépendante
ducouplage,
est(U) (U,1 i ) (U, 33)
1 ; 1,17 ; 1,33 ;
1,50; 1,67,
et dont lescomposantes
sont distantes de0,17
d),normal,
sans ètre nettement442
décomposition
en 15composantes.
Dans unchamp
de 40 000 gauss, à 7635~,
dt, normal-- 1,09À,
lepouvoir
de résolution effectivement atteint est doncsupérieur
à7635/(0,2
X1,09)
= 35 000. Le réseau que nous avonsemployé
a dans lepremier
ordre unpouvoir
de réso-lutionthéorique
de 70000qu’il
estcapable
d’atteindreeffectivement ;
mais les raffinements nécessaires au-raient encoreallongé
la duréed’exposition
et renduplus
difficile leréglage
de latempérature.
Les écarts de
pointé
d’une mêmecomposante
sur différents clichés étant presquetoujours
inférieurs à0,01
d~,normal,
l’erreur sur unevaleur g
doit être inférieure àO,OI.
Règle
de la somme des ~.2013 Pour les troistermes 2p
où y
=2,
cetterègle
estparfaitement
vérifiée(Ta-bleau
III).
Pour les termesoû j
=1,
dont trois seule-ment ont étéatteints,
ellepeut
servir à déterminer lavaleur
de g
duquatrième ternie }110 :
()==:1,99.
TABLEAC III. ~-- Valeurs
-2p
:=Cte.Termes
3p ;.
-- Nous avons étendu les mesures aumultiplet
suivant(termes3 Pi)
par l’étude des raiesvio-lettes
1 S,’
-3pi,,
mais avec uneprécision
diminuée par les nombreuses raies très intenses duspectre
d’étin-celle et par les bandes dûes aux
impuretés qui
inter-fèrent souvent avec les raies étudiées. Le tableau IV résume lesrésultats;
nous donnons dans la dernière colonne la valeur laplus probable
de g pourchaque
terme.TABLEAU IV. -
Décomposition
des rai(,s 1 s -3 p
del’argon
et valeurs de g.Les
quatre
premiers
termes ont le mêmequantum
j
=z 1 -
l’incertitude surg y est de l’ordre de 1 pour100;
lgobs
=4,97,
au lieu de2:gthé.==
5.Les trois termes suivants ont pour
quantum
internej ~ ~;
l’incertitude surgyest plus
grande;
Ègobs = 3, 69,
au lieu de
gthés.
=,6i.
Larègle
de la sommedes y
est donc encore vérifiée, dans les limites des erreurs
-Remarques
théoriques. -
Dans lespectre
des gaz rares, lecouplage
n’est ni lecouplage
(ls)de
Russel-Saunders,
ni lecouplage
( j j),
mais uncou-plage
«intermédiaire » ;
ladésignation
de termesS, P,...
estplus
trompeuse
qu’utile;
les valeursde g
sont « anormales », c’est-à-direqu’elles
ne sont pas données par la formule de Landéqui
suppose lecouplage
(1 s).
De la nature ducou-plage
dépendent
à la fois lesénergies
rela-tives destermes,
et ladécomposition
de chacun d’eux dans lechamp magnétique,
c’est-à-dire les valeursde ,q.
L’e‘fetZeeman,
commel’analyse
destermes,
permet
donc d’étudier cecouplage.
Dans le cas desquatre
termes(termes lsi)
de laconfiguration
3~e.~s
del’argon,
on saitexprimer
la variation ducouplage
en fonction d’un seulpara-mètre,
dont la valeur fixe à la fois lesénergies
relatives des termes et les valeurs
de g (1).
Fig 2. -
Photogrammes montrant en particulier la différence,
contrairement à la règle de Preston, entre deux raies consé-cutives de la série 1 si -
l1P; (’=).
Dans le cas des dix termes de
la configuration
3p5. np
del’argon,
lecouplage
change
avec le nombrequantique
ii,comme le montre le schéma des termes A. et A.
3pi
(fig. 3) ;
cechangement
est mis aussi en évidence par la variation des facteurs dedécomposition magnétique
Fig. 3. - Termes des configurations 3p5 4p (termes A 2 p) et 3pb5p (termes A 3p) de l’argon
5p (termes 2p) du Krypton. Chaque terme est représenté par un chiffre égal à sa valeur de j.
Les éChelle3 sont différentes. On voit la différence de couplage entre A2p et A3p, et l’analogie de A3p et Kr2p.
Fig. 4. - Valeur de g calculée dans les couplages extrêmes
( j j)
et (Ls) pourles nombres
quantiques
1, s, jl, /2 et J indiqués, et valeurs mesurées pour les termes A 3p et A2p. Les termes correspondants sont reliés par un trait continupour J -- 4, ponctué pour J ~ 2.
quand
on passe d’un terme2p,.
au terme correspondant 3p;.
Sur lafigure
4 sontportées
enordon-nées,
pour chacun des termesdési-gnés
par leurnuméro,
les valeursdue 9
calculées dans lecouplage
(1 s)
àdroite,
daiis lecouplage
àgauche,
et entre les deux les valeurs mesurées pour les termes2p¡
et:ipi.
On y voit clairement quelorsque
le nombrequantique ïî
augmente,
les terme })3, ]14-et Pi
manifestent une transition ducou-plage
(ls)
aucouplage
(jj) ;
cette transition est moins claire pour lesautres termes.
Pour la même
configuration
du néon(termes
2p;), Inglis
etGins-burg (3)
ont pucalculer,
avec uneapproximation
moyenne de 5 pour100,
les valeursdey
en fonction desénergies
relatives des termes. Ils utilisent la théorie dessystèmes
à deux électrons(la
coucheincom-plète
pe
jouant
un rôleanalogue
à celui d’un seulélectron),
en par-ticulier les travaux deSlater,
John-(1) V. HousTON, Phys. Rev, 1929, 33, 297.
0. LAPORTE et D. R. lxoGLIS; Phy.ç. Rev., 1930 35, 1.337. BAKKER, loe. cit.
(’~) lousremercions àI . Van der Z,vaal, chef du service technique, des soins qu’il a apportés à la reproduction des photogrammes ainsi qu’à la confection des figures.
-son et
Inglis
(’).
Leprincipe
de la méthode est le suivant :moyennant
certainessimplification (on
né-glige
l’interactionmagnétique
duspin
d’un électron sur le moment orbital des autreséloctroii,,;),
le calcul desénergies
des termes n’introduitqu’un petit
nombre dequantil,és
non calculables : troisgrandeurs
a,~,
8,
combinaisons linéaires desintégrales
radiales deSlater
qui expriment l’énergie
d’interactionélectrosta,-tique,
et deuxgrandeurs
ai et azqui expriment
l’éner-gie
d’interactionmagnétique (/, s)
de la couche~o
d’unepart,
et de l’électron np d’autrepart.
Si la théorie est suffisammentapprochée,
onpeut
trouverempirique-ment les valeurs de ces
cinq grandeurs
considérées commeparamètres
defaçon
à retrouver lesénergies
connues des termes. Cesparamètres
étant connus, on sait ensuite calculer les g.C’est ce que nous avons
essayé
d’appliquer
à lacon-figuration
3p~
~~
(termes 2pi)
del’argon ;
l’approxi-motion obtenue est
beaucoup
moinsbonne;
nousdon-nons dans le tableau V un des
systèmes
de valeurs de termes que nous avons calculés(~),
ainsi que les va-leursobservées;
le terme2 pg
(j -- 3)
estpris
commeorigine.
TABLEAU V. - Termes
2p
del’argon,
valeur et cal-voir lasignification
détaillée desparamètres
dansInglis
etGinsburg,
etInglis
et Johnson(loc.
cil.) Les
paramètres magnétiques
correspondants
du néon(termes
~~)
sont ai _-__ 40 et a2 - - 403.(1) SLATER.
Phye.
Rev., 1929, 34, 1293. ,Phys. Rev.. 1931, 38, 1630.
lNGLis et Phys. Rev., 1931, 38,’16!~2.
2). L’équation séculaire développée des quatre termes p. p.
.i
= i donnée par Johnson(Phys.
Rev., 9931, 38, i63i.) contient plusieurs erreurs. Je n’ai trouvé d’autre erreur dans les matrices concernant la configuration p. p. que celle déjà signalée par Inglis et Ginsburg (loc. cit.) : dans la matrice p; p. i = 2,rem-placer ai -
a., par a, + a., ; dans l’équation séculaire qui en découle
supprimer
le terme + 2 ai az.L’erreur moyenne est de
t 20,
au lieu de 36 pour le néon. Corrélativement les valeurs de g calculées ont des erreurs de l’ordre de 20 pour 100. Cette théorie est donc de peu d’intérêt ici. Son succèsapproximatif
au cas des termes2p
du néonpeut
d’ailleurs êtreplus
apparent
queréel,
comme le montre une remarqued’Inglis
etGinsburg :
« Nous ne pouvons pas être sûrsqu’un paramètre
ainsi calculé nereprésente
réellement que l’interactionqu’il
est censéreprésenter...
les para-mètresmagnétiques
calculés pour cetteconfiguration
àpartir
d’atomes tout à fait semblables diffèrent de ceuxqui
ont été déterminés ci.dessus. » Il faut donc conclure que, sauf clans les cas lesplus simples,
nous ne savons pas encorequelle
relationquantitative
existe entre lesénergies
des termes et les facteurs dedécom-position magnétique.
TABLEAU VI. -
Comparaison
des valeurs de g del’argon
(termes
3 p)
et dukrypton
(termes 2 p).
Lps termes dechaque
colonne secorrespondent, malgré
ladifférence
de nota/ion.La relation entre ces deux groupes de données est
frappante lorsqu’on
compare laconfiguration
3p:).
5p
de
l’argon (termes
31)i)
et laconfiguration 4p,’~.5p
duKrypton (termes
2pi).
Lafigure
3 montrel’analogie
dans ladisposition
relative destermes ;
corrélativement les valeursde 9
des termescorrespondants
diffèrent peu. Les valeursde 9
duKrypton qui figurent
auta-bleaii Yl ont été mesurées par B.
Pogany
Nous sommes heureux
d’exprimer
ici notre recon-naissance à M. le Professeur P. Zeeman pour l’intérêtqu’il
nous atémoigné
au cours de ce travail.(1). B. POGANY. Z. 1933 86, 129.