Analyse de la fluorescence et du pouvoir rotatoire magnétique de la vapeur de sodium

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Submitted on 1 Jan 1907

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magnétique de la vapeur de sodium

R.W. Wood, L. Bloch

To cite this version:

R.W. Wood, L. Bloch. Analyse de la fluorescence et du pouvoir rotatoire magnétique de la vapeur de

sodium. Radium (Paris), 1907, 4 (3), pp.118-122. �10.1051/radium:0190700403011801�. �jpa-00242230�

vibration normale au champ, ^{un doublet, il devrait} d’après ^la théorie exister dans le spectre ^extraordi- naire unc bande possédant ^une longueurs ^{d’onde com-} prise ^{entre les} longueurs d’onde des deux composantes du doublet. Cette conclusion n’est pas ^vérifiée pour certaines bandes du xénotime.

Dans la suite du présent ^{travail, nous étudierons}

l’action de la température ^{sur les} phénomènes d’absorption. ^{A la} température ^{de l’air} liquide ^les

bandes présentent ^{une netteté et une inten,ité tout à}

f’ait remarquables, ^{et en} général ^{se résolvent en} plu-

sieurs composantes, ^{Nous verrons} que la periode ^du

mouvement propre des électi-oiis ^et que les change-

rnents de periode ^{so2es l’action du} champ ^ne

se1nblent _pas influencés paî- la te1npérature, ^mais

que l’arnortissenlent D’ proportionnel ^{à la résistance} qu’éprouvent ^les corpuscules ^en vibration, ^résistance qui semble due ^à l’action mutuelle des molécules, aug-

mente et diminue en 1nênle tenlps que ^la temperature.

Ce phénomène ^nouveau, d"ailleurs absolument

indépendant ^des propriétés magnéto-optiques, permet de constater qu’un grand nombre de bandes sont

multiples, ^{et cette} comlalexité ^{de bandes} qui parais-

saient simples ^{à la} température ^ordinaire permettra, je pense, ^de justifier certaines anomalies observées pour les iiiodificatiotis dans le champ magnétique.

Toutefois les dernières observations _que j’ai ^faitcs,

avec les cristaux plongés dans l’air liquide, ont ^donné

des résultats _{que la} théorie, ^{sous la forme} précé- dente, ^est certainement impuissante ^à expliquer. ^Ainsi

la bande 522,15 ^dansle spectre ordinaire ^{du xénotime,}

bande qui ^reste unique ^{à la} température ^{de -190°}

donne sous 1 action d’un champ magnétique ^{normal au}

faisceau et a l’axe optique ^et pour la vibration normale

au champ, ^un triplet formé ^{de lieu}

composantes

ftès for’les ^{et très} rapprochées ^{et d’une} cornposanfc faible. ^Ce type de nlodification montre la nécessité d’une théorie plus générale.

Je pense d’ailleurs qu’en appliquantau ^cas des corps

non isotropes ^des équations analogues a ^celles qui ^ont permis a ^M. Voigt ^de généraliser la théorie du phéno-

mène de Zeeman, ^on pourrait également ^rendre compte des effets plus complexes ^{observés dans les cristaux.}

(A suivre.)

Analyse ^{de la} fluorescence ^et du pouvoir

rotatoire magnétique ^{de la vapeur de sodium}

Par R. W. WOOD1,

Professeur de physique expérimentale ^à l’Univesrsité de Baltimore.

Mémoire résumé par L. ^BLOCH.

LES lecteurs de ce journal connaissent déjà’

^en partie ^les remarquables recherches de Wood

sur les propriétés optiques ^{de la} vapeur de ^so- dium. Ces recherches viennent de faire l’objet ^d’un

mémoire d’ensemble important complété par plusieurs

résultats nouveaux. La voie ouverte par M. Wood,

comme l’étude de la radioactivité, ^{nous fait} pénétrer

dans le mécanisme intime de l’atome. Mais, ^tandis

que les processus radioactifs s’accompagnent ^d’une désintégration ^{de l’atome et ne nous} permettent ^d’étu-

dier que des produits ^de destruction, ^les ébranlements

optiques, qui ^{mettent en} jeu ^une énergie ^moindre,

font vibrer l’atome autour d’une position d’équilibre

en respectant ^son intégrité. ^On conçoit que l’analysc

des vibrations émises sous des excitations différentes

(rayons cathodiques, ^{lumière blanche ou monochro-}

/1. Philos. Dlag.,

^1906.

2. Voir Le Radium. fév. 1906,

matiquc) ^{donne sur la structure même} de l’atome des indications que la radioactivité ^{ne fournit} pas.

La vapeur de sodium ^a toujours ^été préparée ^en

chauffant du sodium métallique ^dans des tubes de

porcelaine ^{ou d’acier,} généralement ^{sous un vide}

avancé. L’étude ^{de la} dispersion ^{de la} vapeur ^semhle

indiquer qu’on n’a pas affaire à des molécules simples,

mais à des complexes renfermant une certaine quan- tité d’hydrogène. ^{Si on} chauffc doucement un morceau

de sodiumplacé ^{dans un tube} horizontal, ^en ayant ^soin de refroidir la partie supérieure ^{du tube, on observe}

que la vapeur possède ^{une densité} optique ^{énorme vers}

le bas, ^et _presque ^{nulle vers le} haut, l’ensemble ^se comportant ^{comme un} prisme. D’après ^{:M. Wood, cette} apparente exception à la théorie cinétique des gaz indi- que que la vapeur ^de sodium, au ^{moment où elle} quitte ^{le métal, est formée de} groupements complexes qui finissent par ^se résoudre en molécules simple.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/radium:0190700403011801

Spectre d’absorption,

M. Wood commence par décrire sommairement, les différents spectres ^{dont il veut faire la} comparaison

Spectre ^{de rotation} magnétique.

M. Wood a déja indiqué précédemment qtitin grand

nombre de _vapeurs possédant ^des spectres d’absorption

Fig. 1.

dans ce mémoire (spectre d’absorption, spectre ^de fluorescence, spectre ^{de rotation} magnétique). ^{Il se}

limite à la région ^{du bleu vert} comprise ^{entre 4600 et 5700.}

Photographié ^au moyen d’un réseau concave de 12 pieds, ^le

spectre d’absorption ^{donne une}

multitude de raies fines (environ

1 500 dans la région étudiée). ^Son aspect ^est profondément ^modifié

par ^la présence ^de l’hydrogène ^ou

d’un autre gaz inerte. Son aspect

ordinaire est celui de la Fig. 1, g.

Il présente des cannelures qui ^de-

viennent très marquées ^en pré-

sence d’hydrogène (f et h) ^{et dis-} paraissent ^au contraire dans le vide avancé (b). ^Le spectre (d) ^{est le} spectre ordinaire fourni par ^une vapeur de sodium moins dense.

Il est à remarquer que le spec- tre d’absorption n’a pas grand rap-

port ^{avec les} spectres de il uores-

cence et du rotation magnétique.

Mais les raies communes u ces

trois spectres ^sont précisément

celles qui ^sont affectées par la

préscnce ^de l’hydrogène ^et des gaz inertes. Disons tollt de suite que ni le spectre de fluorescence ni le

spectre de rotation magnétique n’apparaissent quand la vapeur de sodium se trouve mélangée ^il

un gaz inerte.

a raies fines et nettes présentent ^la polarisation ^rota-

toire magnétique pour ^un certain nombre de ces raies.

Fig. 2.

Avec le sodium l’expérience ^se fait commodément en

plaçant le tube d’acier qui ^{contient le} sodium dans l’axe d’un fort électro-aimant entre deux Illcols à l’extinction. Si alors on chauffe le sodium, la lumière

reparaît ^{d’abord an} voisinage ^{des deux raies D,} puis

avec beaucoup d’éclat dans la région ^{du bleu vert.}

Chaque ^{raie brillante} correspond à ^{une raie obscure du} spectre d’absorption, lais c’est seulement ^une faible fraction de ces dernières qui ^{subit la} polarisation ^rota-

toire magnétique. Quelques-unes des raies les plus

1

Fjg. 3.

intenses du spectre d’absorption ^sont complètement

absentes du spectre de rotation magnétique. ^On peut conclure de là que les raies d’absorption ^{ont au moins}

deux origines ^très différentes.

Les photographies ^de spectres de rotation magne- tique ^sont données par ^la Fig. 2 (f et 1n). ^Les spectres

Fig. 1.

(l’absorption correspondants ^{sont ceux de la} fig. ¹ (c ^et d). ^{On ne trouve} que 60 raies dans les premiers

au lieu de ’1500 dans les seconds. Les intensités des raies sont très variables. Elles coïncident souvent très sensiblement avec les lètes des groupes de raies

d’absorption. ^{Il a été} possible ^de dégager des séries de raies par comparaison ^{avec le} spectre ^de fluorescence.

Spectre de fluorescence.

III. Wood a déjà signalé précédemment les varia- tions d’aspect ^du spectre de fluorescence selon la nature

de l’excitation. Avec la lumière blanche on

l’aspect général ^{de la} fig. ⁵ (A). ^Il y ^a de plus ^une large ^bande

double a l’cndroit des raies D et un spectre rouge nrangé dni ^{se résout en bandes} quand ^{la densité} de vapeur est grande. ^Le spectre ^ne présente ^de régularité appa-

rente rlue pour la région ^{au delà} de L = 505, ^{ou i I}

prend l’aspect ^{d’une série de} bandes cannelées. Ces bandes n’existent distinctement _que jusqu’à ^{À = 540}

environ (fig. ^l, C).

Si l’on remplace l’excitation blanche par ^une excita- tion monochromatique,

le spectre ^{de tluores-}

cence change ^entière-

ment (fig. ^1, C). ^La

lumière e d’excitation

correspond ^{a la lon-}

gueur d’onde ilditiiée

par ^{une flèclie.} On ^ob- tientun spectre ^com- posé ^{de bandes canne-}

lées dans la région

d’excitation et dans une

région supérieure ^à

540 _u, la partie ^inter-

1JzédiaiJ’e faisant ^com- plètement défaut.

Quand ^la longueur

d’onde de la lumière d excitation au-mente, le maximum d’intensité du spectre de fluorescence se déplace ^{vers le vert. En}

même temps les bandes cannelées changent d’aspect,

par suite d’un changement dans la distribution de l’intensité entre les bandes composantes. ^Cc phéno-

mène curieux s’expliquera mieux par la suite.

Le spectre ^de fluorescence excité par la lumière blanche est un spectre ^com- plexe. Cc résultat avait déjà

été entrevu par ^1B1. Wood pré- cédemment, ^{mais il a} pn ^de-

puis ^{le mettre en évidence}

avec une netteté absolue par

l’emploi d’excitations rigou-

reusemcnt monochromati- ques. Il ^a pu démontrer de la sorte que ^le spectre ^de fluorescence complexe ^{est la} supel’jJosition des spec- t l’es relativement si1nples ln’oeluifs pal’ chaque ^lu-

mière monochromatique isolérnent. Une source mo-

nochromatique, (comnle ^{la raie 480} du cadmium dont il va être parlé ^{en détail} ici) donne lieu à un spectre ^de

Huorescence composé ^{de raies} équidistances clccns l’é- chelle norlnale. Ce spectre peut ^être produit ^{par une}

source de longueur ^d’onde égale ^{à l’une} quelconque

des longueurs ^d’ondes qui ^le _composent ^{a vee cette res-}

triction que lorsque l’attaque ^{a lieu en certains} points,

il y ^a des raies qui peuvent manquer dans la série.

L’appareil employé (fig. 5) comporte essentielle- ment un tube d’acier refroidi a ses extrémités par du coton trempu ^dans l’eau. Dans la partie ^{centrale se}

Fig. ^’).

trouve une petite ^{cornuc d’acier contenant une} quan- tité notable de sodium _{que l’on} peut ^{chauffer soit} électriquement, ^{soit au} moyen d’un bec Bunsen. Les

parois latérales de la cornue sont percées ^{de deux}

trous. La lumière intense d’une lampe ^Heraeus (lampe

à métai sous quartz) ^est concentrée ^sur l’une des ouvertures, puis ^va rencontrer la

paroi opposée. ^{De cette façon la tache}

fluorescente apparait ^{lumineuse sur}

fond noir. On l’examine avec un

spectrographe puissant.

Comme les lampes ^{Heraeus au}

zinc, au cadmium et au thallium

s’éteignent parfois spontanément, ^et

comme on avait besoin pour les pho-

on constate qu’elles ^sont entourées de part ^{et d’autre}

de pénombres ^assez lumineuses, ^deux pénombres contiguës ^étant séparées par ^{une ombre nette offrant}

l’aspect ^{d’une raic} obscure. Cette apparence caracté-

ristique ^ne

^retrouve pas lorsqu’on emploie ^une

excitation rigoureusement monochromatiduc. ^Quand

la longueur d’onde de la lumière d’excitation varie

lentement, ^la pénombre apporait d’abord d’un côté de la raie brillante, puis ^{de l’autre. Il semble} que ^ces

pénombres correspondent ^{à une} excitation de l’élec- tron par des vibrations de période légérement supé-

ricure ou légèrement inférieure à sa période propre.

Dans le présent ^{travail, M. Wood} a employé ^commc

source d’excitation, ^{outre les} lampes ^Heraeus

^cad- mium, ^{au zinc et au} thalliunl, ^{l’arc ordinaire au} plomb,

u l’argent, ^{au bismuth et au} cuivre, ^{les arcs au} lithium,

au sodium et au baryum, des tubes de Geissier ^à

hydrogène et à hélium. Les spectres obtenus par ^ces différentes excitations sont rassemblés dans la Pl. II.

Tous ces spectres ^sont superposables, car on a pris

soin de repérer ^{la raie D,} qui ^{se trouve} pour chacun

Fig. 6.

tographies ^de temps de pose très longs,

prévu ^un dispositif ^de rallumage automnatique par ^relai magné- tique (fig. 6).

Dans ses recherches de l’année passée, ^{M. Wood avait}

d’eux u l’extrême droite de la figure. Les flèches

indiquent ^les longueurs ^{d’onde de la} lumière d’exci- tation.

Caâmium. - Les spectres obtenus par l’excita-

Fig’. ^7.

déjà employé une source monochromatique

^cad-

mium et observé que le spectre de fluorescence dû a à cette source diffère notablement du spectre ^obtenu

avec la lumière blanche. Ce dernier est reproduit ^dans

la fig. ^{7 avec le} spectre ^de comparaison du fer. Il

se compose de raies ^{nettes et} fines assez régulière-

ment groupées. Si I’on examine ces raies à la loupe

tion au cadmium sont reproduits ^{en h, i,} j, ^{et k. Les} spectres ^{i et à. sont} dus à l’ensemble des trois raies du cadmium, le spectre lz ^{est celui de la raie 4800, le} spectre j celui de la raie 5086. On voit nettement dans tous ces spectres des séries de raies équidistantes

(si

^les rapporte ^au spectre normal). ^{Ces raies se}

retrouvent, ^{au moins en} partie, ^{dans le} spectre ^de

rotation magnétique,. ^{Un trait} remarquable ^est que la série excitée par la ^raie 4800 présente des lacunes

(raies ^très faibles) ^{Elle offre} l’aspect ^{suivant : deux} raies, lacune, quatre raies, lacune, ^deux raies, lacune, quatrc ^{raies. Or} si l’on excite la fluorescence

moyen de la raie 5207 de l’argent, qni ^est l’une des raies

précédentes, ^on obtient la même série sans lacunes.

.

Il semble bien que ^{l’atome ,e} comporle ^{comme une}

chaine fermée dont on puisse exciter les vibrations

en l’attaquant ^en différents points.

Le spectre ^de la raie 5086 présente ^cette particu- larité, unique jusqu’ici, ^d’être

spectre de doublets La raie 4971 du lithium et la raie 5014 de l’hélitim, qui ^se superposent chacune à l’une des raies de la

série, ^excitent respectivement ^les composantes ^les plus réfrangibles ^{et les moins} réfrangibles ^{de ces doublets.}

Il semble bien _que les doublets en question ^{ne soient}

pas produits par des douhlcts d’électrons, ^et l’expli-

ca1 ion du phénomène ^{reste encore â trouveur.}

Zinc.

Le spectre ^{du à} l’excitation totale est

représenté ^{en c, le} spectre de la raie 4811 en b. Ici

encore on a pu déterminer des coïncidences avec le

spectre de rotation magnétique et trouver des séries de raies.

Bismuth. - La raie 4724 du bismuth donnc un

spectre ^{tout différent de la} raie très voisine 4722 du zinc. Les _{raies y} sont beaucoup plus espacées ^{et le}

même fait se constate déjà ^{sur deux raies} voisines du cadmium et du zinc, la raie à longueur ^{d’onde la} plus grande ^{donne le} spectre ^le plus espacé. ^{M. Wood}

se propose, dans ^cet ordre d’idées, ^{d’étudier l’in-}

fluence exercée sur le spectre de fluorescence quand

on modifie la lumière excitatrice par la première ^ou

par ^un champ magnétique ^intense.

Cuivre.

Il ^a été impossible ^de séparer ^l’excita-

tion due aux différentes raies du cuivre. Le spectre obtenu (a) ^{est sans} rapport ^{avec le} spectre ^{de rota-}

tion magnétique, ^{mais montre} quelques coïncidences

avec le spectre d’excitation du zinc. Il semble que la raie 5152 donne naissance a un spectre de doublets.

Plomb. - La raie 5007, ^seule efficace, ^donne

une série de raies identique ^{â la} première ^{série du} spectre ^{de rotation} magnétique. ^{On ne trouve aucune}

des raies extraordinaires de ce dernier spectre, ^bien que l’une d’elles ^{ait une} longueur ^d’onde très voisine de la longueur ^d’onde excitatrice.

Hélium. - La raie 5015 donne une série de raies nettes, ^situées juste all milieu de la 21’ et de la 5e série du spectre magnétique. ^{La raie} 4713 donne dans le bleu et dans le jaune ^{vert une série} identiques ^{à celle}

que donne le zinc 4680.

Lithium. -- La raie 4601, ^la plus ^{courte excita-}

tion monochromatique qu’on ^ait rencontrée, ^{donne unie}

série dans le violet. La raie 497 1 donne dans le vert une belle série coïncidant avec la seconde série magné- tique.

Baryum. - ^{La raie 4934, la} plus ^{efficacc, coin-}

cide avec une des raies extraordinaires du spectre magnétique. ^Le spectre ^de fluorescence coïncide avec

le spectre magnétique de la seconde série et en par- tie avec le spectre extraordinaire.

Sodium. - La lumière du sodium excite une

fluorescence jaune que le spcciroscope ^{résout dans}

les deux raies D. C’est la un cas de résonance assez

dînèrent des cas de fluorescence proprcment ^{duits. On}

sait qu’il ^{existe des raies} ultra-violettes appartenant ^-t

la mêmc série que la raie D. Mais il ^a été impossible

d’obtenir en excitant la vapeur de sodium ^au moyen de la raie D aucune fluorescence ultra-violette, ^deméme qu’une excitation ultra-violette ne donnait aucune

fluorescence voisine des raies D.

Rayons cathodiques.

^Les rayons cathodiques

donnent une fluorescence rappelant celle de la lumière blanche. L’appareil employé ^est celui de la figure ^8.

Fig. 8.

Le spectre ^{obtenu est} celui de la fig. 2 (n). ^{Dans ce}

cas, le spectre ^obtenu présente toujours ^{les raies de} l’hydrogène. ^De plus, ^en regardant obliquement, ^on

constate que la luminosité de la vapeur de sodium est verte à l’entrée des rayons cathodiques, orangée

à la sortie, ^et qu’enlre ^{ces taches} brillantes il _y ^a

iine région obscure. Ces phénomènes extrêmement curieux seront soumis u une étude ultérieure, ^car

leur instabilité a rendu jusqu’ici les observations très difficiles.

Autres excitations possibles.

^{M. Wood se}

propose d’étudier aussi l’excitation ^au moyen de raies

présentant ^le pouvoir rotatoire sélectif et d’isoler les raies comme celles du cuivre au moyen d’écrans ^con- stitués, _{par des} ^terres rares.

Excitation complexe. - ^{Si on} superpose ^lus spectres ^obtenus par ^les différentes excitations mono-

chromatiques, ^{on obtient}

spectre ^{contenant envi-}

ron 200 raies, qui ^ne figurent pas ^toutes dans le

spectre produit par la lumière blanche. C’est ^encore

un point qui ^{demande à être élucidé.}

Les séries dans le spectre magnétique. -

M. Wood ^a classé les raies du spectre ^de fluorescence

complexe ^{et du} spectre magnétique ^{en séries. Il remct la}

discussion théorique ^{des résultats à un mémoire ulté-} rieur, ^bien qu’on puisse dire dès à présent quel’étude

de la vapeur de sodium nous permettra

^{doute due} décider entre les diverses théories des raies spec-

trales.