ZEEMAN EFFET

Carte mentale

Élargissez votre recherche dans Universalis

Effet Zeeman des atomes et ions libres

Généralités

Pour un atome ou un ion libre (dans la suite de l'article, on utilisera le mot « atome » pour désigner l'une ou l'autre entité), la symétrie géométrique de H0 comporte, notamment, toutes les rotations autour d'axes passant par le noyau atomique O. Il en résulte qu'en champ magnétique nul chaque niveau propre Ei possède un moment cinétique total F de module bien défini F(F + 1), avec F = 0, 1, ... ou avec F = 1/2, 3/2, ... et une dégénérescence d'ordre 2F + 1. On prendra ici h/2 π comme unité de moment cinétique. Les règles de sélection pour les transitions dipolaires électriques ou magnétiques (les plus intenses et les seules considérées ici) sont :

les transitions entre deux niveaux de F = 0 étant interdites.

Si B est non nul, on peut prendre sa direction comme axe des z, convention qui sera conservée dans toute la suite. La symétrie géométrique de H se réduit à Ch. Le moment cinétique total des niveaux propres de H n'est plus défini en toute rigueur, mais la composante Fz de F suivant l'axe Oz reste bien définie : Fz = M, avec M = 0, ± 1, ... ou avec M = ± 1/2, ± 3/2, ... Les règles de sélection s'écrivent ΔM = 0 ou ± 1 et s'accompagnent de règles de polarisation. Pour les transitions dipolaires électriques (les plus intenses) :

– Une transition ΔM = 0 est dite transition π. Elle est polarisée linéairement, parallèlement à Oz, et n'apparaît donc pas en observation longitudinale, c'est-à-dire dans la direction de B.

– Une transition ΔM = + 1 en absorption (ou ΔM = − 1 en émission) est dite transition σ+. Elle est généralement polarisée elliptiquement et prend des polarisations simples pour deux directions particulières d'observation : pour l'observation transversale (si l'on regarde perpendiculairement à la direction de B), elle est polarisée linéairement, perpendiculairement à Oz ; en observation longitudinale, elle est polarisée circulairement dans le sens de la rotation du courant électrique qui crée le champ B. L'intensité des composantes σ+ est deux fois plus grande en observation longitudinale qu'en observation transversale.

– Une transition ΔM = − 1 en absorption (ou ΔM = + 1 en émission), est dite transition σ-. Elle présente les mêmes caractéristiques qu'une transition σ+, mis à part une inversion du sens de rotation des vibrations elliptiques ou circulaires.

Dans le cas de transitions dipolaires magnétiques (beaucoup moins intenses que les précédentes), les règles de polarisation sont inchangées en observation longitudinale. En revanche, en observation transversale, ce sont les raies ΔM = 0 qui apparaissent polarisées perpendiculairement à Oz et les raies ΔM = ± 1 parallèlement à Oz.

Négligeant des termes en B2 dont l'effet est très peu important pour les intensités de champ magnétique pratiquement réalisables, le hamiltonien V(B) d'interaction entre atome et champ d'induction peut se mettre sous la forme − M . B, où M est l'opérateur moment magnétique atomique. En détaillant l'expression de M, on obtient :

où β, le magnéton de Bohr, est égal à eh/4πm, d'où β/h = 14,0 GHz ( T-1 et où Lz, Sz, et Iz sont respectivement les composantes suivant Oz des opérateurs L, moment cinétique électronique total, S, moment cinétique total de spin électronique, et I, moment cinétique nucléaire. Les coefficients gS et gI sont sans dimension. le coefficient gS égal est à 2,002 32, valeur déterminée théoriquement par l'électrodynamique quantique et parfaitement confirmée par l'expérience. Le coefficient gI, appelé facteur de Landé nucléaire, dépend du noyau de l'atome ; il peut être positif ou négatif, mais il reste toujours de l'ordre de 10-3 ou de 10-4, de sorte que, dans l'expression (2), le terme en gIIz est généralement très faible par rapport aux deux autres ; il est complètement absent pour les isotopes dépourvus de spin nucléaire. On considérera ci-dessous un tel isotope sans spin nucléaire. On désigne alors traditionnellement par J l'opérateur moment cinétique total :

Atome sans spin nucléaire. Effet Zeeman linéaire

Quand B est assez faible pour que les décompositions Zeeman de chaque niveau soient très petites devant l'écart entre les niveaux en champ nul, il suffit d'utiliser la théorie des perturbations à l'ordre le plus bas. Un niveau de champ nul d'énergie E0, de moment cinétique total J(J + 1), se décompose en 2J + 1 sous-niveaux Zeeman équidistants, caractérisés chacun par une valeur différente de Jz = MJ, avec MJ = − J, − J + 1, ..., J. Les énergies de ces sous-niveaux sont :

où le facteur de Landé gJ est un coefficient sans dimension, caractéristique du niveau atomique considéré. Pour une transition entre un niveau (E0, J) et un niveau (E′0, J′), la position de l'ensemble des composantes Zeeman de la raie émise ou absorbée se calcule en fonction de deux paramètres seulement, les facteurs de Landé gJ et gJ des deux niveaux en question (voir sur la figure c l'exemple des transitions entre un niveau de J = 1/2 et des niveaux J′ = 1/2 et J′ = 3/2). De plus, l'intensité relative des différentes composantes Zeeman d'une transition (E0, J) → (E′0, J′) peut être calculée une fois pour toutes, indépendamment de la nature de l'atome en question.

Le tableau indique les intensités en observation longitudinale pour les composantes σ+ et σ- et les intensités en observation transversale pour les composantes π. En observation transversale, il convient de diviser par 2 les intensités indiquées pour les composantes σ. On peut vérifier, à partir du tableau, que, pour une transition (J → J′) donnée, la somme I+ des intensités des composantes σ+ est égale à la somme Iπ des intensités des composantes π et à la somme I- des intensités des composantes σ-. Il en résulte que l'émission totale, sommée sur l'ensemble des composantes Zeeman d'une raie, est isotrope. Dans la direction du champ magnétique, on a une intensité I+ + I- et, dans une direction transverse, on a une intensité égale à Iπ + (I+ + I-)/2. Sur la figure c sont indiquées les polarisations des composantes Zeeman et leurs intensités relatives, calculées d'après le tableau.

Intensités relatives d'une transition

Tableau : Intensités relatives d'une transition

Intensités relatives des composantes Zeeman d'une transition (E0J) → (E′0.J′). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

L'effet Zeeman est un outil très utile pour l'interprétation des spectres atomiques. En observant le nombre, la polarisation et l'intensité des composantes Zeeman d'une raie spectrale, on peut déduire, d'après ce qui précède, les nombres quantiques J et J′ des deux niveaux en jeu dans cette transition, ce qui facilite la classification des raies, puis celle des niveaux atomiques. En outre, en mesurant la position des composantes Zeeman dans un champ d'intensité B connue, on obtient les facteurs de Landé gJ et gJ que l'on peut comparer à des valeurs théoriques calculées à partir du hamiltonien « perturbateur » V(B) de l'équation (2) et des fonctions d'onde décrivant les états propres de l'atome en champ nul. Ce calcul est plus ou moins compliqué suivant les cas et suivant la précision requise. On se bornera à indiquer quelques résultats simp [...]

1  2  3  4  5
pour nos abonnés,
l’article se compose de 9 pages

Médias de l’article

Effet Zeeman : exemple hypothétique

Effet Zeeman : exemple hypothétique
Crédits : Encyclopædia Universalis France

diaporama

Intensités relatives d'une transition

Intensités relatives d'une transition
Crédits : Encyclopædia Universalis France

tableau

Afficher les 2 médias de l'article


Écrit par :

Classification

Autres références

«  ZEEMAN EFFET  » est également traité dans :

ATOMIQUE PHYSIQUE

  • Écrit par 
  • Philippe BOUYER, 
  • Georges LÉVI
  •  • 6 703 mots
  •  • 1 média

Dans le chapitre « La structure fine. Le couplage spin-orbite »  : […] L'approximation du champ central est trop grossière pour rendre compte avec précision des spectres expérimentaux. Il existe d'autres interactions qui déplacent et scindent les niveaux d'énergie déterminés dans l'approximation du champ central. Ici ne seront abordées que les plus importantes. En premier lieu, si toutes les couches de l'atome ne sont pas complètes, il existe un terme de correction […] Lire la suite

LORENTZ HENDRIK ANTOON (1853-1928)

  • Écrit par 
  • Sybren R. de GROOT, 
  • Leendert G. SUTTORP, 
  • Christiaan G. VAN WEERT
  •  • 1 482 mots

Dans le chapitre « L'effet Zeeman »  : […] En 1896, un événement allait brusquement donner à Lorentz une renommée mondiale. En cette année, à l'université de Leyde, où il était professeur depuis 1878, le physicien Pieter Zeeman découvrait qu'une des raies spectrales émises par le sodium était séparée en trois si la source de sodium se trouvait dans un champ magnétique. Ce phénomène, appelé effet Zeeman, allait jouer un rôle capital en phy […] Lire la suite

PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Fermions

  • Écrit par 
  • Jean-Eudes AUGUSTIN, 
  • Michel PATY, 
  • Bernard PIRE
  •  • 16 248 mots
  •  • 13 médias

Dans le chapitre « Le spin de l'électron »  : […] Avant que l'expérience de Davisson et Germer ne vînt prouver la réalité de la diffraction de l'électron, une autre propriété allait lui être attribuée : un moment angulaire intrinsèque appelé spin, qui signifie ici tourner sur soi-même. La découverte du spin trouve sa source une fois encore dans l'étude des spectres d'émission des atomes, et même dans l'étude de l'effet Zeeman. Dès 1898, grâce à […] Lire la suite

POMPAGE OPTIQUE

  • Écrit par 
  • Alfred KASTLER
  •  • 4 288 mots
  •  • 3 médias

Dans le chapitre « Applications »  : […] La méthode de pompage optique qui permet de changer les répartitions de population entre les états Zeeman ou entre les états de structure hyperfine d'un atome en phase vapeur fait l'objet de nombreuses applications. Toute cause qui produit une modification du degré d'orientation est susceptible d'être étudiée. Il devient ainsi possible de faire, dans les différents cas, une étude détaillée des pro […] Lire la suite

RÉSONANCE MAGNÉTIQUE

  • Écrit par 
  • Jacques COURTIEU, 
  • Maurice GOLDMAN
  •  • 7 307 mots
  •  • 1 média

Dans le chapitre « Principe de la résonance magnétique »  : […] Chaque électron d'un atome possède une propriété analogue à ce que lui conférerait une rotation autour du noyau atomique, que l'on caractérise par une grandeur vectorielle appelée moment angulaire orbital. Il possède de plus un moment angulaire intrinsèque, analogue à celui d'un gyroscope, appelé spin (de l'anglais spinning top  : toupie). À chaque moment angulaire est associé un moment magnétiqu […] Lire la suite

SPECTROSCOPIE

  • Écrit par 
  • Michel de SAINT SIMON
  •  • 5 069 mots
  •  • 8 médias

Dans le chapitre «  Spectroscopie atomique »  : […] Les spectres des atomes ont pu être compris dans le cadre de la physique atomique qui, se fondant sur la mécanique quantique, décrit les niveaux d'énergie occupés par les électrons du cortège électronique. Une raie d'émission correspond à la transition d'un électron d'un niveau vers un autre niveau de moindre énergie, l'énergie excédentaire étant évacuée par le photon émis sous forme d'énergie él […] Lire la suite

STARK EFFET

  • Écrit par 
  • Pierre MOYEN
  •  • 525 mots

Sous l'action d'un champ électrique, les niveaux d'énergie d'un atome sont perturbés et, par conséquent, les raies émises par cet atome sont modifiées. Elles sont décomposées en plusieurs composantes dont le centre de gravité peut être déplacé par rapport à la raie initiale. Cet effet, analogue à l'effet Zeeman, est beaucoup plus difficile à observer, car une source lumineuse est le plus souvent c […] Lire la suite

ZEEMAN PIETER (1865-1943)

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 412 mots

Né le 25 mai 1865 dans le petit village de Zonnemaire, sur l’île de Schouwen, en Zélande (Pays-Bas), Pieter Zeeman était le fils d’un pasteur protestant. Ses études à l’université de Leyde le firent côtoyer Heike Kamerlingh Onnes (Prix Nobel en 1913) et Hendrik Antoon Lorentz avec qui il partagera le prix Nobel en 1902. Après son doctorat en 1893, il passa six mois à Strasbourg, puis retourna à Le […] Lire la suite

Voir aussi

Pour citer l’article

Jean MARGERIE, « ZEEMAN EFFET », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/effet-zeeman/