HAL Id: jpa-00234621
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Submitted on 1 Jan 1952
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Mesure de l’intensité des bandes d’absorption infrarouge
dans les spectres de vibration-rotation
M.-L. Grenier-Besson, M. G. Amat
To cite this version:
-r
451.
MESURE DE
L’INTENSITÉ
DES BANDES D’ABSORPTION INFRAROUGEDANS LES SPECTRES DE VIBRATION-ROTATION Par Mme M.-L. GRENIER-BESSON et M. G. AMAT.
Sommaire. -
L’absorption infrarouge de l’iodure de méthyle gazeux a été étudiée dans la région
de I,6 03BC, en fonction de la pression, de la longueur de cuve et des largeurs de fentes, afin de définir, dans le cas des bandes de vibration-rotation, les conditions d’application d’une méthode de mesure des
intensités des bandes d’absorption infrarouge,
précédemment
utilisée dans le cas des bandes de vibra-tion des liquides.JOURNAL pE PHYSIQUE
13,
1952,
La
présente
étude fait suite auxrecherches
sur les intensités des bandesd’absorption
duspectre
devibration des
liquides [1],
effectuées au Laboratoired’infrarouge
du P. C. B. Ces recherches avaientpermis
de définir une méthode de mesure des inten-sités des bandesd’absorption infrarouge’,
utilisablelorsque
ladispersion
relative duspectrographe
estfaible pour la bande
étudiée,
plus précisément lorsque
la
largeur
desfentes
spectrométriques correspond
àun intervalle
spectral
du même ordre degrandeur
que celuioccupé
par la banded’absorption
considérée. L’étude des bandes de vibration desliquides
aumoyen
d’unspectrographe
àprisme,
depouvoir
dispersif
faible en valeurabsolue,
constituait ’unpremier
domained’application
de cette méthode de mesure. Un secondchamp
d’application
est fourni par la structure fine des bandes devibration-rota-tion,
étudiée au moyen d’unspectrographe
à réseau. C’est pourpréciser
cettepossibilité
que nous avonsétudié,
en fonction de lapression,
de lalongueur
de cuve et de lalargeur
defente,
l’absorption
de l’iodure deméthyle
auvoisinage
de1,6 li.
1. Introduction
théorique.
- DÉFINITION DEL’INTENSITÉ. - La loi de Beer-Lambert
permet
dedéfinir,
pour une substancedonnée,
un coefficientd’absorption
E(v),
qui
nedépend
que de lafré-’ quence v
de la lumière incidente :[io(v), énergie
incidente; it
(v),
énergie
transmise par le gaz étudiésous
lapression
p;1,
longueur
de la cuved’absorption.]
L’intensité a- d’une bande
d’absorption
est alors obtenue enintégrant
ce coefficientd’absorption
pour toutes lesfréquences
appartenant
au domainespec-tral,
de bornes vl, v2,occupé
par la bandeconsi-dérée
Cette définition de l’intensité suppose évidemment
que la loi de Beer-Lambert est
appliquable,
cequi
exige,
enparticulier,
que lesénergies i (v)
corres-pondent
à une lumièremonochromatique
de fré-quence v.Or,
lorsque
le monochromateur estréglé
pour unefréquence
Vi, lerécepteur reçoit,
enfait,
uneénergie complexe
e(Vi),
qui
né
correspond
pas à unefréquence
déterminée,
mais à un intervalle defréquences
dontl’amplitude dépend
de la bandespassante
dumonochromateur,
c’est-à-dire dupouvoir
de résolution duspectrographe.
Ilimporte
donc . d’étudier l’influence dupouvoir
derésolution,
defaçon
àcalculer,
àpartir
desénergies
expérimen-tales eo (vi),
et(si),
lesénergies théoriques
io (v), it
(v),
qui correspondraient
à unpouvoir
de résolution infini etauxquelles
la loi de Beer-Lambert seraappli-cable.
Soient
1
(v)
etI, (v),
lesréponses
théoriques
duspectrographe,
c’est-à-dire lesélongations
del’enre-gistreur
ou dugalvanomètre, correspondant
auxénergies théoriques
monochromatiques
it (v)
eti o (v).
Nous admettrons que l’onpeut
écrirela fonction z
(v)
nedépendant
que de lafréquence
et étantcaractéristique
de la courbe deréponse
énergétique
durécepteur
et dusystème
amplifi-cateur. La loi de Beer-Lambert est
évidemment
applicable
à cesréponses théoriques
1 t (,,)
etIo (v) :
Nous
désignerons
parEo (si)
et,Et
(vi)
lesréponses
expérimentales, correspondant
auxénergies
eo(vi)
et et(vi)
et nous poseronsINFLUENCE DU POUVOIR DE RÉSOLUTION. - La
relation entre E
(Vi)
et I(v)
peut
être formulée facilement en utilisant les fonctions de distributionintroduites par Dennison
[2]:
-Les trois facteurs limitant le
pouvoir
de résolutiondu
spectrographe
et déterminant la forme de lafonction p
(vi,
v)
sont :452
la
diffraction;
les aberrations du
système
optique;
lalargeur
des fentes d’entrée et de sortie.Nous admettrons que les deux
premiers
facteurs sontnégligeables
devant letroisième,
cequi
sera d’autantplus
valable que les fentes utilisées serontplus
larges.
Dans ces
conditions,
la fonction de distributioncorrespondant
à l’influence de deux fentes de mêmelargeur
f,
est la fonctiontriangulaire,
dont la défi-nition est la suivante(1) :
Fige.
Nous
désignerons
pard (= v2 - v1)
lalargeur
à la base de la bande
d’absorption,
c’est-à-direl’amplitude
du domainespectral
à l’intérieurduquel
l’absorption
a une valeur nonnégligeable
et par v"tla
fréquence correspondant
au maximum del’absorp-tion.
Lorsque
f >
d,
onpeut
écrire2
ou
plus
simplement :
Cette relation se déduit immédiatement des
équa-tions
(3)
et(4),
dans le casparticulier
où10 (v)
estune constante et où la courbe
représentant
lesvaria-tions
de t
parrapport
à v admet un axe desymétrie.
Onpeut
montrerqu’elle
est encore valable dans le casgénéral, à
condition que lapente
et la courbure deIo (v)
ne soient pastrop
grandes,
ni ladissy-métrie de la bande
trop
accusée.La relation
(5)
permet d’obtenir,
sansintégration,
l’absorption
totaleOn mesure, pour différentes valeurs de
J,
l’absorption
relativeEam
correspondant
à lafréquence
vm.Eom
La courbe
représentant
les variations parrapport
à f de
Eam
12
est,
pouri
> 2 d )
une droite depente
AE0m
2(fig.
I ).
Lorsque
i
tend verszéro,
cette courbe est évidemment osculatrice àl’origine
à laparabole
représentant
les variations deIam
f2.
Iom MESURE DE L’INTENSITÉ. -Lorsque
p ou 1 tendent verszéro,
l’expression
A
tend versl’inten-Pl
sité 03C3 Il suffira
donc,
pour obtenir l’intensité d’unebande,
de mesurer, comme il vient d’êtredit,
l’absorp-tion totale
A,
pour différentes valeurs de p et de1,
A
puis d’extrapoler
les valeurs deA
pourpl
= o.pl
Si nous posonsles
équations (1), (2)
et(5)
permettent
d’écrireSi l’on
porte
sur trois axes decoordonnées,
respec-tivementles
grandeurs
pl,
J,
Eam
f2pl
l’équation
Eom Pl
précédente
est( pour
i
> d)
celle d’une surface2
(1) Dans tout ce paragraphe, f sera supposée exprimée avec
réglée 1
qui, lorsque pl
tend verszéro,
se raccorde à unparaboloïde hyperbolique.
2.
Étude
expérimentale
del’absorption.
-DESCRIPTION DU SPECTROGRAPHE. - Les
mesures
ont été effectuées au moyen d’un
spectrographe
dont lapartie optique
comporte
les éléments suivants :une source constituée par une
lampe
à filamentspiralé, 12
V, 45 W,
légèrement
survoltée;
un collimateur à lentille de verre
achromatisée,
de 100 cm de distancefocale;
un réseau de Rowland
(48
X 80mm),
à 5684
traits /cm,
utilisé dans leprèmier
ordre;
un collimateur
identique
auprécédent;
un
récepteur
constitué par une celluleau
sulfure deplomb
évaporé,
non refroidie.La tension aux bornes du
récepteur,
amplifiée
etredressée,
est-appliquée
à ungalvanomètre
dontl’élongation
estenregistrée
surpapier
photogra-phique
en fonction de lalongueur
d’onde. Le sys-tèmeenregistreur
est celui décrit par Lecomte[3].
Ce
montage
a étél’objet
desétalonnages
suivants : a.Êtalonnage
enfonction
de lafréquence.
Disper-sion. -L’étalonnage
enfréquences
a été effectué dans larégion
de 6 ooo cm-’ en utilisant lespectre
de vibration-rotation de l’iodure deméthyle,
comme il a étéindiqué
dans uneprécédente
publication
[4].
Il apermis
de déterminer ladispersion : i
mm sur lepapier
photographique
correspond
à un inter-valle de1,4 cm-l
dans larégion spectrale
étudiée. Cette valeur de ladispersion
est en bon accord avec celle que l’onpeut
déduire des donnéesoptiques
duspectrographe :
soit dvcm-1,
un intervalle defréquence correspondant
à unangle
de rotation dm du réseau etoccupant
unelongueur
dl(mm)
sur lepapier photographique.
Onpeut
écrire[03BB,
longueur
d’onde(en microns);
n, nombre de traits du réseau parcentimètre;
i eti’,
angles
de la normale au réseaurespectivement
avec le rayonincident et le rayon
diffracté].
Lerapport dl
se déduit descaractéristiques
dusystème enregistreur.
b.Vérification
de la*linéarité
de laréponse
duspectrographe.
- Nousavons
mesuré,
sur ungrand
nombre despectres,
l’absorption
relativeEa
pourEo la
première harmonique
de vibration C-H du chloroforme en solution dans le tétrachlorure decarbone,
à 1,7 [M. Ces mesures ont été effectuées pourdes valeurs constantes des
largeurs
de fentes et de la concentration. Nous avons vérifié quel’absorption
relativeEa
étaitindépendante
deEo,
lorsque
laEo 0
valeur de
,Eo
variait dans d’assezlarges
limites.c.
Étalonnage
deslentes
d’entrée et
de sortie.-La
largeur
de la fente d’entrée restantconstante,
laréponse
duspectrographe
a été mesurée pourdifférentes
largeurs
de la fente de sortie. Lesélon-gations
del’enregistreur
ont étéportées,
sur lafigure
2, en fonction du nombre de divisions du tambourgradué
permettant
d’ajuster
la fente. Unétalonnage
identique
a été effectué sur la fented’entrée. Ges
étalonnages
ontpermis
de confirmer la linéarité de laréponse
duspectrographe,
de véri-fier lagraduation
des fentes et d’en déterminér le zéro vrai.Fig. 2.
d.
Influence
de la lumièreparasite.
-- Lerayon-nement reçu par la cellule
comprend
la lumièrecorrespondant
aupremier
ordre de diffraction du réseauqui,
seule,
interviens - dans lephénomène
d’absorption
pour larégion spectrale
étudiée et la lumièrecorrespondant
aux ordressupérieurs
du réseau. Deplus,
par suite des réflexions sur lesdifférentes surfaces rencontrées par le faisceau
lumi-neux et de sa diff usion par les divers milieux
qu’il
traverse,
une certainequantité
de lumièreparasite
atteintégalement
lerécepteur.
Unedétermination
correcte desénergies
lumineuses intervenant dans lephénomène d’absorption
suppose que les valeursexpérimentales
aient étécorrigées,
defaçon
à tenircompte
de ces deux effets. Nous verronsplus
loin que la correction est, enfait,
négligeable,
étant donnée laprécision
des mesures.PRINCIPE DES MESURES. - Les
mesures
d’absorp-tion ont été faites sur le
spectre.
de l’iodure deméthyle,
dans larégion
de lapremière
harmo-nique (n
=2)
de la vibration de valenceC-H,
à1,6
M. On observe(fig.
3)
une bandeparallèle
intense
(a),
encadrée par deux ensembles de bandes :une
perpendiculaire
(b),
uneperpendiculaire
et uneparallèle
enchevêtrées(c).
Les bandes454
branches
Q
fines et nettementséparées (2),
surlesquelles
nous nous sommesproposé
d’effectuerdes mesures d’intensité absolue.
Fig. 3. -
(L’intervalle séparant deux bandes de rotation consécutives est égal à 12 cm-1. )
l’absorption,
nécessite troisenregistrements
relatifsrespectivement
à la transmission de la cuve vide(CI)
Fig. 4.
à celle de la cuve contenant de l’iodure de
méthyle
sous unepression
connue(C2)
et au zéro del’appareil
(obtenu
enmasquant
lasource) (Co).
Lacomparaison
des
enregistrements
Cl
etC2
montre que les bandes de rotation se détachent sur un fondd’absorption
continu. Le fait que les courbesCl
etC2
se confondent depart
et d’autre de la bande de vibration-rotation sembleindiquer
que ce fond est dû à des raies nonrésolues,
appartenant
aux branches P et R dessous-bandes,
plutôt
qu’à
unphénomène
de diffusion dans la cuved’absorption.
Dans ces
çonditions,
il est clair que l’on doitprendre,
comme valeur deEallH
la différence entre deux ordonnées mesurées sur ’ la courbeC2 :
l’unecorrespondant
au maximum del’absorption
et l’autre auxpaliers
observés entre deux bandes derotation consécutives
(fig.
4).
La valeur de
Eom
sera mesurée entre le zéro et la courbeCl.
Une déterminationrigoureuse
deEoil,
exige
que l’on tiennecompte
de la lumièreparasite
atteignant
lerécepteur.
Pour évaluer cettecorrec-tion,
nous avons utilisé un filtre constitué par une cuve contenant du chloroformeliquide,
sous uneépaisseur
telle quel’absorption
soitpratiquement
totale pour larégion
de 1,7 P.(première harmonique
de la
vibration,
C-H)
etnégligeable
pour larégion
de0,9 fJ- (troisième harmonique
de la vibrationC-H).
Onpeut
admettrequ’un
tel filtre absorbecomplète-Fig. 5.
ment la
lumière
correspondant
aupremier
ordre du réseau et laissepasser celle
qui
correspond
aux ordressupérieurs,
ainsi que la lumièreparasite
due aux réflexions et à la diffusion. Nous avonsenregistré
lespectre
de l’iodure deméthyle
en intercalant sur_ letrajet
du faisceau lumineux le filtre décrit ci-dessus. Onpeut
voir( fig.
5) que
lepalier
(Co) correspondant
àl’absorption
maxima du filtre n’est pas confondu avec le zéro(Co). Eorn correspond
théoriquement
à la différence d’ordonnées entre les courbesCo
etCI (fig.
4).
Pratiquement,
étant donnée la.précision
sur, Eam ,
Eom l’erreur commise en mesurantEom
entre
Co
etCi
estnégligeable.
Laproportion
très faible de lumièreparasite
s’explique
facilement : , ’a. La
réponse
énergétique
durécepteur
décroîtrapidement
vers les courteslongueurs
’d’onde.b. Un
système
dediaphragmes
réduitconsidéra-blement l’influence de la lumière diffusée. MODE OPÉRATOIRE. - En vue
de comparer commodément les
spectres
correspondant
à diffé-rentes valeurs de lapression,
nous les avonsenre-gistrés
sur un mêmepapier
photographique
(y
compris
celui relatif à la transmission de la cuvevide)
( fig.
6).
Cesspectres
ont été réalisés pour un même sens de rotation du réseau afin d’éviter lesdécalages
dus aujeu
des engrenages. Entre deuxspectres
consécutifs,
un zéro étaitenregistré,
lasuperposition
de ces différentsenregistrements
du zéropermettant
de s’assurer de la stabilité dudispositif.
Ces
opérations
successives nécessitant untemps
assez
long,
nous avonspréféré,
au lieu d’utiliser la totalité de la bande de vibration-rotation de lafigure
2, n’en utiliserqu’une partie
comportant
quelques
bandes derotation,
ceci afin d’éviter leserreurs dues aux variations accidentelles de l’inten-sité des sources et des conditions de
pression
et detempérature
dans la cuved’absorption.
Celle-ci restait fixe parrapport
auspectrographe
et leremplissage
était obtenu àpartir
d’iodure deméthyle
liquide
contenu dans uneampoule,
par détente très lente de la vapeur dans la cuvepréalablement
vidée. Un manomètre à mercure, encommunication
avec la cuvepermettait
la mesure de lapression qui
était constante à mmprès pendant
la durée d’unenre-gistrement. (Pour
lesplus
fortespressions
utilisées,
soitenviron
300 mm de mercure, laprécision
était moinsbonne,
par suite d’une diffusion sensible de l’iodure deméthyle
à travers le caoutchouc àvide.)
3. Résultats. - Des
enregistrements
analogues
à ceux de la
figure
6 ont été effectués en utilisant deux cuves delongueurs
différentes : 20 et4o
cm, pour diverses valeurs de lalargeur
desfentes,
comprises
entre0,08
et0,6
mm. Nous avons vérifié que, pour une valeur donnée de1, l’absorption
rela-tiveEam
nedépendait
que duproduit pl.
Lasur-Om
face
03A3,
définie parl’équation (6),
a été construite sur lafigure 7
pour une bande de rotationparticu
456
Fig. 7.
Fig. 8.
lière. Les
points
expérimentaux permettent
de tracer deux familles de courbes :correspondant respectivement
à des valeurs cons-tantes def
et depl.
La forme des courbesf pl
est bien celleprévue
par la théorie(fig. I).
L’intensité u est mesurée par la
pente
de la tracede la surface 1 sur le
plan
pl
= o. Onpeut
obtenir u,soit en construisant cette trace
par
extrapolation
pourpl
= o des courbesrf,
soit enextrapolant,
pour
pl
= o , les valeurs del’expression
A
(A
étantPl
mesurée sur les différentes courbes de la famille
rpl)
La valeur
numérique
obtenue àpartir
du dia-gramme de lafigure 7
([03C3]
==I,o4
.10-4
estexprimée
dans le
système
d’unités suivant :longueur
de cuve :centimètres;
pression :
centimètres de mercure;fréquence :
domainespectral correspondant
àune
largeur
de fente de 1 mm.On en déduira aisément la valeur de 03C3 en cm.
mol-1,
à condition de connaître le domainespectral
à v(cm-l)
correspondant
à unelargeur
de fentej,
mesurée en millimètres :(T, température absolue).
Le
rapport
11
a étédéterminé
de lafaçon
sui-vante :
-La
largeur
expérimentale
à la base d’une banded’absorption
estégale
àd +
2 f .
Cettelargeur,
mesurée en millimètres sur lapapier photographique,
pour la bande de rotation considéréeci-dessus,
a étéportée
sur lafigure
9 en fonction def.
Lespoints
représentatifs
définissent une droite dont lapente
et l’ordonnée àl’origine permettent
de déterminerle
rapport 11
et la valeur ded,
connaissant ladisper-dl
sion du
spectrographe dv :
d = 2 mm
( papier
photo ) = o, 8
mm( fente ),
Il faut remarquer,
toutefois,
que leslargeurs
de bandesexpérimentales
sont assez mal définies et les valeursnumériques
obtenues relativement peuprécises.
Diverses vérificationspermettent
cepen-dant d’en confirmer l’ordre degrandeur :
10 La valeur de d est en bon accord avec celle que
l’on
peut
déduire de lafigure 7 ( les
parties
rectilignes
des courbesTpl Eam f2 , f
)
correspondent
à desdes courbes Tnt
Eom
pl
f
correspondent a
des valeurs def supérieures
à d
2
2° La valeur obtenue pour le
rapport
w
peut
êtref
retrouvée au moyen d’un calcul effectué à
partir
des donnéesoptiques
duspectrographe
(y,
distance focale du collimateur enmillimètres).
30 L’observation dans leplan
de la fente de sortie duspectre
d’émission du sodium(correspondant
autroisième ordre du
réseau)
apermis également
de retrouver la valeur obtenue pour lerapport
w
·Il
importe
depréciser,
en conclusion de cetteétude,
les conditionsd’application
de la méthodeutilisée
pour mesurer l’intensité d’une banded’absorption
infrarouge.
Leslargeurs
de fente réalisables sur lespectrographe
doivent,
pour laFig. 9.
bande
considérée,
correspondre
à lapartie
recti-ligne
des courbesrpl Eam Pl, f
de lafigure
7,Eom f2
ce
qui impose
la conditionf >
f.
2
Une limite
supérieure f M
estimposée,
parailleurs,
auxlargeurs
de fente par les trois conditions sui-vantes :10 La
largeur
expérimentale
de la bandedoit
rester inférieure à l’intervalle Lséparant
deux bandes consécutives :2° La fente d’entrée doit être suffisamment étroite pour que son éclairement
puisse
être considéré comme uniforme.30 La valeur de
f
doit être suffisamment faible pour que laprécision
sur resteacceptable.
Ce travail a été effectué sous la direction de
M. P.
Barchewitz,
àqui
nousexprimons
notre très vivegratitude.
- Manuscrit
reçu le 28 mai 1952. BIBLIOGRAPHIE.
[1] AMAT G. - C. R. Acad.
Sc., I95I, 232, I752; I95I, 233, 372; Thèse de Doctorat ès Sciences physiques, Paris, I95I.
Nous renvoyons à ce travail pour les développements
théoriques résumés dans la première partie de cet
article, ainsi que pour la bibliographie relative aux
méthodes de mesure des intensités et à l’influence du
pouvoir de résolution. [2] DENNISON. -
Phys. Rev., I928, 31, 503.
[3] LECOMTE J. - C. R. Acad. Sc., I933, 196, I0II.
[4] Mmes GRENIER-BESSON M.-L. et MATHIS-NOËL R. 2014