Demandez à Ethan : comment les champs magnétiques divisent-ils les niveaux d'énergie ?

L'une des choses les plus remarquables de la physique est son caractère universel. Si vous prenez la même espèce de noyau atomique - avec un nombre fixe de protons et de neutrons - alors il n'y aura qu'un ensemble fixe de niveaux d'énergie que les électrons en orbite autour de ce noyau peuvent occuper. Lorsque les électrons font la transition entre les différents niveaux d'énergie, ils émettent (lorsqu'ils tombent à des niveaux d'énergie inférieurs) et absorbent (lorsqu'ils montent à des niveaux d'énergie plus élevés) des photons d'une longueur d'onde et d'une énergie très spécifiques : seules les longueurs d'onde et les énergies autorisées par les règles de la mécanique quantique. Les valeurs de ces niveaux d'énergie sont universelles : les mêmes pour tous les atomes d'une même espèce partout et à tout moment dans l'Univers.

Jusqu'à ce que vous appliquiez un champ électrique ou magnétique externe. Tout d'un coup, ces niveaux d'énergie se divisent et prennent une grande variété de valeurs, la quantité de division dépendant entièrement de la force du champ appliqué. Mais comment est-ce possible ? C'est ce que Jon Coal veut savoir, demandant :

"Hé, avez-vous déjà fait un article sur l'effet Zeemen ? […] Je suppose que ce que j'essaie de comprendre, c'est que théoriquement, la lumière ne peut pas être courbée par un champ magnétique ou électrique. Donc, ces effets , Zeeman et Stark, modifient-ils la structure atomique [elle-même] ?"

L'effet Zeeman est ce que nous voyons lorsque nous appliquons un champ magnétique externe, et l'effet Stark est ce que nous voyons lorsque nous appliquons un champ électrique externe. Les deux divisent vraiment les niveaux d'énergie atomique, mais pas de la manière à laquelle on pourrait s'attendre.

Tout d'abord, c'est vrai : la lumière, bien qu'elle soit elle-même une onde électromagnétique, ne peut être déformée ni par un champ magnétique ni par un champ électrique. Les champs électriques et magnétiques font, de manière assez connue, la courbure des particules en mouvement, mais seulement si ces particules elles-mêmes sont composées de charges électriques non nulles.

Mais un photon est non chargé et n'est composé d'aucun constituant chargé. Alors que les champs magnétiques et électriques externes peuvent polariser cette lumière, changeant la direction de ses champs pendant qu'elle se propage, ils ne peuvent pas plier la lumière elle-même.

Mais l'effet Zeeman et l'effet Stark ne sont pas seulement tous les deux réels, ils ont tous deux été observés expérimentalement il y a longtemps. Le défi pour les théoriciens n'est pas de démontrer quels effets ne peuvent pas être en jeu - comme le montre le fait que les photons ne peuvent pas être déviés par des champs électriques ou magnétiques - mais plutôt de découvrir la cause critique de l'effet observé, en expliquant son ampleur et les conditions dans lesquelles il apparaît.

La confusion survient ici parce que ce n'est pas parce que les atomes émettent de la lumière et que cette lumière se propage ensuite à travers une région où il y a un champ électrique ou magnétique ; c'est une façon d'obtenir la polarisation, mais pas une façon d'obtenir la division des niveaux d'énergie, comme dans l'effet Zeeman ou l'effet Stark.

Au lieu de cela, la façon dont vous divisez les niveaux d'énergie au sein d'un atome (ou d'une molécule, si vous préférez une chimie plus complexe) consiste à appliquer le champ électrique ou magnétique à l'atome (ou à la molécule) lui-même, avant la transition critique d'un niveau d'énergie à un autre se produit. Ces photons sont créés dans un atome ou une molécule auquel ce champ externe a déjà été appliqué, et c'est là que se produit cette division. Nous aurions dû nous y attendre, car il existe un moyen subtil d'attraper le même effet sous-jacent se produisant dans la nature même sans champ externe : à travers la structure fine des atomes.

La plupart d'entre nous, quand nous pensons aux niveaux d'énergie dans les atomes, remontons jusqu'au modèle de Bohr, qui lui-même était révolutionnaire. En 1912, Bohr a postulé que les électrons ne tournent pas tout à fait autour du noyau d'un atome comme les planètes tournent autour du Soleil : maintenus en place par une force centrale invisible. Au lieu de cela, selon l'idée de Bohr, il n'y avait que certains états particuliers dans lesquels les électrons étaient autorisés à orbiter: les orbitales, par opposition à la possession d'une combinaison de vitesse et de rayon conduisant à une orbite stable dans le cas d'un mouvement planétaire.

Bohr a reconnu que l'électron et le noyau étaient tous deux très petits, avaient des charges opposées et savait que le noyau avait pratiquement toute la masse. Sa contribution révolutionnaire a été de comprendre que les électrons ne peuvent occuper que certains niveaux d'énergie, d'où le terme "orbitales atomiques".

Les électrons ne peuvent orbiter autour du noyau qu'avec des propriétés particulières, conduisant aux raies d'absorption et d'émission caractéristiques de chaque atome individuel : l'atome de Bohr. Mais même si c'est ainsi que nous imaginons généralement les atomes aujourd'hui, en 1912, lorsque Bohr l'a proposé pour la première fois, nous savions que cela ne pouvait pas être toute l'histoire.

En 1887, lorsque Michelson et Morely construisaient et exécutaient leur célèbre expérience qui réfuterait la nécessité d'un éther, ou d'un milieu au repos dans un cadre de référence particulier pour que la lumière se déplace, ils étudiaient de très près l'émission et l'absorption. propriétés de l'atome d'hydrogène. Et voilà, ces résultats, qui avaient déjà 25 ans au moment où l'atome de Bohr a été proposé pour la première fois, étaient déjà en contradiction avec les prédictions du modèle de Bohr.

Le modèle de Bohr, par exemple, a prédit que le 2e niveau d'énergie de l'hydrogène serait le premier état excité qui aurait à la fois

donnerait les mêmes énergies pour les 8 configurations électroniques possibles. Mais les résultats de Michelson et Morely ont démontré à la fois de petits décalages par rapport à la valeur de Bohr et également de multiples états supplémentaires. Bien que l'écart par rapport au modèle de Bohr ait été léger, il était significatif, la différence la plus étonnante étant que certains niveaux d'énergie semblaient se diviser en deux, alors que le modèle de Bohr ne possédait qu'un seul état d'énergie qu'ils pouvaient occuper.

Ces niveaux d'énergie supplémentaires étaient extrêmement proches les uns des autres et étaient également très proches des prédictions de Bohr. Mais les différences étaient réelles, et la tâche des physiciens était donc d'expliquer ce qui les provoquait ?

La clé de la réponse réside dans les hypothèses que Bohr a utilisées pour créer son modèle : les électrons étaient des particules chargées et sans spin qui tournaient autour du noyau atomique à des vitesses nettement inférieures à la vitesse de la lumière. C'était assez bon pour expliquer la structure grossière des atomes, ou la nature générale des niveaux d'énergie, mais pas cette structure supplémentaire plus subtile.

Il n'a fallu que 4 ans pour que la première tentative théorique d'explication de cela se produise, par le biais du physicien Arnold Sommerfeld. La grande réalisation de Sommerfeld était la suivante : si vous modélisiez un atome d'hydrogène à l'aide du modèle simpliste de Bohr, mais que vous preniez le rapport de la vitesse d'un électron à l'état fondamental et que vous le compariez à la vitesse de la lumière, vous obtiendriez une certaine valeur. Sommerfeld a appelé cette valeur α, que nous connaissons aujourd'hui sous le nom de constante de structure fine. Une fois que vous l'avez plié dans les équations de Bohr, vous avez en effet constaté qu'il provoquait un changement dans les niveaux d'énergie observés, représentant non seulement la structure grossière d'un atome en termes de niveaux d'énergie, mais cette "structure fine" plus précise, comme on l'appelle encore aujourd'hui. .

Mais si vous regardez plus en détail la structure des atomes, vous découvrirez que même avec la prise en compte par Sommerfeld de l'effet du mouvement des électrons, cela n'explique pas tout à fait tout ce qu'il y a. En effet, Sommerfeld n'a expliqué que le premier des trois effets majeurs qui servent de corrections de structure fine au modèle grossier de Bohr.

Le second est particulièrement pertinent, car le spin de l'électron, qu'il soit +ħ/2 ou –ħ/2 (positif ou négatif par rapport au moment cinétique orbital de l'électron), produira un moment magnétique, et ce moment magnétique interagira, soit positivement ou négativement, avec le moment cinétique orbital de l'électron.

Mais nous pouvons aller encore plus loin que cela. Il y a un effet encore plus subtil que la structure fine qui apparaît dans les atomes et les molécules : la structure hyperfine.

Si les électrons, les particules chargées, ont un spin intrinsèque et un moment magnétique intrinsèque, alors cela peut interagir avec tout ce qui crée un champ magnétique, y compris :

Toute interaction électromagnétique entre des particules chargées ou magnétisées peut modifier les niveaux d'énergie à l'intérieur des atomes et/ou des molécules, le modèle original de Bohr fournissant la structure générale grossière, avec les mouvements des particules, les fluctuations de ces mouvements et l'interaction spin-orbite fournissant une structure fine. des corrections à cette structure grossière, puis avec des interactions plus subtiles entre les électrons et des effets électromagnétiques internes et externes supplémentaires fournissant une structure hyperfine au-dessus de la structure grossière et fine.

Tout cela est nécessaire pour expliquer la structure des niveaux d'énergie dans les atomes et les molécules, et c'est tout avant même que nous commencions à considérer les champs électriques et magnétiques appliqués de l'extérieur.

Mais juste à partir de cette configuration, nous sommes déjà presque arrivés à la solution ! Si vous appliquez un champ électrique ou magnétique externe à n'importe quel atome ou molécule, ces niveaux d'énergie seront également affectés par le même mécanisme : par l'interaction de ces électrons en rotation, en orbite, chargés et intrinsèquement magnétiques avec ces champs. Seulement, il y a une différence majeure cette fois : alors que la structure hyperfine dans les atomes et les molécules a toujours un petit effet par rapport aux effets de structure fine, et que les effets de structure fine sont petits par rapport à la structure grossière des atomes, l'amplitude de l'électricité appliquée et les champs magnétiques peuvent prendre n'importe quelle valeur, uniquement limités par nos configurations de laboratoire.

Cela signifie que si vous appliquez un champ électrique externe, il interagira avec tous les différents composants de vos atomes et molécules, provoquant une division supplémentaire des niveaux d'énergie des électrons dans les atomes. De même, si vous appliquez un champ magnétique externe, il aura les mêmes effets : diviser les niveaux d'énergie des électrons encore plus loin qu'auparavant. Alors que, dans la plupart des cas, ces effets vont simplement "augmenter" les clivages déjà induits par la structure fine et hyperfine au sein des atomes, dans certains cas, cela peut même provoquer de nouveaux clivages supplémentaires dans les niveaux d'énergie : des clivages qui disparaissent entièrement si le le champ externe est désactivé.

Ce qui est encore plus cool avec l'effet Zeeman et l'effet Stark, c'est qu'ils sont tous les deux anciens : plus anciens que la plupart des histoires sur la structure fine et hyperfine des atomes. Pieter Zeeman a découvert l'effet de la séparation magnétique des raies spectrales en 1896, tandis que Johannes Stark a découvert l'effet de séparation électrique analogue pour les raies d'émission et d'absorption en 1913. Avant même que nous ayons reconnu que les électrons avaient un spin, qu'un spin-orbite une interaction se produisait, ou que les niveaux d'énergie pouvaient être affectés par des composants magnétiques et électriques dans les atomes et les molécules eux-mêmes, nous avions découvert expérimentalement ces effets.

C'est souvent le cas, en physique et dans de nombreuses autres sciences, que les "découvertes" expérimentales ou d'observation précèdent de loin l'explication théorique que nous finissons par en découvrir plus tard. Dans les deux cas des effets Zeeman et Stark, il s'agissait de découvertes d'une importance vitale sur la voie du développement moderne de la mécanique quantique, et ils ont reçu à juste titre des prix Nobel, respectivement, en 1902 et 1919. Généralement, l'effet Stark peut être énorme , et donc la division de la ligne spectrale, si vous cherchez à "accorder" un atome pour qu'il absorbe ou émette à une longueur d'onde particulière, est contrôlée par des champs magnétiques plutôt qu'électriques. Néanmoins, la clé pour le créer est d'appliquer votre champ à l'atome émetteur ou absorbant, et non au photon une fois qu'il est déjà en vol !

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