L'effet Zeeman

L'effet Zeeman est la séparation des niveaux d'énergie atomiques et des raies spectrales en plusieurs composantes lorsqu'un atome est placé dans un champ magnétique externe.

Definition

L'effet Zeeman est le décalage et la séparation des niveaux d'énergie atomiques proportionnellement à un champ magnétique appliqué, résultant du couplage du champ au moment magnétique total de l'atome ; dans les champs faibles, la séparation dépend du nombre quantique magnétique mis à l'échelle par le facteur g de Landé.

Scope

Ce sujet couvre l'interaction du moment magnétique d'un atome avec un champ magnétique appliqué : l'effet Zeeman normal des systèmes sans spin, l'effet Zeeman anormal qui nécessite le spin de l'électron et le facteur g de Landé, le régime de Paschen–Back à champ fort dans lequel le spin et l'orbite se découplent, ainsi que la polarisation et les règles de sélection des composantes résultantes. Il aborde également les intensités de champ qui distinguent ces régimes.

Core questions

• Comment un champ magnétique divise-t-il un niveau atomique en sous-niveaux magnétiques ?
• Pourquoi le motif de séparation dépend-il du spin de l'électron via le facteur g de Landé ?
• Que se passe-t-il pour la séparation lorsque le champ magnétique devient très intense ?
• Quelles polarisations et règles de sélection régissent les composantes Zeeman ?

Key concepts

• Nombre quantique magnétique
• Magnéton de Bohr
• Facteur g de Landé
• Effet Zeeman normal versus anormal
• Découplage de Paschen–Back
• Composantes sigma et pi

Key theories

Effet Zeeman normal et anormal

Dans les champs faibles, un niveau de moment angulaire total J se divise en 2J+1 sous-niveaux également espacés, séparés par g_J μ_B B ; le cas normal (g = 1) a été expliqué classiquement, tandis que le cas anormal nécessite le facteur g de Landé dépendant du spin.

Régime de Paschen–Back

Lorsque l'interaction magnétique dépasse le couplage spin-orbite, les moments angulaires orbital et de spin se découplent et précessent indépendamment autour du champ, donnant un motif de séparation plus simple régi séparément par m_l et m_s.

Clinical relevance

L'effet Zeeman est utilisé pour mesurer les champs magnétiques dans les taches solaires et d'autres plasmas astrophysiques, pour construire des magnétomètres atomiques sensibles, et pour fournir les décalages de niveau dépendants de la position qui permettent à un ralentisseur Zeeman et à un piège magnéto-optique de confiner des atomes froids.

History

Zeeman a découvert l'élargissement et la séparation magnétiques des raies spectrales en 1896, et Lorentz a fourni une explication basée sur la théorie classique de l'électron, ce qui leur a valu un prix Nobel partagé. Les motifs anormaux ont résisté à l'explication jusqu'à ce que le spin de l'électron et le facteur g de Landé, au milieu des années 1920, complètent le tableau quantique.

Key figures

• Pieter Zeeman
• Hendrik Lorentz
• Alfred Landé

Seminal works

• zeeman1897
• foot2005

Frequently asked questions

Qu'est-ce que le magnéton de Bohr ?

Le magnéton de Bohr est l'unité naturelle du moment magnétique atomique, égale au moment magnétique associé à un quantum de moment angulaire orbital de l'électron. Les séparations Zeeman sont commodément exprimées comme un multiple du magnéton de Bohr multiplié par l'intensité du champ.

Comment l'effet Zeeman est-il utilisé en astronomie ?

Étant donné que la séparation est proportionnelle au champ magnétique, la mesure de la séparation ou de la polarisation des composantes Zeeman dans la lumière stellaire — notamment dans les taches solaires — permet aux astronomes de déterminer l'intensité des champs magnétiques loin de la Terre.