Quel est l'effet Zeeman?

L'effet Zeeman est une propriété de la physique où la lumière d'une raie spectrale est scindée en deux fréquences ou plus lorsqu'elle est sous la présence d'un champ magnétique. La propriété porte le nom de Pieter Zeeman, physicien néerlandais du XX e siècle, lauréat du prix Nobel de physique avec Hendrik Lorentz en 1902, pour avoir découvert cet effet. Le développement de la mécanique quantique a également modifié la compréhension de l'effet Zeeman en déterminant quelles raies spectrales étaient émises lorsque les électrons étaient déplacés d'une couche d'énergie à une autre dans leur orbite de noyaux atomiques. La compréhension de l'effet Zeeman a permis d'avancer dans les études de résonance paramagnétique électronique, ainsi que dans la mesure de champs magnétiques dans l'espace tels que ceux du Soleil et d'autres étoiles.

L'une des méthodes les plus simples pour comprendre le processus consiste à comprendre comment l'effet Zeeman se produit dans l'hydrogène. Un champ magnétique appliqué à une raie spectrale à transition hydrogène provoquera une interaction avec le moment dipolaire magnétique du moment angulaire orbital de l'électron et fendra la raie spectrale en trois lignes. Sans le champ magnétique, l'émission spectrale est dans une seule longueur d'onde, qui est régie par les nombres quantiques principaux.

L'effet Zeeman peut également être divisé en effet anormal Zeeman et effet normal Zeeman. L'effet Zeman normal est caractérisé par des atomes tels que l'hydrogène, où se produit une transition attendue vers l'affichage d'un espacement égal d'un triplet de raies spectrales. Dans un effet anormal, le champ magnétique peut au lieu de cela diviser les raies spectrales en quatre, six divisions ou plus, avec des espacements plus larges que prévu entre les longueurs d'onde. L'effet anormal a approfondi la compréhension du spin électronique et constitue en quelque sorte une erreur d'étiquetage, puisqu'il s'agit désormais d'un effet prédit.

Les résultats expérimentaux de l’étude de ce phénomène ont conclu que l’état de spin ou l’orientation de l’électron était un facteur clé du changement d’énergie qu’il subissait et donc du type d’émission spectrale qu’il produisait. Si le plan d'orbite d'un électron était perpendiculaire à un champ magnétique appliqué, il produirait alors un état de changement d'énergie positif ou négatif en fonction de sa rotation. Si l'électron était dans le plan de son orbite autour du noyau, la force nette ou l'état de changement d'énergie serait égal à zéro. Cela a permis de conclure que les effets de division de Zeeman pouvaient être calculés sur la base de l’orbite, ou du moment cinétique d’un électron, par rapport à tout champ magnétique appliqué.

Les observations originales suggéraient que l’effet Zeeman normal observé avec l’hydrogène, où une scission en trois raies spectrales se produisait, serait commun. En réalité, cela s’est avéré être une exception à la règle. En effet, la division en trois lignes spectrales est basée sur le moment angulaire, ou orbite d’un électron autour du noyau, alors qu’un état de spin d’électron a deux fois le moment magnétique du moment angulaire. L'état de spin est considéré comme un facteur plus important dans la production de l'effet Zeeman, et les états de spin, ou rotations d'électrons, doivent être théoriquement prédits à l'aide de l'électrodynamique quantique.

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