CHAPITRE II

Excitation des jets atomiques par les décharges de haute fréquence.

Jets atomiques. — Nous venons de voir que les sources de lumière excitées par les courants de haute fréquence émettent des raies relativement fines. Toutefois, l'effet Doppler-

Où E:

Fig. 57. — Production d’un jet atomique.

Fizeau impose à la finesse des raies une limite que l’on peut songer à dépasser dans l'excitation d’un gaz en équilibre cinétique, limite dont la grandeur est notable pour les corps légers et peu volatils. L'élimination de l'effet Doppler peut être réalisée par l'observation des jets atomiques inventés par Dunoyer (!). Une telle méthode a été indiquée par Bauer (?)

(£) L. Dunoyer, Comptes rendus, 152 (1911), p. 592. () E. Bauer, Comptes rendus, 178 (1924), p. 1268.

et utilisée avec succès par À Bogros (!) dans l'étude de la structure hyperfine de la raie de résonance du lithium.

Je rappelle rapidement en quoi consiste un jet atomique : une enceinte E, à température uniforme contient sous une pression de quelques baryes, la vapeur du corps dont Îles atomes formeront le jet. L'enceinte possède une ouverture 0, dont une dimension au moins est petite par rapport au libre parcours moyen des atomes (ou des molécules) du gaz. Une

Fig. 58. — Schéma d’un jet atomique.

deuxième ouverture O, analogue à O, est placée à 1 ou 2 cm. On maintient dans l’espace intermédiaire KE, entre O, et O, et dans l’espace E, au delà de O, un bon vide. Dans ces conditions, l’espace E, ne reçoit de E, que.les atomes ayant franchi les ouvertures O, et O, ; la distance O,0, étant inférieure au libre parcours des atomes, les atomes se déplacent en ligne droite dans l’espace 0,0, ; les atomes parcourent alors dans E, des trajets rectilignes passant par un point de O, et de O, ; si les dimensions transversales de O, et O, sont petites par rapport à la distance O, O,, toutes les

(‘) A. Bocros, Annales de Physique, 17 (1932), p. 199.

trajectoires atomiques ont sensiblement la même direction et forment dans l’espace E, un véritable jet qui reste d'autant mieux défini que la pression résiduelle dans E, est plus basse et que les chocs à l’intérieur du jet sont moins nombreux.

Elargissement des raies spéctrales par effet Doppler-Fizeau, dans un gaz en équilibre cinétique. — Le sujet est traité dans “le livre de M. E. Bloch sur la théorie cinétique des gaz (!). Si l’on admet que les vitesses des atomes (ou des molécules) d’un gaz obéissent à la loi de Maxwell, une radiation rigoureusement monochromatique est remplacée par une raie large dans laquelle la répartition des intensités en fonction de la fréquence est de la forme :

M Av \2 rs LS e2RT AT iv

en désignant par M la massse moléculaire (ou atomique) du gaz, R la constante moléculaire des gaz parfaits, 'T, la température absolue, v la vitesse de la lumière.

Effet Doppler-Fizeau donné par un jet atomique. — Tous les atomes d’un jet ayant des vitesses sensiblement parallèles, les composantes de ces vitesses dans une direction d’observation perpendiculaire à la direction moyenne sont petites, l'effet Doppler-Fizeau doit donc se trouver considérablement réduit. Il m'a paru intéressant de déterminer de façon précise la limite de finesse des raies spectrales données par un jet atomique ayant une ouverture finie.

Nous allons supposer que des atomes, excités par un procédé quelconque, mais en l'absence de champ électrique ou magnétique, et susceptibles d'émettre tous la même radia-

(@)-E: Brocn. Théorie cinétique des gaz, Paris, Armand Colin, p. 159.

tion monochromatique de fiéquence v, forment un jet délimité par deux ouvertures rectangulaires égales de longueur a et de largeur b placées l’une au-dessus de l’autre à la distance d (fig. 59). Appelons O,, O,, les centres des deux rectangles, et rapportons les directions des trajectoires atomiques à trois axes 0,5, On, Of; Of parallèle au côté a du rectangle, O,1 confondu avec 0,0, et OÙ paral-

lèle à bd. La direction moyenne du ‘jet est O,n, et nous supposerons la lumière émise par les atomes excités reçue par un observateur à l'infini dans la direction O,£. Définissons la direction O,A d’une trajectoire (A dans le plan de l'ouverture O.) par sa latitude « et sa longitude w en prenant O,£ comme axe polaire. « est l’angle de O,A avec sa projection O,B dans le plan O,n et v l'angle de O,B avec Osn. (fig. 60). Nous appelerons Ÿ l'angle de O,A avec On. Rappelons que l’on a :

cos Ÿ — cos a cos p

et que, avec les coordonnées que nous avons choisies, l'angle solide élémentaire est :

dQ — cos adade.

Evaluons le nombre d’atomes qui sortent d'un élément de surface dS de l'ouverture O,.

À l'intérieur de l'enceinte E,, en dessous de O,, où le gaz

Fig. 6o.

est en équilibre cinétique, le nombre d’atomes par centimètre cube dont la vitesse est comprise entre c et c + dc est :

Une dne = in\/Le-r cde

-en désignant par n le nombre d’atomes par centimètre cube, et par p la quantité £ P= 2RT M masse atomique du gaz, R constante des gaz parfaits, T'température thermodynamique.

Parmi ces atomes il y en a :

dn.dQ RE QT = IVe ee cdcdQ

ns

134 FÉLIX ESOLANGON

par centimètre cube dont la direction de la vitesse est à l’intérieur d’un angle solide dQ.

Les atomes dont la vitesse est comprise, en grandeur, entre € et c + de, et en direction à l'intérieur de dQ et qui, en une seconde, traversent une surface S de l'ouverture O,, sont à l'intérieur d’un cylindre de volume :

SC cos

qui contient :

EE ; uno EN V e Se} «3 cos ddcdo.

Quelle est la partie « utile » de l'ouverture O,, c'est-à-dire la portion de O, telle que les atomes (ou molécules) qui la traversent, traversent également l'ouverture O,.

Il est facile de voir que la largeur utile de la fente est réduite de BA, et la longueur de O,B ; on a :

O,B = d'ig »

A ee cos © «

la surface S utile est alors :

b—diwp(a— dE)

cos ©

le nombre d’atomes de vitesse c dans l'angle 4Q traversant les deux fentes est, en une seconde :

Fr Se dtg Le dn = n\/ #0 dt #)(a— ee) cos Le Pe cdcda soit, en passant entièrement aux variables à et + : Aneuy = JE (b— digg) acose — diga)ccos ae -Pdcdade

Ces atomes produisent par effet Doppler une variation de fréquence ou de longueur d'onde :

ANSE AV ICISInTT

déplacement que je caractériserai par la variable æ,

vAX __ vAv

LT = C Sin à —

L’intensité de la raie déplacée de x est proportionnelle au nombre d'atomes produisant un déplacement compris entre æ et x + dx. Pour en faire le calcul, faisons dans l’intégrale qui donne le nombre total des atomes sortis par les deux fentes le changement de variable :