HAL Id: jpa-00234607
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00234607
Submitted on 1 Jan 1952
HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of
sci-entific research documents, whether they are
pub-lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d’enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.
Étude théorique de l’intensité et de l’effet Zeeman des
raies d’intercombinaison de l’hélium
P. Pluvinage
To cite this version:
405.
ÉTUDE
THÉORIQUE
DEL’INTENSITÉ
ETDE
L’EFFET ZEEMAN DES RAIES D’INTERCOMBINAISONDE
L’HÉLIUM
Par P. PLUVINAGE.
Faculté des Sciences de Strasbourg.
Sommaire. -
On montre que les interactions spin-orbite et spin-spin de deux électrons, telles
qu’elles sont écrites actuellement, rendent bien compte quantitativement des résultats expérimen-taux de J. Brochard et P. Jacquinot sur les raies d’intercombinaison de l’hélium. Le principe des calculs de l’intensité et de l’effet Zeeman est indiqué; les calculs sont ensuite poussés jusqu’à
l’appli-cation numérique dans les cas intéressants en pratique.
LE JOURNAL PHYSIQUE
13,
JUILLET-AOUT-SEPTEMBRE1952,
1. Les deux groupes de raies interdites de l’hélium. -
Grâce
à sa méthode de détection des raiessatellites
trèsfaibles,
P.Jacquinot
[1]
a observéen
I939
de nombreuses raies interdites dans lespectre
de l’héllum. Les unes violent la
règle
de sélectionAl = :t 1 mais non às = o, c’est-à-dire
qu’elles
restent à l’intérieur d’un même
système,
singulet
ou
triplet.
D’autres sont des raiesd’intercombinaison,
violant Os = o mais non Ol = ± r . D’autres
enfin,
émises àpartir
deniveaux supérieurs,
contre-disent les deuxrègles
à la fois. Avant les travaux, deJacquinot,
seule la raie d’intercombinaison deLyman [2] 1180
-23P1
(À
= 591,5
A)
était connue.Les nouvelles raies interdites ont été étudiées
systé-matiquement
par P.Jacquinot
et J. Brochard[3] qui
ont pu les classer en deux groupes suivantqu’elles
s’exaltent
ou nonquand
onaugmente
la densité de courant dans le tube àdécharge
et,
parsuite, _le
champ
électrique
« extérieur’»qui perturbe
l’état des atomes. Les raies dupremier
groupe sont des raies forcées et lesparticularités
de leurs effets Zeemans’expliquent
parl’anisotropie
de cechamp
[4].
’Le second groupe est exclusivement formé de raies d’intercombinaison
qui
doivents’expliquer
enprin-cipe
comme dans le cas des atomes à deux électrons de valence. Mais lacomplexité
et la faiblesse desinteractions
responsables
rendaient peuattrayant
un calculthéorique
tantqu’on
doutait de lapossi-bilité d’observations
expérimentales.
Laquestion
doit êtreréexaminée,
d’autantplus
que J. Brochard et P.Jacquinot [5]
ont réussi à obtenir l’effet Zeeman de la raie23 P1,2 - 31D.
Les résultats du calcul seront confrontés avec leursexpériences
auxpara-graphes
3 et 4.2. Hamiltonien du
systètne
et travaux d’Araki.- Pour un atome à deux électrons de valence et
de numéro
atomique
Zélevé,
seules sont à considérer l’interactionélectrostatique
et l’interactionspin-orbite
habituelle,
ou propre àchaque
électron.Suivant que la
première
ou la secondeprédomine,
on saitqu’on
a lecouplage
Russel-Saunders ou lecouplage ii.
La discussion a été faite par Hous-ton[6].
Dans le cas del’hélium,
c’est lecouplage
Russel-Saundersqui
est réalisé. Mais l’interactionspin-orbite
propre n’estplus
la seuleperturbation
due auxspins
car, en raison de lapetitesse
deZ,
les termes d’interaction
spin
d’un électron-orbite de l’autre(ou spin-orbite
mutuelle)
etspin-spin
prennent -
uneimportance
relative considérable. L’interactionspin-orbite
mutuelle renverse lestri-plets,
l’interaction
spin-spin
change
les intervalles de leurscomposantes.
Lescalculs
de Houstonnet
s’appliquent
plus.
Nous devonsadopter
un hamil-tonienplus complet
déduit des travaux de Breit[7]
et utilisé par Araki[8]
dans son calcul de la structurefine. Il faut d’ailleurs remarquer
que
les trois termesprincipaux
de laperturbation
due auxspins
ontdéjà
été donnés en1926
parHeisenberg [9].
Araki a, lepremier,.
obtenu des résultatsthéoriques
coïn-cidant,
àquelques
centièmesprès,
avec les mesuresspectroscopiques,
enpartant
de fonctions d’ondestenant
compte
de larépulsion électrostatique
et en nenégligeant
pas lesintégrales d’échange
des termesperturbateurs.
Mais il s’est arrêté à la détermina-tion des niveauxd’énergie
en l’absence dechamp
magnétique
extérieur 3e. Sontravail,
prolongé
jusqu’à
la détermination des fonctions d’onde d’ordrezéro,
au sens de la théorie desperturbations,
per-mettra de calculer l’intensité des raies d’inter-combinaison. L’étude de ladécomposition
magné-tique
des niveaux dans unchamp
oe,déjà
effectuée dans le- casparticulier
âe2SPO,1.!
[10]
donneral’effet Zeeman de ces raies.
Pour les six termes du
hamiltonien,
nousadoptons
en gros les notations d’Araki(indices i
et 2 pourchaque
électron)
r, vecteur
position
r12 rl - r2;
1,
momentorbital;
V,
opérateur gradient,
d,
opérateur
deLaplace :
p,
magnéton
deBohr;
406
s,
spin;
1H,
hamiltonien dusystème;
H -
Ho
+Hi
-E-H2
+H3
u-H4
+Hs.
a. Partieprincipale
:»b. Interaction
électrostatique
et correction rela-tiviste :c. Interaction
spin-orbite
propre :d. Interaction
spin-orbite
mutuelle :e. Interaction
spin-spin :
.f.
Interaction avec lechamp magnétique appliqué :
La difficulté et la
variété
des calculs concernant l’hélium vient de ce queHl
n’est pas d’un ordre degrandeur
inférieur àHo.
C’estpourquoi
on cherche à tenircompte
leplus
possible.
de l’interactionélectrostatique
dans lapartie
spatiale
des fonctions d’onde avant même tout calcul deperturbation.
Ce sont des fonctions d’Araki dont nous nousservirons,
mais comme nous n’avons besoin que deséléments de matrices
déjà
calculésnumériquement
par ce, mêmeauteur,
il est inutile de lesreproduire
ici. Nous lesdésignons
parFnim
(1, 2)
ouFnlm
(2, 1)
suivant que
l’électron 2
ou l’électron 1 est excité.L’intégrale d’échange
de
Hl
estdésignée
par K
et sonintégrale
directe parJ,
lessingulets
ont engros
l’énergie
Eo
+
J+
K,
lestriplets
Eo
+
J - K. Il ne seraplus question
de lapartie
communeEo+J
qui
n’intervient pas dans la suite.Les
fonctions
despin
serontdésignées
par ocet g
avecAraki utilisait les combinaisons
suivantes,
qui
sont fonctions propres de l2 =
(1
+ l2)2,
L, s ;
;Nous
prendrons
plutôt
unereprésentation
où12, j2
et jz
sontdiagonaux,
car elle convient dansl’approxi-.
mation du
couplage
Russel-Saunders réalisé ici presque exactement. Nous poserons en normant les fonctions de base(Dl, partie
principale
de la fonction d’onde dessingulets,
appartient
aux valeurspropres j = l,
jz
=m, s = o.
(D2, 4D3,
(D4, appartenant
aux valeurspropres j
= 1+
I, l, l -
i,jz
ü m, s = 1, formentles
parties
principales
des fonctions d’onde destriplets.
Araki obtient
l’équation
séculaire en calculantles éléments de matrices
hij
deHi
+ H2 + H3 -1.
H4.
Leshij
sontexprimés
avec l’unitép2r-8
définie parSauf pour les états
2P,
l’intégrale
estprise
égale ,
à la valeurapprochée
Pour les
états 2P,
on trouve dans un travail deSugiura
[11] la
valeur suivante obtenue à la suit d’uneintégration
numérique,
Pour les états
3D,
l’application
de la formule(3)
nous fournit l’unité
Dans
l’expression
deshij
interviennent :a. les
intégrales
directes deH2
contenant Z enfacteur ;
b. les
intégrales
d’échange
deH2
contenant unc. les
intégrales
directes deH3
contenant unfacteur i ;
d. les
intégrales d’échange
deH3
contenant’ unfacteur
i’;
e. les
intégrales
directes etd’échange
deH 4
qui
se rassemblent en. une somme contenant lesfacteur -o + -n.
Z’, , i’,
n,n’
serontempruntés
au Mémoired’Araki lors des
applications’ numériques.
Nous donnons un nom aux combinaisons
sui-vantes,
qui
interviennentfréquemment :
Les éléments
hy
sont alors :Quand
on utilise les fonctions(1)
au lieu desfonctions
d’Araki,
on trouve des éléments de matricequi’ se
calculent aisément en fonction deshij
et ont uneexpression
beaucoup plus simple. Cependant,
on verraplus
loin que les fonctionsd’Araki,
àpeine
modifiées,
restent intéressantes pour l’étude de l’effet Zeeman. Dans le cas où H = o, si l’onpart
des fonctions
(1),, l’équation
séculaire s’écrit sousune forme
permettant
de la résoudre immédiate-mentElle admet les racines
indiquées
par Ataki-En
négligeant
lemélange
destriples
et dessingulets,
c’est-à-dire le terme-Vl(l + I)ZI’ on
trouve comme racinesau lieu de E,
et E3.
Cela revient àdévelopper
ê, et63
suivant lespuissances
décroissantes de K et à s’arrêter au second terme. Plusprécisément
3. Intensité des raies d’intercombinaison. 2013
Les fonctions d’onde d’ordre
zéro,
au sens de lathéorie des
perturbations,
sont des combinaisons linéairesdont les coefficients sont déterminés par les.
équa-tions
Pour E = E2 seul CI est différent de zéro. Pour
E = E4 seul C4 est différent de zéro.
(D,
et(D4
restent due bonnes fonctions d’ondequand
on tientcompte
de la
perturbation.
Aucontraire,
pour E = Ei et E =E3 les fonctions d’onde
singulet
ettriplet
semélangent.
Mais seuls les états de même nombrequantique i
sont intéressés.Quand 2K
est assezpetit,
on trouve lesexpressions
suivantes des fonc-tions d’onde :408
d’onde est-il
plus important
pour les seconds que pour lespremiers.
C’est ce que montre le tableausuivant,
calculé àpartir
des résultatsnumériques
, d’Araki :Évaluons
lesgrandeurs
caractéristiques
des tran-sitionsqui
font passer l’atome des états nA de nombrequantique
orbital 1 aux états n’A’ de nombrequantique
l’. On aindiqué
schématique-ment sur lafigure
i en traitspleins
les transitionsnormales,
sousréserve
que lesrègles
de sélection soient satisfaites eten
pointillés
lesintercombinaisons .
Fîg. 1. - Raies d’intercombinaison et raies permises voisines
possibles.
Les niveaux sont numérotés1,
2,
3,
4 etl’, 2’,
3’,
4’ suivant lapartie
principale
des fonctions d’ondecorrespondantes (1).
Le niveau 1 est le niveausupérieur
desingulet,
le niveau 2 est le niveau detriplet
de nombrequantique
j = 1 +
r, . -...D’après
la forme des éléments de matrice de r nousdistinguons
deux groupes d’intercombinaisons :celles
qu’on
peut
comparer immédiatement à des transitions normalespartant
du
même niveau et cellesqu’on
peut
comparer à des transitionsnor-males aboutissant au même niveau. Il existe en’ apparence une
catégorie mixte,
maiselle
se ramèneen
pratique
à l’un des groupesprécédents.
Premier groupe 2 --> l’ et 4 --> l’. -
Les expres-sions suivantes résultent de
(8) :
,Deuxième groupe
Les transitions 3 ---> l’et 1--> 3’ se ramènent à l’un ou
l’autre
de cestypes
suivant les ordres degrandeurs,
sûrementdifférents,
dez1
et2 ZK’1 f.
En2K 2K’
effet,
d’après
la forme(8)
des fonctionsd’onde,
on a, ennégligeant
le secondordre,
Dans ces
expressions
l’un des termes estnégli-geable
parrapport
à l’autre.Application
aux transitions 3 D - 2 P.Les
règles
de sélectionsur j
limitent àquatre
le .
nombre des intercombinaisons
possibles.
Les valeursnumériques
sontempruntées
au tableau(9) :
Comparons
avec les résultatsexpérimentaux
de J. Brochard[12]".
Le rapport
desprobabilités
de transition pour les raies 31D --->23Pl,2 (5 874,48
À)
et 31D --> 21p(6 678, 15
A)
est R =,3. I0-4.Repas;
sons aux éléments de matrice de r. Avec nos
nota-tions,
le résultat de Brochard se traduit parOr,
nos formules donnentet
D’après
un mémoired’Hylleraas [13]
lasomme
1
rn.>, j2 ’+ ) rj,,, )2
est
égale
à 18,95 a2,
tandis quei
ru’ 2
=24,27
a2. On en conclut :L’accord entre la théorie et
l’expérience
ests excellent.Brochard examine ensuite le cas de la raie
33D, ,
2013> 21P. Il trouve1,8. 10-4
commerapport
de son intensité à celle de 31D - zlP. Les formules
théoriques
montrent que seule intervient enpra-tique
lacomposante
33D,
--> 21P. Nous admettonsque les niveaux
33D2
et31D2,
de mêmepoids
409
peuplés.
Comme lesfréquences
sontpratiquement
les mêmes pour les deuxraies,
lerapport
des inten-sités estégal
aurapport
des carrés des éléments des matrices. On trouve doncici,
d’après
les formulesthéoriques
2,53.IO-i.
L’accord avecl’expérience
est encore
suffisant,
étant donné les incertitudes.4. Eff et Zeeman. - Si un
champ
magnétique
extérieur ce est
appliqué,
le hamiltoniencomprend
le termesupplémentaire
H5
qui
s’écritaussi
L’énergie
additionnelle,
rapportée
à l’unité[1.2 r-3,
estmultiple
de laquantité
.Dans la
diagonale
principale
lesigne
+corres-pond
àmj = - 1 et le
signe
- âmj=+l.
Numériquement,
si k estexprimé
en gauss,L’opérateur
H5
lève ladégénérescence
en Miquand
elle existe. Considérons le groupe des états de nombrequantique
orbital 1. Il existe un seulsous-niveau de nombre
quantique
mj = 1 + 1 etun seul de nombre
quantique
mj = - 1 - i.
Ces sous-niveaux
appartiennent
à l’étattriplet
de nombrequantique i = l + i.
Leurs
positions
sont données parPour
mj
= ± 1 ladégénérescence
initiale estd’ordre
3,
car l’état de nombrequantique j = l - I
n’intervient pas.
L’équation
séculaire est la sui-vante :Enfin
pour ; 1 mi:
l
- 1, ladégénérescence
initiale est d’ordre
quatre
et il faut résoudre en ,principe
l’équation
séculaire duquatrième
degré :
Dans la
pratique,
seule la structure fine destriplets
P est suffisante pour que l’effet Paschen-Back des sous-niveaux ne soit pastoujours
total. Elle est d’autrepart
assezpetite
devant la dis-tancetriplet-singulet
pour que les deuxsystèmes
de termespuissent
êtreregardés
commeséparés.
Les
équations
(10)
et(11)
sont solublesplus
aisé-ment,
puisqu’on
peut
négliger
leterme - vi
(1+I)Zp
Les solutions sontindiquées
dans lapublication
[10].
Ontrouve,
pourmi - -1- 1 =7’- i ,
et
Quant
àl’équation
du troisièmedegré,
qui
sedéduit de
(11)
et donne ladécomposition
dutri-plet
pour m; = o, leplus
commode est de la résoudrenumériquement.
Pour les états D
et,
plus généralement,
pour les états de nombrequantique
orbitalsupérieur
à i,l’effet Paschen-Back est
total,
car l’écart Zeemannormal est très
supérieur
à l’écart de structure fine pour les valeurs dechamp
ae utilisées enpratique.
Sauf pour les états P à effet Paschen-Back
partiel,
les
bonnes
fonctions d’onde enapproximation
410
Elles sont fonctions propres de la
partie
impor-tante
Ho +-Hi+
H5
du hamiltonien et appar-tiennent aux valeurs propres E+ K +
mw ;E - K + (m + I) w;
E - K + mw;
E-K+ (m-I)w.
Les interactions
H2, H,, H4
se rassemblent en une somme 8Hqui représente
unepetite
perturbation.
D’après
la théoriehabituelle,
les fonctions(12)
doivent être
complétées
par des termes dupremier
ordre en 8H. Elles deviennentEn
particulier,
la fonction d’onde dusingulet
s’écritSi M est
petit
devant2K,
on retrouvel’expres-sion
(8),
comme on le voit enrapprochant
(1),
(8)
et
(12).
Si w est de l’ordrede 2 K ,
il existe
une sortede distorsion
qui
se traduira par unedissymétrie
de l’effet Zeeman. Enfin
(13)
devient tout à fait faux si m est du même ordre que2K,
c’est-à-dire si laséparation
magnétique
est du même ordre que la distancesingulet-triplet.
Nous
étudions,
enparticulier,
la transition3’D
23 Pl.2. En présence
d’unchamp
de 7
ooo gaussle
nombre j
n’estplus
un bon nombrequantique.
C’est
pourquoi
il faut écriresimplement
dans ce cas 31D - 23P. Ladécomposition
magnétique
de 23 Pse déduit du
graphique
de lapublication
[10].
Unchamp de 7
020 gausscorrespond
à la valeursimple
W2P = 2,que nous
adoptons.
Laposition
des neuf
sous-niveaux,
comptée
àpartir
de laposition
invariable du centre degravité
dutriplet
est la suivante :Pour 31D la
décomposition
estnormale,
lescinq
sous-niveauxayant l’équidistance
o,33
cm-1.L’expression (13)
convient pour les fonctionsd’onde,
car 2 K
= 46o
et W:3J) =46.
D’après
les résultats duparagraphe
3,
lemélange
des fonctions d’onde dusingulet
et dutriplet,
responsable
del’intercombinaison,
n’est sensible que pour les états D. Pour23P,
on obtiendra les foncions d’onde enprenant
la forme(12),
si l’effet Paschen-Back esttotal,
ou en faisant unerésolu-tion
numérique
si l’effet Paschen-Back estpartiel.
Les calculs se déroulent ensuite comme tous les calculs d’effet Zeeman et ne seront pas
reproduits.
Les résultats sont les suivants :Les
aspects
de l’effet Zeeman sontindiqués
surles
figures
2 et 3.’
Fig. 2. - Schéma des transitions dans l’effet Zeeman
de 31D ---> 23P pour un champ de 7 o2o gauss. En traits
Comparons
àl’expérience.
L’observation est trèsdifficile,
car la raie d’intercombinaison se situe dans lepied
de la raie intense 33D - 23P. Dans unchamp
de 7
o0o gauss, onaperçoit
deux maxima d’inten-sité à peuprès
symétriques
parrapport
à laposition
initiale en l’absence dechamp,
et ceci aussi bien pour lescomposantes 1!
que a. L’écart estplus
grand
pour les secondes que pour lespremières.
Qualitativement,
l’aspect
est celui quedonnerait
unrayonnement
quadrupolaire.
Et d’ailleurs enobservation
longitudinale
l’écart entre les compo-santes circulairementpolarisées
de sens inverse est de l’ordre de l’écart propre à ce mode de rayon-nement non forcé. C’est cequi
a’amené J. Brochard et P.Jacquinot [5],
[12]
àannoncer
qu’ils
n’avaient pas affaire à unrayonnement
dipolaire.
Mais les schémas desfigures
2 et 3 leurayant
étésoumis,
ils ont
estimé,
dans une communicationorale,
que les calculs
théoriques paraissent
bien d’accordavec leurs
expériepces.
En effet :a. Les
composantes
voisinesprévues,
aussi bien 7rque (j,
s’agglomèrent
en deux groupes nonrésolus,
cequi
rend biencompte
des maxima d’intensité.b. Les écarts des
maxima,
en observationtrans-versale,
sontinférieurs,
d’après
un nouvel examen, à ceux que donnerait unrayonnement
quadru-polaire,
et sont de l’ordre des écartsprévus
théori-quement.
En
résumé,
les interactionsspin-orbite
etspin
spin
tellesqu’elles
sont écrites actuellement rendent suffisammentcompte
des intercombinaisons obser-vées.Remarquons
enfin,
que les effets Zeeman des raies d’intercombinaison sont tout à faitparti-culiers. Pour 31D -->
2SP,
c’est l’intervention de l’état33D2
dans l’état 31Dqui
est cause de la transi-tion. Onpourrait
donc s’attendre à une certaineressemblance avec l’effet Zeeman de
33P
--., 23P.Fig. 3. - Effet Zeeman de la raie 3’D --> 23P
dans un champ de 7 020 gauss.
Il n’en est
rien,
car pour ce dernier l’effet Paschen-Back des états 33D estpratiquement réalisé,
tandis- que
pour l’effet Zeeman de la raie d’intercombinaison la fonction d’onde intervenant dans le calcul reste celle de33D2,
comme dans l’effet Zeemananormal,
quelles
que soient les valeurs duchamp (avec
cependant
la restriction M2 K).
Manuscrit reçu le 9 mai I952.
BIBLIOGRAPHIE.
[1] JACQUINOT P. - C. R. Acad.
Sc., I939, 208, I896. [2] LYMAN Th. -
Nature, London, I922, 110, 278;
Astro-phys. J., I924, 60, II.
[3] BROCHARD J. et JACQUINOT P. - Ann.
Physique, I945, 20, 509.
[4] BROCHARD J., JACQUINOT P. et PLUVINAGE P. 2014 C. R,
Acad. Sc., I945, 220, 38.
[5] BROCHARD J. et JACQUINOT P. - C. R. Acad. Sc., I946,
223, 507.
[6] HOUSTON W. V. -
Phys. Rev., I929, 33, 297.
[7 BREIT G. - Phys.
Rev., I929, 34, 553; I930, 36, 383; I932, 39, 6I6.
[8] ARAKI G. - Proc.
phys. math. Soc. Japan, I937, 19, I2. [9] HEISENBERG W. - Z. Physik, I926, 39. 499.
[10] HORNECKER G. et PLUVINAGE P. - C. R. Acad.
Sc,,
I952, 234, I438. [11] SUGIURA Y. - Z.
Physik, I927, 44, I90.
[12] BROCHARD J. - Ann.
Physique, I95I, 6, I08.
[13] HYLLERAAS E. A. - Z. Physik,