Sur les mesures du phénomène de Zeeman

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Submitted on 1 Jan 1912

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Sur les mesures du phénomène de Zeeman

A. Cotton

To cite this version:

A. Cotton. Sur les mesures du phénomène de Zeeman. J. Phys. Theor. Appl., 1912, 2 (1), pp.97-104.

�10.1051/jphystap:01912002009701�. �jpa-00241821�

sorte qu’un ^{nouvel afflux} est’nécessaire pour que les parties plus

distantes du canal refroidi s’humectent à leur tour. 11 est probable

que ^ce procédé ^{est la cause du lent} progrès de l’assombrissement des canaux. Finalement l’eau va vers le pôle ^{sombre et ne rentre}

dans la circulation qu’une demi-année plus ^{tard. Le} méme jeu ^se reproduit ^{ensuite en sens inverse :} refroidissement, congélation ^et disparition de la couleur sombre des canaux khevirs 13 et 14).

SUR LES MESURES DU PHÉNOMÈNE DE ZEEMAN;

Par M. A. COTTON.

Dans l’Astrophysical ^Journal de décembre 1911 (XXXI,r, ^p. 212),

J.-E. Purvis signale que les ^valeurs absolues de l’effet Zeeman pour quatre ^{raies du} chrome données _par lui-même et par Miller, ^Hart-

mann, Babcock ne sont pas du tout d’accord. Je me propose de ^mon- trer ici que ^ce désaccord provient, pour la plus grande part, ^{de la}

mesure des champs magnétiques ^{utilisés et} d’attirer l’attention des

physiciens ^{sur les} précautions qu’il ^faut prendre pour rendre com-

parables ^{entre elles les mesures} effectuées dans divers laboratoires.

Je remarquerai d’abord que Purvis utilise les mesures de Millier,

en admettant la valeur du champ ^23.850 unités, donnée dans le mémoire de l’auteur. Or Miller n’avait pas mesuré directement les

champs magnétiques qu’il employait. ^Comme plusieurs ^autres phy- siciens, Moore, Jach, etc., ^{il a} calculé la valeur des champs qu’il employait ^en partant ^du changement rnagnétique ^{des raies de séries}

étudiées par Runge et f>aschen.

Or, dans leurs beaux travaux (1), ^{ces savants ne} s’étaient pas ^eux- mêmes proposé ^{de faire des mesures absolues. C’est} une mesure de Farber sur les raies bleues du zinc qui ^{les avait conduits à estimer} provisoirement ^{à 23.850 unités ce} champ qui ^{leur a} servi pour l’étude des raies du mercure et qui ^{a été} pris ^{ensuite comme} cllamp ^{de com-} paraison par plusieurs physiciens.

Nous _avons, M. P. "T eiss et moi, publié ^ici même, ^en 1907~ . ^{les ré-}

(1) ^et Académie des Sciences de Berlin : 1902 ;

XIX, p. 330, ^et XXXII, p. 330

(2) P. VVEiss et A. COTfOX, ^{,1. de} Phys., ^4d sl’rie, YI, p. 42> (190-j).

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:01912002009701

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sultats d’une mesure absolue du phénomène ^de Zeeman pour ^ces raies. Les champs magnétiques utilisés avaient été mesurés avec

soin par deux méthodes distinctes, les clichés ont été mesurés sépa-

rément par les deux collaborateurs, ^en s’astreignant ^{à faire les}

mesures en des régions diverses des raies étudiées, pour éviter l’in- fluence du grain ^{des clichés} photographiques. Le résultat obtenu s’écartait notablement de celui de Fârber : nous avons expliqué l’écart, qui dépassait ^{3 0 0, en} critiquant la métliode de mesure des

champs adoptée par Fârber : la spirale ^de bismuth, dont il s’était servi comme intermédiaire, ^donne rapidement ^{une valeur} grossière

du champ, ^mais exigerait, pour qu’on puisse ^{en tirer} des résultats

précis, ^des précautions que l’on ^ne prend pas.

Le résultat de nos mesures était le suivant : appelons ^à (À) ^l’écart

entre les composantes extérieures de ces raies moditiées par le champ,

par exemple ^{l’écart entre les} composantes latérales du triplet pur donné _par la raie 4.680; ^on a, ^en adoptant les unités électromagné- tiques ^{C. G.} S., c’est-à-dire évaluant ), et 1 (>,) ^en centimètres et H

en gauss :

au lieu de 1,813 donné par Farber.

Notre résultat a été tout à fait confirmé par les ^mesures absolues faites à Tübingen par A. Stettenheimer et par Grrielin (1). ^Ce

dernier, qui ^{a mesuré lui aussi les} champs magnétiques par deux méthodes distinctes, donne finalement la valeur :

qui ^ne différe de la nôtre que de 2 millièmes environ.

D’autre part, ^on peut ajouter que le fait suivant apporte également

à ces mesures une confirmation indirecte. Lorsque ^{nous avons} publié

notre travail, ^{on admettait avec} Runge que le triplet pur de la raie 4.680 avait le double de l’écart du triplet ^normal prévu par la théorie élémentaire de Lorentz. Nos mesures sur les raies bleues du zinc

conduisaient cependant, ^en partant ^de là, ^{à une valeur du} rapport - _m

de la charge ^{à la masse d’un électron} plus petite ^{de 6} 0/0 que celle

~1~ GMELIX, Annalen cler Ph., XXVIII, p. 1019 (I909;.

admise alors. Des nombres précédents ^on peut ^{déduire en effet :}

Or, depuis, ^{les mesures} directes de la valeur de e _{pour les} cor- 1n

puscules cathodiques ^{de faible vitesse ont montré} que c’était la valeur déduite du phénomène ^{de Zeeman} qui ^était correcte (’ ). ^{Voici les}

résultats des mesures récentes :

On connaît donc mieux aujourd’hui ^les champs utilisés par Runge

et Paschen : dans leurs recherches sur le spectre ^{du mercure, le}

champ (dont la valeur provisoire ^était 23.850) ^{était en réalité très}

voisin de 23.000 gauss :

L’autre champ (évalué à3i.000), auquel ^{sont ramenés} les résultats donnés _par les mêmes auteurs pour les spectres d’étincelles, ^{doit être}

réduit dans la même proportion, ^ce qui ^le ramène à 29.900 gauss environ :

Quand ^on compare ^les résultats donnés _par Miller, Jack, ^{etc., à}

(1) ^{WEiss et C.} R., CXLVII, p. 968 (1908).

(2) CLASSEN, Zeitsclu’ift, ^IX, p. 768 (1908).

(3) M°oLz, Annalen der Ph., XXX, p. ²⁸⁸ (1909).

(4) MALASSEz, Annales de Ch. et Pla., XXIII, p. ^4.? (1911).

(5) BESTELMEYER, Phys. Zeitsch1’ift, XII, p. ^{9 î4} (i911¡.

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des mesures où on a déterminé directement le champ mag nétique, ^il

faut donc se rappeler que les nombres donnés ^se rapportent ^{à un} champ ^{de 23.000} gauss ^{et non} de 23.850. Pour la même raison,

les résultats donnés par Moore ^{1 se} rapportent ^{à un} champ ^de

23.600 gauss ^{et non à un} champ ^{de 24.450. Moore avait} pris ^soin

lui-même d’indiquer que les ^mesures absolues ultérieures permet-

traient d’en préciser ^{la valeur.}

Si l’on fait cette correction pour les résultats de Miller cités par

Purvis, ^{on trouve} qu’ils ^se rapprochent ^{de ceux trouvés} par Babcock.

Mais cette correction ne fait qu’accentuer ^la différence entre les résul- tats de Purvis et ceux de Miller. J’avais déjà ^{constaté cette diffé-}

rence, ^et signalé que les ^mesures de Purvis, d’ailleurs étendues (z)

et fort intéressantes, ^n’étaient directement utilisables qu’en ^valeur relative, parce que la valeur adoptée pour le champ magnétique (39.980)

est certainement beaucoup trop élevée. Comme Purvis, ^{dans sa} note,

indique qu’il ^{n’a aucun doute sur} la valeur absolue de ce champ, ^sans

donner de renseignements ^sur la méthode qui ^{a servi à} le mesurer,

j’indique ^de quelle façon ^on peut ^{le calculer} indirectement, ^en par-- tant de diverses mesures faites par Purvis ^{sur ses} clichés :

1° Dans son travail sur les raies des éléments Pb, Sn, Sb, Bi, Au,

Purvis a eu l’occasion de mesurer les changements magnétiques ^des

deux raies 3.383 de l’argent ^{et 3.274 du cuivre} qui ^se comportent

comme la raie D~ 1 du sodium. Comparant les distances des quatre composantes ^{de ces} quadruplets ^à celles trouvées par Runge ^et

Paschen, j’obtiens pour la valeur du champ ^{30.800 au lieu de} 39.980 ;

2° Dans son travail sur les raies des éléments Ti, Cr, 1B1n, ^Purvis

a mesuré le triplet pur donné par ^la raie 4.274,9. ^Ce triplet ^est indiqué par Miller ^comme ayant le double de l’écart normal ; ^Dufour (mesure inédite) ^{a trouvé de son côté ce} résultat vérifié (3). ^Admettant cela, je calcule pour le même cllamp ^{de Pnrvis} 29.800 ;

3° Dans le même travail, Purvis donne les résultats de quelques

mesures sur des raies du zinc, ^du magnésium ^{et du cadmium} (deu-

1) B.-E. MooHE, Jù1lt’na!, p. 8 (1908’,; ¹⁴³

p. 385 (9911).

(‘’) ^{J.-E. PuRvis, Cumbr. XX,} p. 99~3 (1906~ . ^Pî-oc. Carnbridge, XIII, p. 82, 325, ³⁵⁴ (1906) XIV, p. 43. 2)7 î (1907).

(3) Cette raie fait partie ^d’un triplet naturel du chrome que l’on retrouve dans l’ultra-violet. Je signale ^{à cette} occasion que les deux autres raies qui l’encadrent

née donnent pas, ^{comme on} le pensait, ^des triplets purs : BABCOCK (Asi7 oph.

XXXIII. p. 382; 1911).

xièmes séries secondaires). ^Purvis n’indique pas expressément que le courant était réglé ^{à la même} valeur que dans le ^reste du travail.

Admettant qu’il ^{en était ainsi,} je ^{trouve 29.600 environ en utilisant}

les ^mesures absolues indiquées plus haut pour ^ces raies :

4~ Enfin, ^{ce n’est} pas ^seulement pour les quatre raies du chrome citées par Purvis que ^ses résultats s’écartent beaucoup ^{de ceux de}

Millier. Pour les autres triplei s ^du chrome, pour les triplets ^{du man-} ganèse, ^{on trouve le même désaccord} systématique. Comparant, pour

une vingtaine ^de triplets ^{de ces deux} substances, les valeurs indi-

quées pour les écarts, ^on peut estimer le rapport ^{entre le} champ

utilisé _par Purvis ^et celui (23.000) auquel ^se rapportent les résultats de Miller. Je retrouve ainsi pour ^le champ ^{de Purvis 2).900 : les}

valeurs relatives aux raies du chrome seul donneraient même seulement. ‘Avec cette dernière valeur admise _{pour le} champ, ^les

résultats s’accorderaient avec ceux de Miller et de Babcock.

On comprend ^{dès lors} pourquoi, ^dans le tableau de quelques

mesures sur le phénomène ^{de Zeeman} que j’ai dressé pour les Tabl s de la Société de Physique (’), ’j’ai admis que les résultats donnés par Purvis ^se rapportent ^{non à un} champ voisin de 40.00(>,

mais de 30.000 environ seulement. Pour obtenir d’ailleurs, ^dans

l’entrefer utilisé par Purvis (pièces polaires terminées par des disques

de 7 millimètres de diamètre, distants de 4 millimètres) ^un champ

de 40.000, il faudrait avec les meilleurs fers actuels un gros ^instru-

ment dans le genre des électro-aimants Weiss, ^et Purvis aurait cer-

tainement indiqué ^{dans ce cas} le diamètre des noyaux.

Lorsqu’on ^{constate de même, entre} les résultats obtenus par deux observateurs différents, des différences s ystéJ>i«tiqies, ^{on est de}

même conduit à soupçonner que c’est ^{la mesure du} champ magné- tique qui ^{est en cause. On ne constate} jamais des différences aussi

grandes que dans ^{le cas} des mesures de Purvis; mais il y ^a d’autres

exemples ^{où ces} différences sur les valeurs de 2013 _A- atteignent 5 ^ou

même 10 0/0. ^Ainsi les résultats d’Hartmann sur le chrome sont

plus ^faibles que les autres ; ^{il est bien} probable que ^{la mesure directe,} du champ (faite par ^une méthode d’induction) explique ^{ici encore lc s}

écarts avec les résultats des autres physiciens : ^en effet, ^la compa- raison des nombres d’Hartmann avec ceux que vient d’obtenir, ^au

(1) ^{A. le p. 42~ 19i 1.}

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laboratoire de Zeeman, ^{Me I.-M.} Graftdijk ^{sur un autre} spectre,

celui du nickel, ^{conduit à la même} conclusion : les champs magné- tiques indiqués par Hartmann ^{sont un} peu trop grands.

Comment éviter à l’avenir de telles difficultés dans les comparai-

sons, difficultés qui ^{enlèvent une} partie de leur valeur aux résultats de mesures qui exigent beaucoup ^de temps ^{et de} patience ? Il suffirait

d’apporter ^un plus grand ^{soin à} la détermination des champs magné- tiques. ^On peut ^{faire cette mesure} indirectement, ^en utilisant les

mesures sur les raies du zinc pour lesquelles ^{les mesures absolues}

ont fourni des résultats pratiquement identiques : ^{c’est ce} procédé qui ^est actuellement employé ^au laboratoire de Zeeman ( ~ ), ^c’est

celui qu’a employé aussi, ^{dans un travail récent fait à} Gôttingue, Stephan Rybar (1). ^{Cette mesure} optique ^du champ ^est d’ailleurs la meilleure lorsqu’on étudie les spectres d’étincelles obtenus avec des électrodes formées de métaux ferromagnétiques ^{dont la} présence

vient nécessairement troubler le champ ^{étudié. Elle est d’ailleurs}

d’un emploi ^assez rapide, ^et les clichés utilisés ^se prêtent ^facilement

à des ^mesures précises, ^{si l’on a} soin de rendre bien fines les raies

avec une self-induction convenable intercalée dans le circuit de

décharge (Hemsalech). ^{La raie à} employer ^de préférence ^{est la raie}

4.680 du zinc, qui ^{donne un} triplet pur.

Ce n’est pas la seule qu’on puisse utiliser : les mesures de Runge

et Paschen, celles que nous avons faites à Zurich, ^{celles de} Tiibingen,

s’accordent à montrer que pour d’autres raies de séries l’effet Zeeman varie bien proportionnellement ^au champ ^et peut ^{servir à le}

mesurer. Mais il importe de réduire autant que possible ^{le nombre}

des raies intermédiaires qui ^servent finalement à rapporter ^{la mesure}

aux mesures absolues proprement dites. Chacune de ces comparai-

sons apporte ^{avec elle une} légère incertitude : doit- on par exemple

utiliser les relations simples établies par Runge ^et Paschen, ^{ou bien}

tenir compte ^{des très} petits ^{écarts que ces} physiciens ^{trouvent eux-} mêmes, dans les diverses _mesures, avec ces lois simples? ^{A ce} point

de vue il serait désirable que les physiciens qui emploient ^ce procédé indiquent ^avec précision, dans leurs mémoires, ^de quelles ^{raies ils}

se sont servis, ^et quels ^sont (en ^unités d’Angstrôm par exemple) ^les

écarts effectivement mesurés sur les clichés servant à étudier le

(1) ^{BILD. vw} MEURS, Proceedings Anlsterdam, XI, p. 223 (1908) (thèse ^d’Ams- terdam) ; ^{1.B1. GRAFTDIJK} (thèse d’Amsterdam, ^décembre 19il).

(2) STEFAN HYBAR, Phys. Zeilschrifl, XII, p. 889 (1911) (thèse de Budapest, 1911).

chanip. ^{De cette façon on} pourrait plus tard rendre plus précis

encore les résultats calculés pour ^ce champ, ^en profitant ^des

connaissances plus complètes que les recherches ultérieures appor- teront à la connaissance exacte des rapports ^{entre les} changements magnétiques des diverses raies et des valeurs absolues elles-mêmes.

L’exemple ^{de Purvis montre} bien que la ^mesure directe du champ peut ^{conduire à des erreurs} lorsqu’on ^a employé ^{une seule méthode}

pour ^{faire cette mesure en} valeur absolue. Un contrôle est toujours

nécessaire pour ^éviter des erreurs qui peuvent ^alors échapper, ^même

à un très bon physicien. ^{Une mesure absolue est} d’ailleurs assez

longue, puisqu’on doit vérifier ou étalonner les appareils ^{dont on se}

sert. La balance dont nous nous sommes servis en particulier,

P. Weiss et moi, ^et dont P. Sève a décrit récemment un modèle

encore perfectionné (’ ), ^donne rapidement, quand ^{on a un} ampère-

mètre vérifié, ^{une valeur très} précise ^du champ lorsque l’entrefer est suffisamment étendu. Mais on emploie ^le plns souvent, pour l’étude du phénomène ^{de Zeeman, des} pièces polaires trop petites pour

qu’on puisse utiliser directement cet instrument. Il faut alors ses

servir de la balance _pour étalonner, ^{dans m} champ ^{bien uniforme,}

l’ensemble d’une petite ^{bobine reliée à un} galvanomètre balistique

ou à un fluxniètre de Grassot (2). ^{Ce dernier} appareil, ^{une fois éta-} lonné, ^{est d’un} emploi ^{très commode} (3) ^et permet de vérifier souvent le champ ^{dont on se sert. C’est là une dernière} précaution, ^nécessaire

surtout dans des recherches de longue durée, que je ^{crois utile de} signaler : ^Le plus ^{souvent on se borne à} mesurer une fois pour toutes le cliamp pour ^diverses valeurs du courant magnétisant, ^{et on}

,

cherche ensuite à ramener dans les mesures magnéto-optiques pro-

prement ^{dites le courant à} la même valeur. Ce procédé ^est théoriquement légitime, puisque, pour les fortes inductions que l’on

emploie, ^{les erreurs} provenant ^{de l’ «} llistoire antérieure ^» de l’élec-

C. H. , CL, ¹³⁰³ (1910).

On trouvera dans la thèse de :B1. Sève, actuel- lement à l’impression, des détails sur l’emploi ^{de cet} instrument, construit par Pellin.

,

(2) GHASSOT, ^{J. de} l’lys., ^4" série, ^t. 11I, p. 696 (190Í) (appareil construit par la

Compagnie pour la fabrication des compteurs’,.

(3) Une ^autre méthode, suggérée par Faraday, permettrait aussi de comparer très rapidement ^{et d’une} façon ^{sure un} champ magnétique ^{à un} champ ^{étalon :}

on utiliserait les propriétés des cJ’islau,J.’ diamagnéliques ^ou paramagnétiques ^en

mesurant simplement, par exemple, des durées d’oscillations. J’espère ^revenir ultérieurement sur cette méthode, ^dont nous avons P. Sève et moi, entrepris

l’étude.

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tro-aimant ne sont pas sensibles. Mais il ^ne faut pas oublier qu’il

suppose essentiellement qu’on ^n’a pas touché dans l’intervalle ^à

l’ampèremètre, que ^cet instrument ne renferme pas des ^{aimants ou} des ressorts qni peuvent ^{se modifier avec le} temps, ^et qu’on ^admet

aussi que ^les bobines de l’électro-aimant sont restées bien isolées.

Un travail de II.-D. Babcock., paru aussi dans le numéro de décembre 1911 de (XXXI’T, p. 288), ^montre

lui aussi que les remarques précédentes ^{ne sont} pas inutiles, ^{et fait}

ressortir l’intérêt qu’il y aurait à mieux connaître les valeurs absolues des changements mesurés dans divers laboratoires. Babcock ^a été conduit par ^ses propres mesures sur le chrome et le vanadium (1)t

par les ^mcsures de King (2) ^sur le titane et le fer, faites aussi au

Laboratoire de Pasadena, ^à remarquer que ies triplets purs des raies non sériées qui ^{varient, comme on sait, dans de} larges ^{l imites,}

ne sont pas cependant répartis ^au hasard, ^mais paraissent ^se grouper autour de certaines valeurs privilégiées.

Babcock ne savait pas que j’avais ^moi-même signalé ^{ce fait, et} -présenté des courbes représentant la distribution des écarts d’après

leur grandeur ^même (3). ^{Il retrouve} des résultats analogues ^aux miens, ^{mais nos résultats ne sont} pas identiques, parce que Babcock.

utilise sans les corriger les valeurs des champs magnétiques ^donnés

dans les mémoires de lBt!illcr et de 1B1oore. Aussi la coïncidence qu’il signale ^{entre la} valeur moyenne des ^écarts voisins du premier ^mai-

mum et la valeur de l’écart norm al me paraît ^{tout à} fait accidentelle : pour ⁸ des 13 spectres étudiés, ^{il faudrait en réalité} augmenter ^de plus ^{de 3} 0/0 les valeurs de tous les écarts rapportés ^à l’unité de

champ.

(1) ^H.-D. BABCOCK, Cúnlt’. l1/ount Wilsora Solal’ nOS 2 AstJ’oph.

XXXIII, p. 211, ^et XXXIV, p. 209 (1911).

^Le champ est mesuré par ^une

spirale de bismuth.

(2) KmG, (.’oafr°. l110unt Wilson SoLccr n° 56 Journal, XXXIV, p. ²²⁵ (1911).

(J) ^Société française ^de Physique, ^séance du 7 mai 1909 (Bulletiîz ^des Séances, fasc. 4, p. 05: 1909).

On trouvera des réductions de deux de ces courbes dans

le Radium. YIII, p. ^4.2 (1911)..

llTme Graftdijk visent de publier ^{une étude} plus complète ^{à ce} point ^{de vue du} spectre ^{du fer} (138 triplets), ^{et a} publié aussi des courbes analogues ^{relatives au}

nickel (163 triplets) ^{et au cobalt} (59 triplets). Graftdijk ^trouve que le premier

maximum s’ubserve pour des valeurs dépassant notablement la valeur de l’état normal. Elle retrouve pour le fer, ^{mais non} pour le nickel, ^{un maximum} pour

un écart voisin des de l’état normal.