Effet Zeeman
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L'effet Zeeman est un phénomène physique, découvert par Pieter Zeeman, physicien néerlandais qui reçut le prix Nobel de physique en 1902.

Histoire

Michael Faraday sentait l'influence des champs magnétiques sur le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) lumineux, mais les faibles moyens de l'époque l'empêchèrent de le montrer. En 1896, Zeeman découvrit que les raies spectrales d'une source de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à la...) soumise à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par...) possèdent plusieurs composantes, chacune d'elles présentant une certaine polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour créer du courant dans le...). Ce phénomène, appelé par la suite effet Zeeman (L'effet Zeeman est un phénomène physique, découvert par Pieter Zeeman, physicien néerlandais qui reçut le prix Nobel de physique en 1902.), confirma la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent...) électromagnétique de la lumière.

Phénomène

L'effet a pour origine la subdivision des niveaux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des électrons des atomes plongés dans un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique. Selon les conditions, les raies spectrales se divisent en un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) impair de composantes (et l'effet est dit " normal ", tel qu'il a été prévu par Zeeman et Lorentz) ou bien en un nombre pair (et l'effet est dit " anormal "). Le plus souvent, le champ magnétique n'est pas assez intense pour que les raies se subdivisent et alors on observe seulement leur élargissement.

En astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la...), l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) de l'effet Zeeman permet de calculer l'intensité de champs magnétiques dans différentes parties de la galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son...).

Effet Zeeman normal

L'effet Zeeman normal peut être décrit à l'aide d'un modèle semi-classique. Cela signifie que l'on considère l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) comme une particule, orbitant de façon classique autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5...) du noyau. Par contre, le moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle analogue à la quantité de mouvement dans le cas des rotations....) est quantifié.

L'électron sur son orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) de rayon r et de vitesse (On distingue :) v représente donc un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau...) I exprimé par :

I = - e \cdot \frac{v}{2\pi r}.

Ce courant génère un moment magnétique :

\vec{\mu_l} = I \cdot \vec{A} = -e v \frac{r}{2} \cdot \hat{n}.

Le vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un...) \vec{A} est perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil...) à l'aire comprise par l'électron sur son orbite. Le moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.) peut aussi être exprimé à l'aide du moment angulaire de l'électron :

\vec{\mu_l} = -\frac{e}{2 m_e} \cdot \vec{l}.

En effectuant une comparaison avec la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) du moment angulaire :

\vec{l} = \vec{r} \times \vec{p} = m_e \cdot r \cdot v \cdot \hat{n}.

L'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines des...) pour l'énergie potentielle dans un champ magnétique donne (E_{pot} = - \vec{\mu_l} \cdot \vec{B}):

E_{pot} = \frac{e}{2 m_e} \cdot \vec{l} \cdot \vec{B}

ce qui donne déjà la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont...) des raies spectrales.

Supposant que le champ magnétique pointe vers l'axe z, la quantification du moment angulaire (l_z = m \cdot \hbar) permet de simplifier l'équation :

E_{pot} = \frac{e\cdot \hbar}{2 m_e}m \cdot B = \mu_B \cdot m \cdot B

m est est le nombre quantique (Un nombre quantique est, en mécanique quantique, un élément d'un jeu de nombres permettant de définir l'état quantique complet d'un système. Chaque nombre...) magnétique et μB le magnéton de Bohr. Pour les niveaux d'énergie à l'intérieur de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) on a donc :

E = E_{coulomb} + \mu_B\cdot m \cdot B

La décomposition ne dépend donc que du nombre magnétique.

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