CHAPITRE I
Structure de quelques raies émises par les gaz illuminés en haute fréquence.
Le deuxième régime d'illumination fournit aux gaz excités une brillance considérable dont j'ai donné autrefois une mesure (!) ; il était intéressant de voir si la finesse des raies émises n'était pas altérée. On peut penser a priori qu'il n’en est rien, l'élargissement par effet Doppler-Fizeau devant toujours rester petit sur le mercure ; les causes d’élargissement les plus à craindre sont l'effet de pression, et l'effet Stark dû au champ électrique interatomique ; elles sont négligeables, la pression du gaz restant toujours faible. Une autre cause d'élargissement des raies est l’effet Zeeman dû au champ magnétique accompagnant toujours la décharge induite. Ce champ a une amplitude qui peut atteindre 20 gauss, ce qui donne un écart normal d’environ 10-%cm-!; dans un champ alternatif de 20 gauss, l'élargissement total atteint donc 2.10—° cm-—!, ce qui correspond à un élargissement de 1/5° de frange pour 1 m. de différence de marche entre deux faisceaux interférents. Cette cause d’élargissement des raies est négligeable dans les conditions habituelles d'examen des raies spectrales, d'autant plus qu’elle ne déplace pas leur centre de gravité.
Le meilleur procédé d'étude de la finesse des raies spectrales est certainement l'examen des franges avec un inter-
(9) F. EscLaxGon, Bullelin de la Société française de Physique (séance du 6 mars 1931), p. 35.
féromètre à différence de marche variable, de Pérot et Fabry par exemple. La différence de marche pour laquelle disparaissent les franges est la mesure de la finesse d’une raie.
Je n’ai pas eu à ma disposition d’interféromètre Pérot et Fabry, mais M. Eugène Bloch m'a obligeamment prêté trois excellentes lames de Lummer fabriquées par la maison Hilger de Londres, lames qui avaient déjà été étudiées au Laboratoire par M. Bogros. La lame de Lummer est plutôt un instrument de spectroscopie qu’un appareil d'interférométrie, mais j'ai pu grâce à elle obtenir une limite supérieure de l'élargissement des raies. L'emploi des lames de Lummer m'a en outre, permis de déterminer la structure hyperfine des raies spectrales émises par les tubes excités en haute fréquence et de la comparer à celle des raies émises par les sources habituelles alimentées en courant continu ou alternatif de basse fréquence.
Caractéristiques des lames de Lummer employées (1). — J'ai employé trois lames, deux en quartz et une en verre, d'épaisseurs différentes afin d'attribuer avec certitude les satellites d’une raie à tel ou tel ordre d’interférence.
1° Lame de verre :
Longueur, 20 cm. ;
Epaisseur, 6 mm. 03;
Indices de réfraction, n, : 1,50860, ne : 1,91858;
Champs de lame :
À — 6000 0,726 cm!
À = 5000 0,709 cm!
À = 4000 0,694 cmt
(:) Pour la théorie et l'emploi des lames de Lummer, voir : J.-K. Rosertson. Journ. of the Opt. Soc. of Ann., 41 (1926), p- 559; E. Genrcke, Handbuch der physikalischen optik, Barthe, Leipzig, 1927 ; À. SCHAMMEN, Ann. der Phys., 83 (1927); p- 1164, p.433 et 44, p. 199; A. Bocros, Annales de Physique, 17 (1932), p. 260.
118 FÉLIX ESCLANGON
Intervalle séparé (théorique) : 0,040 cm-! environ. 20 Petite lame de quartz :
Longueur, 12 cm. ;
Epaisseur, 4 mm. 296;
Champ de la lame (pour le ravon ordinaire) :
À — 6 000 0,970 cmt M9 000) 0,998 cm-!
| — 4 000 0,935 cm!
Intervalle séparé : 0,060 cm ".
3° Grande lame de quartz :
Longueur, 20 cm.;
Epaisseur, 8 mm. 20;
Champ de la lame (rayon ordinaire) :
À — 6000 0,508 cm!
N—15000 0,901 cm!
À = 4000 0,489 cm!
Intervalle séparé : 0,037 cm”! environ.
Montage des lames. — Les lames de Lummer s’emploient avec une source étendue et donnent des franges localisées à
$ EL 0 Er:
Fig. 54. — Lame de Lummer montée avec un écran comme monochromateur.
S source ; E écran :;
L lame de Lummner :
«O objectif photographique ; P plaque photographique,
l'infini que l’on observe avec un objectif de lunette astronomique. Le champ intéressant pour l'observation est petit, de l’ordre de 1/20 de radian environ. Un objectif de lunette
suffit pour l'étudier. J'ai employé un objectif de lunette Edelmann de 427 mm. de foyer.
Pour l'observation des franges, il faut employer de la lumière monochromatique. On sépare les diverses radiations émises par la source soit par des écrans, soit par un monochromateur dont la fente est perpendiculaire à la lame.
On place la lame immédiatement derrière le système dispersif D et l'objectif O donne de la fente F une image sur la plaque P, image sur laquelle viennent se découper les franges de la lame. Avec une lame de quartz, il faut polariser la lumière avant son entrée dans la lame pour éviter la superposition des franges des rayons ordinaire et extraordinaire.
Fig. 55. — Lame de Lummer montée avec un monochromateur
à prisme.
S source ;
D système dispersif ;
G glazebrook ;
L lame de Lummer;
F fente du monochromateur ;
O objectif ;
P plaque.
Si la fente F n’est pas haute, on peut supprimer le polariseur G en inclinant la lame de telle sorte que le rayon extraordinaire subisse la réflexion totale dans la lame.
Température des lames. — Les lames ne donnent leur pouvoir séparateur que si leur température est uniforme et varie, au cours d’une pose, de moins de 1/1o€ de degré environ. Je n’ai pas pris de précautions spéciales pour assurer la constance de la température, mes poses ayant toujours été très courtes (5 minutes au maximum). Je me suis borné
à monter la lame dans la salle où je devais opérer, longtemps avant l'expérience, de façon que l’équilibre de température soit réalisé au moment de la pose.
Etude des raies du mercure. — Dans mes premiers essais, je me suis borné à examiner à l'œil les franges des raies jaunes, vertes et violettes (4 358) du mercure et de les comparer à l’aspect des franges données par une lampe en verre Hewittic à faible régime, et par une lampe en quartz au cours de son échauffement. Ce premier examen a suffi à me montrer que les satellites des diverses raies se distinguaient aussi bien avec la source de haute fréquence qu'avec l'arc en verre, malgré la brillance beaucoup plus grande de la première source. Dans l'arc en quartz, les satellites sont très rapidement noyés dans l'élargissement général de la raie ; le champ d’interférence prend une teinte uniforme avant que l'arc ait atteint son régime. A égalité de brillance, le tube haute fréquence donne des raies beaucoup plus fines que l'arc en quartz, même peu poussé.
J'ai alors cherché à comparer de façon plus précise la structure hyperfine de raies données par l’arc en verre et la lampe haute fréquence, et j'ai fait cette comparaison sur la raie verte du mercure.
Structure hyperfine de la raie verte du mercure. — Pour l'étude plus précise de la raie verte du mercure, j'ai utilisé des tubes à mercure sans électrodes excités par un oscillateur de 300 watts décrit au chapitre premier.
J'ai utilisé deux tubes différents, le premier avait environ 10 cm. de longeur et 30 mm. de diamètre, le second 25 cm. de longeur et 35 mm. de diamètre. J'ai observé la raie verte du premier tube uniquement avec la lame de verre, et celle du deuxième avec les lames de quartz. Ayant aperçu à l'œil des différences dans les aspects des franges donnés par le
premier tube, j'ai étudié systématiquement ces variations
d'absorption de la raie par la vapeur de mercure excitée. J'ai utilisé le premier tube lui donnant trois positions différentes par rapport à la self excitatrice (fig. 56).
A, le devant du tube atteint à peine le milieu de la self; la partie brillante du gaz est très petite et située immédiatement contre la paroi.
B, le tube est placé au milieu des spires débordant un peu de chaque côté ; la lueur brillante se trouve au milieu du tube, une lueur plus faible remplit tout le tube.
Fig. 56. — Différentes positions du tube destiné à l'observation de la raie verte du mercure.
C, le fond du tube est au milieu de la self, le tube déborde largement vers l'avant; la lueur brillante occupe le fond du tube, une lueur plus pâle remplit le reste du tube.
Dans la position À, le tube émet la raie verte naturelle, dans la position C, la raie subit un renversement intense qui change complètement l'aspect des franges données par la lame de verre. C’est pour interpréter cette variation d’aspect que j'ai repris l'examen de la structure de la raie verte avec les lames de quartz, en particulier avec la petite lame dont le champ est grand, ce qui facilite l'observation. Le deuxième tube construit est trop grand pour permettre une observation commode du renversement. Le tube conserve toujours des régions froides et la vapeur de mercure légère-
122 FÉLIX ESCLANGON
ment excitée qui provoque le renversement va s’y condenser. J'ai toutefois pu observer le renversement correspondant à la position B, et cela a suffi pour interpréter les variations présentées par les franges de la lame de verre.
Résultats. — Je n'ai fait les mesures que sur les franges données par la petite lame de quartz et la lame de verre. Avec la grande lame de quartz, les satellites se superposent au point d'empêcher toute mesure précise de leur position. A titre de comparaison, je donne les résultats des mesures de Nagaoka (!) et ses collaborateurs, et de celles plus récentes de Murakawa (?) et de Gôrlich et Lau (). Je donne leurs nombres en millièmes d'unité de nombre d’ondes (cm) en les rapportant tous à la composante prise pour origine par Lau et Gürlich; un nombre donne l'intensité évaluée par chacun des auteurs.
Le tableau précédent montre que, malgré les trois chiffres significatifs donnés par chacun des auteurs, les résultats présentent une dispersion notable ; les nombres que j'ai obtenus sont à l'intérieur de la zone de dispersion sauf, peut-être pour b (notation de Murakawa) qui dans le cliché C de la lame de verre semble se trouver trop écartée de la composante centrale.
Par contre les intensités relatives des raies diffèrent notablement suivant les observateurs. Si l’on regarde les variations de ces intensités au cours du renversement, on peut conclure qu'il suffit sans doute d’une très faible absorption propre par les sources pour changer beaucoup ces intensités relatives.
(:) H: NaGaoka, Y. Suciura et T. Misima, Sc. Papers 1.P.C.R, Tokyo, À (1924), p.217.
(2) Murakawa, Z4s. f. Phys., 13 (1932), p. 366.
() Gonuicx et Lau, Z4s. f. Phys., 77 (1932), p. 745.
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124 FÉLIX ESCLANGON
Remarques sur le renversement de la raie 5 460 du mercure. — Le trait marquant de l'influence du renversement sur la raie est l'énorme augmentation d'intensité relative de la composante /, au point que sur le cliché C, la raie verte du mercure semble.devenue monochromatique, toutes les autres composantes étant fortement affaiblies. Ce résultat est en accord avec ceux de Metcalfe et Venkatesachar (*).
Les composantes j et b augmentent également d'intensité relative au cours du renversement, mais tout en diminuant d'intensité par rapport à / ; par contre la composante c semble suivre le sort de la composante centrale et n’être plus à la fin du renversement qu’un satellite comparable à £ et #.
Il semble, si l’on admet les interprétations de Murakawa (?) x
et de Schüler(*), que ce soient les composantes dues à des transitions entre des états ayant la même valeur de y. De telles variations dans les intensités relatives des structures ont été signalées par différents auteurs (*). Leur étude systématique pourrait sans doute préciser encore nos connaissances sur l’atome de mercure.
Identité de la raie émise en haute fréquence avec la raie émise en courant continu. — Cette première observation peut nous permettre de conclure que la structure hyperfine de la raie verte du mercure émise par les tubes sans électrodes est bien identique à celle que donnent les autres sources. Le renversement de la raie m'a permis de vérifier qu'il n'existait pas de déplacement d'ensemble de la raie dans la source haute fréquence. J'ai provoqué l’absorption de la raie
(1) E. P. Mercarre et B. VENKATESACHAR, Proc. ofthe Roy. Soc., 102, A. (1924), p. 520.
() Murakawa, Z{s. f. Phys, 13 (1932), p. 366. .
(5) Scnücer et Keysron, Z{s. f. Phys., 12 (1931), p. 423, et ScHüLer et Jones, 1bid., 74 (1932), p. 631.
(*) J. Guces, Bulletin de la Société française de physique — n0 337 (17 mars 1933), p. 46 S ; Muraxawa, Sc. Papers 1PCR, Tokio (déc. 1932); ScaüLer et Jones, Z4s. f. Phys, T1 (1932), p. 801,
verte émise au moyen d'un arc en verre par un tube sans électrodes très faiblement excité, n'émettant que la lueur faible qui, dans la position C du tube, absorbait la raie verte intense émise par le fond.
On obtient effectivement le renversement de la raie verte caractérisée par la prédominance du satellite / et la disparition presque complète de la composante centrale. Cette absorption prouve bien l'identité complète des deux raies.
Examen de quelques structures hyperfines. — Les expériences précédemment décrites m'ayant montré la possibilité d'obtenir des raies d’une finesse intéressante avec des sources d’un éclat non négligeable, j'ai examiné la structure de quelques raies intenses émises par des sources que j'avais réalisées.
Ces sources sont des tubes sans électrodes contenant un gaz rare sous une pression de 0,1 mm. de mercure environ et une petite quantité de métal, zinc, cadmium, magnésium ou sodium (!). Les tubes permettent d'obtenir l'émission de la vapeur métallique à une température relativement basse. Ainsi, avec le cadmium, les raies du métal sont visibles dès 14o°, et à 2000 l'émission métallique est très brillante, alors qu’en l’absence de gaz rare, on doit élever la température du tube jusqu'aux environs de 300°. L'effet Doppler-Fizeau, bien que négligeable en général, pour l'étude de la structure hyperfine des éléments lourds, s’en trouvait donc réduit, surtout si l’on se contente d'un éclat un peu plus faible, en évitant un échauffement excessif du tube par un courant d'air.
J'ai ainsi étudié les raies rouges du cadmium et du zinc et les triplets vert et bleu du magnésium, du cadmium et du zinc, en prenant comme appareils interférentiels, tantôt la
(1) Pour plus de détails, voir F. ÉscLancon, /ievue d'Oplique, loc cit.
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lame de verre, tantôt la grande lame de quartz, croisées
avec un monochromateur.
Résultats. — Les raies 6362, 4810, 4722 et 4 680 À du zinc, le triplet vert du magnésium (5184, 5173, 5167) et la raie rouge 6/38 du cadmium m'ont paru être simples et fines en même temps. Ces résultats sont en accord avec ceux des autres chercheurs.
Au contraire, le triplet bleu-vert du cadmium présente des raies complexes comme l'avaient déjà indiqué les physiciens qui ont comparé le mètre aux longueurs d’ondes du cadmium.
La raie verte 5 086 présente trois composantes dont l'une est très voisine de la composante centrale et n'en est pas complètement séparée dans mes expériences.
La raie 4 800 possède 4 composantes bien distinctes et la raie centrale présente un satellite très voisin dont elle n'est pas complètement séparée par les lames que j'ai employées, il ne se présente à l'enregistrement que comme un renfle-ment dissymétrique de la composante centrale. Son existence est toutefois certaine.
La raie {4678 présente 3 composantes bien distinctes, mais il m'a semblé apercevoir deux satellites faibles dont je ne pourrais affirmer l'existence. Ils disparaissent sur les clichés très posés où ils sont absorbés par l'élargissement des bords des franges, et ne sont pas sensibles sur les clichés peu exposés. Leux existence effective paraît d’ailleurs très douteuse si l'on admet l'interprétation des structures hyperfines du cadmium donnée par Schüler et ses collaborateurs(!), la raie 4678 (2°P, — 2°S,) ne devant possases en tout que 3 composantes.
Je résume mes résultats dans le tableau ci-dessous en les
() ScnüLer et Bruck, Z{s. f. Phys., 56 (1929), p. 291. Ibid., Scnürer et KeysTon, 67 (1931), p. 433.
comparant aux derniers résultats publiés par d’autres auteurs sur le même sujet.
Les nombres représentent des millièmes d'unité de nombre d'ondes (en cm"). J'ai marqué d’une croix les composantes mal séparées et par conséquent, mesurées avec peu
de précision, et de points d'interrogation les composantes douteuses.
Esclangon lame de Tamede à verre © quariz I Il ITI(!) IV — 206 — 297 — 290 — 302 — 300 5 086 0 o 0 0 0 88 + 97 104 96 — 272 + — 278 — 256 — 266 — 266 — 283 — ho + — 52 + ei 000 — 62 4 800 o o o o o 0 117 114 143 127 11/4 337 346 347 337 — 3,0 336 — 285 ?? ?
