On the determination of the Boltzmann constant by means of precision molecular spectroscopy in the near-infrared

Antonio Castrillo; Giovanni Casa; Andrea Merlone; Gianluca Galzerano; Paolo Laporta; Livio Gianfrani

doi:10.1016/j.crhy.2009.10.010

On the determination of the Boltzmann constant by means of precision molecular spectroscopy in the near-infrared
[Vers une détermination de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser moléculaire dans l'infrarouge proche]

Antonio Castrillo ¹ ; Giovanni Casa ¹ ; Andrea Merlone ² ; Gianluca Galzerano ³ ; Paolo Laporta ³ ; Livio Gianfrani ¹

¹ Dipartimento di Scienze Ambientali, Seconda Università di Napoli, and CNISM – Unità Napoli 2, Via Vivaldi 43, 81100 Caserta, Italy
² Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Torino, Italy
³ Dipartimento di Fisica, Politecnico di Milano and Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN-CNR), Milano, Italy

Comptes Rendus. Physique, Volume 10 (2009) no. 9, pp. 894-906.

Résumé
Abstract

La spectroscopie d'absorption laser, dans le domaine de l'infrarouge proche, s'avère une puissante méthode pour la thermométrie primaire à gaz. L'objectif expérimental est de déterminer la largeur Doppler à partir d'une analyse très précise de la forme des raies d'absorption linéaire observées dans un système atomique ou moléculaire en phase gazeuse à l'équilibre thermodynamique. Appliquée au gaz carbonique à la longueur d'onde de 2-μm, cette technique a permis de déterminer la constante de Boltzmann avec une exactitude relative de $1.6 \times 10^{- 4}$ . Cet article analyse les facteurs principaux, de nature fondamentale ou instrumentale, qui peuvent limiter l'exactitude obtenue. Il suggère également que, en changeant la nature du gaz, la longueur d'onde du laser et la méthode d'étalonnage en fréquence, une exactitude meilleure que 10⁻⁶ en valeur relative peut être atteinte.

Intensity-stabilized laser absorption spectroscopy, in the near-infrared, represents an extremely powerful tool for primary gas thermometry, provided that an accurate procedure of frequency calibration is used. The method consists in retrieving the Doppler width from highly accurate observations of the shape of a spectral line in any atomic or molecular system in the gas phase, at the thermodynamic equilibrium. Applied to CO₂ samples in the 2-μm wavelength region, it has recently allowed to perform a spectroscopic determination of the Boltzmann constant with a relative accuracy of $1.6 \times 10^{- 4}$ . We here discuss the main factors, of both fundamental and technical nature, limiting the accuracy of this method and report on the possibility of approaching the target accuracy of 10⁻⁶ by changing the molecular sample, the operation wavelength and the frequency calibration technique.

Publié le : 2009-11-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2009.10.010

Keywords: Laser spectroscopy, Spectral line shapes, Determination of fundamental constants
Mot clés : Spectroscopie laser, Forme de raie, Constantes fondamentales

Affiliations des auteurs :

Antonio Castrillo ¹ ; Giovanni Casa ¹ ; Andrea Merlone ² ; Gianluca Galzerano ³ ; Paolo Laporta ³ ; Livio Gianfrani ¹

¹ Dipartimento di Scienze Ambientali, Seconda Università di Napoli, and CNISM – Unità Napoli 2, Via Vivaldi 43, 81100 Caserta, Italy
² Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Torino, Italy
³ Dipartimento di Fisica, Politecnico di Milano and Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN-CNR), Milano, Italy

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Antonio Castrillo; Giovanni Casa; Andrea Merlone; Gianluca Galzerano; Paolo Laporta; Livio Gianfrani. On the determination of the Boltzmann constant by means of precision molecular spectroscopy in the near-infrared. Comptes Rendus. Physique, Volume 10 (2009) no. 9, pp. 894-906. doi : 10.1016/j.crhy.2009.10.010. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2009.10.010/

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