Effet Zeeman - Définition

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 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 soumise à un champ magnétique possèdent plusieurs composantes, chacune d'elles présentant une certaine polarisation. Ce phénomène, appelé par la suite effet Zeeman, confirma la théorie électromagnétique de la lumière.

Phénomène

L'effet a pour origine la subdivision des niveaux d'énergie des électrons des atomes plongés dans un champ magnétique. Selon les conditions, les raies spectrales se divisent en un nombre 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'observation de l'effet Zeeman permet de calculer l'intensité de champs magnétiques dans différentes parties de la galaxie.

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 comme une particule, orbitant de façon classique autour du noyau. Par contre, le moment angulaire est quantifié.

L'électron sur son orbite de rayon r et de vitesse v représente donc un courant électrique I exprimé par :

.

Ce courant génère un moment magnétique :

.

Le vecteur est perpendiculaire à l'aire comprise par l'électron sur son orbite. Le moment magnétique peut aussi être exprimé à l'aide du moment angulaire de l'électron :

.

En effectuant une comparaison avec la définition du moment angulaire :

.

L'équation pour l'énergie potentielle dans un champ magnétique donne ( ):

ce qui donne déjà la décomposition des raies spectrales.

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

où m est est le nombre quantique magnétique et μ_B le magnéton de Bohr. Pour les niveaux d'énergie à l'intérieur de l'atome on a donc :

La décomposition ne dépend donc que du nombre magnétique.