ZEEMAN EFFET

En 1896, le physicien néerlandais Pieter Zeeman a découvert que, lorsqu'un spectre atomique est émis par une lampe soumise à un champ magnétique suffisamment élevé, chaque raie spectrale se divise en plusieurs composantes polarisées linéairement ou circulairement. Ce phénomène s'est révélé par la suite d'une extrême généralité. On peut aujourd'hui définir l'effet Zeeman comme « l'action d'un champ magnétique sur les niveaux quantiques d'un système submicroscopique S (atome, ion, molécule, noyau atomique, défaut ou impureté dans un cristal...) et, par voie de conséquence, sur les radiations électromagnétiques en interaction avec S ».

La figure a représente l'énergie E des niveaux quantiques d'un système S en fonction du champ magnétique B. Pour B = 0, on supposera que S possède trois niveaux α, β, γ. La transition de S entre les niveaux α et β s'accompagne de l'absorption ou de l'émission de la radiation de fréquence :

L'énergie des différents niveaux de S est fonction de B. Par suite, la fréquence des raies spectrales correspondantes dépend aussi de B (déplacement Zeeman). En outre, certains niveaux de S, comme γ, restent simples en présence de champ magnétique (on dit qu'ils sont non dégénérés en absence de champ), alors que α et β se décomposent en plusieurs sous-niveaux Zeeman α₁, α₂, α₃ et β₁, β₂, β₃. On dit que α et β sont chacun triplement dégénérés en absence de champ et que l'application du champ lève leur dégénérescence. Il en résulte une décomposition des raies spectrales correspondantes. Sur la figure c, relative à un champ B₁ ≠ 0, la transition β → γ a donné naissance à trois composantes Zeeman du fait de la décomposition triple de β. La transition α → β a donné six composantes sur les 3 × 3 = 9 que l'on aurait pu attendre. Comme en champ nul, certaines transitions (α₁→ β₃, par exemple) sont interdites par des règles de sélection. En général, les transitions observées en champ non nul sont polarisées, la polarisation dépendant à la fois de la transition considérée et de l'orientation de la direction d'observation par rapport au champ magnétique (et éventuellement par rapport aux axes cristallographiques).

Dans ce qui précède, on a envisagé des transitions telles que α₁→ β₁, β₂→ γ, ... entre deux sous-niveaux Zeeman correspondant à deux niveaux d'énergie distincts en champ nul. Mais on peut également observer des transitions telles que α₁→ α₂ entre sous-niveaux Zeeman correspondant à un même niveau en champ nul. L'étude de ces transitions « internes » fait partie de la spectroscopie des radiofréquences (cf. magnétochimie, spectroscopie) : résonance magnétique nucléaire si le système S est un noyau atomique, résonance paramagnétique électronique si S est un centre paramagnétique, etc. Ces diverses techniques, traitées ailleurs, sont étroitement liées à l'effet Zeeman.

Théorie quantique

Aussitôt après la découverte de Zeeman, Lorentz en a donné une interprétation dans le cadre de la mécanique et de l'électromagnétisme classiques. La théorie de Lorentz ne rend compte que d'une partie des phénomènes observés (effet Zeeman dit normal, cf. chap. 2, Effet Zeeman linéaire) et elle est complètement abandonnée de nos jours au profit d'une[...]