[PDF] Mesure de la constante de Rydberg par spectroscopie à deux

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DEPARTEMENT DE

PHYSIQUE

DE L'ECOLE NORMALE SUPERIEURE

THESE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE

Paris VI -

présentée par

Jean-Claude GARREAU

pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE PARIS 6 Sujet de la thèse : "MESURE DE LA CONSTANTE DE RYDBERG PAR SPECTROSCOPIE A DEUX PHOTONS DES ETATS DE RYDBERG DE L'ATOME

D'HYDROGENE".

Soutenue le 26

Septembre

1989, devant le

jury composé de : M. B.

CAGNAC, Président

M. C. AUDOIN

M. J. BAUDON

M. F. BIRABEN

M. P. JUNCAR

M.

J. R. R. LEITE

THESE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE

Paris 6 -

Spécialité :

PHYSIQUE QUANTIQUE

présentée par

Jean-Claude GARREAU

pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE PARIS 6 Sujet de la thèse : "MESURE DE LA CONSTANTE DE RYDBERG PAR SPECTROSCOPIE A DEUX PHOTONS DES ETATS DE RYDBERG DE L'ATOME D'HYDROGENE".

Soutenue le 26

Septembre 1989, devant le

jury composé de : M. B.

CAGNAC,

Président

M. C. AUDOIN

M. J. BAUDON

M. F. BIRABEN

M. P. JUNCAR

M. J.R.R. LEITE

Ce travail a été effectué au Laboratoire de

Spectroscopie

Hertzienne

de l'Ecole Normale

Supérieure (Halle aux Vins) pendant

la période

1985-1989.

Je remercie d'abord Monsieur le Professeur Jean BROSSEL et Monsieur

Jacques

DUPONT-ROC de

m'y avoir accueilli, me faisant ainsi bénéficier de conditions de recherche exceptionnelles. Je tiens aussi à remercier MM. Claude COHEN-TANNOUDJI et Luiz

DAVIDOVICH, grâce

qui mon séjour en France est devenu possible. Je remercie Monsieur Bernard CAGNAC d'avoir suivi de près ce travail et d'avoir accepté de présider le jury. J'ai eu la chance de travailler sous l'orientation de

François

BIRABEN, dont la maîtrise du

sujet, l'enthousiasme et la gentillesse ont été fondamentaux pour moi. J'ai eu le plaisir de travailler avec Lucile

JULIEN,

dont je suis aussi redevable.

Je tiens à remercier

Dominique

DELANDE et Bernard GYORS

pour une aide constante et patiente, en particulier en ce qui concerne l'utilisation des systèmes informatiques et le calcul numérique. Je remercie l'ensemble de chercheurs du Laboratoire qui m'ont souvent fait bénéficier de leurs connaissances dans le domaine de la

Physique.

Je leur

suis gré de l'agréable atmosphère de recherche de ce Laboratoire.

Je tiens à remercier le

personnel technique, MM.

QUILBEUF

et

TOMME, de

l'atelier de

Mécanique,

MM.

CLERGEAU, REGAZZI et

MAIZIA, de l'atelier

d'Electronique, ainsi que

MM. FLORY et TREHIN.

Je remercie

également

MM. Y. MILLERIOUX et P. JUNCAR de l'Institut

National de

Métrologie pour

le prêt d'un laser de référence.

Je remercie vivement MM. Claude

AUDOIN, Jacques BAUDON, Patrick JUNCAR

et José R. R. LEITE qui m'ont fait l'honneur de participer

à ce

jury ; je leur suis reconnaissant de cette marque d'intêret.

Je ne saurais terminer sans remercier Mmes.

Brigitte ENRIQUE

et

OLLIVIER, qui

ont assuré le traitement informatique de ce manuscrit, aussi bien que

Mlle. GAZAN et M.

MANCEAU, responsables

du tirage et de la reliure. Mon séjour en France a été finacé par une bourse de la CAPES (Coordenação de

Aperfeiçoamento

de Pessoal do Ensino

Superior), je

l'en remercie.

TABLE DE MATIERES

Remerciments

Table de Matières

INTRODUCTION ........................................................ 1 I - LA CONSTANTE DE RYDBERG ET SES METHODES DE MESURE ............... 5

1.1 - La

spectroscopie de l'Hydrogène et la

Mécanique

Quantique

................................................. 5 1.2 -

L'importance

de la mesure de la constante de

Rydberg

dans la physique actuelle ........................ 10

1.2.1 -

Rapport

avec la théorie .......................... 10

1.2.2 -

Rapport

avec d'autres quantités .................. 12

1.2.3 -

Hydrogène :

un étalon de fréquence?

Liaison entre différentes

parties du spectre ..... 13

1.2.4 - La

"cinquième force"

électromagnétique .....

14

1.3 - Les mesures de la constante de

Rydberg

de 1927 à

1973 ..................................................... 14

1.4 - Les mesures de la constante de

Rydberg

par spectroscopie laser sans effet

Doppler jusqu'à

1986 ..................................................... 15

1.4.1 - La

spectroscopie d'absorption saturée ............ 16

1.4.2 - La

spectroscopie

à deux

photons .................. 16

1.4.3 - Jet

atomique et faisceau laser perpendiculaires ..... 17

1.4.4 - Les résultats.

Comparaison

entre différentes techniques ..... 17

1.5 - Notre

expérience de mesure de la constante de

Rydberg

.................................................. 20

1.5.1 - Considérations

générales ......................... 20

1.5.2 - Les choix fondamentaux de notre

expérience ....................................... 22

1.6 - Les autres mesures de la constante de

Rydberg

depuis

1986 .............................................. 26

Reférences du

Chapitre

I ....................................... 30

II - RESUME DE LA THEORIE DE L'ATOME D'HYDROGENE ................... 33

2.1 - L'atome de

Schrôdinger

.................................. 33

2.2 - L'atome de Dirac ........................................ 36

2.2.1 - Solution exacte

pour un noyau de masse infinie ......................................... 36

2.2.2 - Les corrections de masse réduite ................ 38

2.2.3 - Les résultats ................................... 39

2.3 - Les corrections radiatives. Le Lamb-shift ............... 40

2.3.1 - Les

processus contribuant aux corrections radiatives ...................................... 40

2.3.2 - Les corrections radiatives ...................... 44

2.3.3 - Les résultats

numériques ........................ 50

2.4 - Effets de la structure du

noyau.

Structure

hyperfine ............................................... 54

2.5 - La

spectroscopie atomique et les tests de la QED ........ 59

2.5.1 -

Hydrogène .....

60

2.5.2 - Positronium ..................................... 62

2.5.3 - Muonium ......................................... 63

2.5.4 - Hélium ionisé ..... 64

2.5.5 - Conclusion ...................................... 64

2.6 - Conclusion .............................................. 69

Références du

Chapitre

II ..................................... 71

III - LE MONTAGE EXPERIMENTAL ...................................... 75

3.1 - Le

jet de métastables .................................. 75

3.1.1 - La dissociation moléculaire .................... 75

3.1.2 - Le bombardement

électronique

................... 78

3.1.3 - L'interaction avec le laser .................... 83

3.1.4 - Le

système de détection des métastables ........ 84

3.1.5 - Influence des divers

paramètres sur le nombre de métastables ....................... 89

3.1.6 - Calcul du nombre de métastables ................ 94

3.1.7 - L'effet des collisions sur le

temps de vie des métastables dans la région d'interaction avec le laser ................... 100

3.1.8 - Mesure de la distribution de vitesse

des atomes métastables ........................ 101

3.2 - Les lasers ............................................ 104

3.2.1 - La structure du laser à colorant .............. 104

3.2.2 - La stabilisation et le

balayage du laser à colorant .................................... 109

3.2.3 - Le laser Hélium-Néon stabilisé sur

I2 .........

112

3.2.4 - Le

pilotage du laser à colorant ............... 117

3.3 - Le

signal atomique .................................... 123

3.3.1 - La cavité

optique ..... 123

3.3.2 - Le

signal observé ..... 123

Références du

Chapitre

III .................................. 126

IV - MONTAGE ET METHODE DE MESURE DES LONGUEURS D'ONDE ............ 129

4.1 - La méthode

interférométrique de mesure de longueurs d'onde ....................................... 129

4.2 - La méthode des miroirs virtuels ..... 134

4.3 - Le

montage expérimental ................................ 136

4.4 - Les modes des cavités à miroirs

sphériques. Le déphasage de Fresnel ................................... 141

4.4.1 - Cavités à

symétrie cylindrique parfaite ........ 141

4.4.2 - Cavités à

symétrie cylindrique légèrement imparfaite ..................................... 146

4.5 - Mesure du

déphasage de Fresnel ......................... 148

4.6 - Le

déphasage

à la réflexion et le vieillissement

des miroirs ............................................ 151

Références du

Chapitre

IV .................................... 156

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