Effet Zeeman

L’effet Zeemandésigne la séparation d'un niveau atomique d'énergie défini d'un atome ou d'une molécule en plusieurs sous-niveaux d'énergies distinctes, sous l'effet d'unchamp magnétiqueexterne. Il y a donc levée de dégénérescence des niveaux énergétiques. L'effet s'observe aisément parspectroscopie:lorsqu'une source de lumière est plongée dans unchamp magnétiquestatique, sesraies spectralesse séparent en plusieurs composantes. L'effet a été découvert par le physicien néerlandaisPieter Zeemanqui a reçu leprix Nobel de physiquede 1902 pour cette découverte.

Photo de l'effet Zeeman, prise en 1896 par Pieter Zeeman.

Histoire

Michael Faradaypressentait l'influence deschamps magnétiquessur lerayonnement lumineux,mais les faibles moyens de l'époque l'empêchèrent de le montrer. En1896,Zeeman découvrit que lesraies spectralesd'une source de lumière soumise à unchamp magnétiquepossèdent plusieurs composantes, chacune d'elles présentant une certainepolarisation.Ce phénomène, appelé par la suite «effet Zeeman», confirma la théorieélectromagnétiquede la lumière.

Phénomène

L'effet a pour origine la subdivision des niveaux d'énergie desatomesou desmoléculesplongés 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 etLorentz) ou bien en un nombre pair (et l'effet est dit «anomal» — ou « anormal » par simplification lexicale). Le plus souvent, le champ magnétique n'est pas assez intense pour que les raies se subdivisent et alors on observe seulement leur élargissement.

Par ailleurs, le clivage desniveaux d'énergieatomiques ou moléculaires s'accompagne d'une polarisation de la lumière émise (ou absorbée) lors des transitions entre niveaux différents. La nature et l'intensité de cette polarisation dépend de l'orientation du champ magnétique par rapport à l'observateur. Dans le cas d'un champ magnétique perpendiculaire à la ligne de visée, toutes les composantes sont polarisées linéairement, tandis que pour un champ magnétique orienté parallèlement à la ligne de visée la polarisation observée est circulaire. Alors que la mesure de l'élargissement des raies spectrales renseigne sur l'intensité du champ, l'analyse de la polarisation apporte donc des informations sur l'orientation du vecteur champ magnétique.

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. En revanche, le moment angulaire est quantifié.

L'électron sur son orbite de rayonret de vitessevreprésente donc uncourant électriqueIexprimé par:

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

Ce courant génère unmoment magnétique:

${\vec {\mu _{l}}}=I\cdot {\vec {S}}=-ev{\frac {r}{2}}\cdot {\hat {n}}$.

Le vecteur${\vec {S}}$est perpendiculaire à l'aire délimitée par l'électron sur son orbite et est égal au module de ladite aire.

Le moment magnétique peut aussi être exprimé à l'aide dumoment cinétique(ou moment angulaire) de l'électron:

${\vec {\mu _{l}}}=-{\frac {e}{2m_{e}}}\cdot {\vec {l}}$.

En effectuant une comparaison avec la définition du moment cinétique:

${\vec {l}}={\vec {r}}\times {\vec {p}}=m_{e}\cdot r\cdot v\cdot {\hat {n}}$.

L'équation pour l'énergie potentielledans un champ magnétique donne ($E_{\text{pot}}=-{\vec {\mu _{l}}}\cdot {\vec {B}}$):

$E_{\text{pot}}={\frac {e}{2m_{e}}}\cdot {\vec {l}}\cdot {\vec {B}}$

ce qui donne déjà la décomposition des raies spectrales.

Supposant que le champ magnétique pointe vers l'axez,la quantification du moment cinétique ($l_{z}=m_{l}\cdot \hbar$) permet de simplifier l'équation:

$E_{\text{pot}}={\frac {e\cdot \hbar }{2m_{e}}}m_{l}\cdot B=\mu _{B}\cdot m_{l}\cdot B$

oùmest lenombre quantique magnétiqueet$\mu _{B}$lemagnéton de Bohr.Pour les niveaux d'énergie à l'intérieur de l'atome on a donc:

$E=E_{\text{Cinétique}}+E_{\text{Coulomb}}+\mu _{B}\cdot m_{l}\cdot B$

La décomposition ne dépend donc que du nombre magnétique.

Applications en astrophysique

Enastrophysique,une des premières applications de l'effet Zeeman a été la découverte, parGeorge Ellery Haleen1908,des champs magnétiques intenses associés auxtaches solaires.Horace W. Babcockest parvenu en1947à étendre ce type de mesure sur des étoiles autres que leSoleil.Aujourd'hui, la mesure du champ magnétique solaire est effectuée quotidiennement, via l'effet Zeeman, par des instruments embarqués sur satellite (par exemple le satelliteSoHO). Enphysique stellaire,des mesures similaires sont réalisées par les spectropolarimètres ESPaDOnSauTélescope Canada-France-Hawaï,et NARVALautélescope Bernard LyotduPic du Midi de Bigorre.

Par ailleurs, la mesure de l'effet Zeeman permet de calculer l'intensité des champs magnétiques de notreGalaxie.

Applications en chimie

L'effet Zeeman est à la base des spectroscopies de résonance magnétique (nucléaireetélectronique) qui permettent de détecter et caractériser les molécules dont les niveaux d'énergie sont affectés par les champs magnétiques, ce qui est souvent le cas dans les molécules organiques par exemple.

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