Effet Zeeman

L’effet Zeeman anormal est lié à l’observation de structures en multiplets des raies spectrales émises par un atome en présence d’un champ magnétique. Grâce aux travaux d’Arnold Sommerfeld on savait que deux nombres quantiques intervenaient pour décrire les orbites stationnaires des électrons autour d’un noyau atomique. Il y avait ainsi, le nombre quantique principal n qui pouvait prendre toute valeur strictement positive. La contrainte 0 < k ≤ n s’appliquait au deuxième nombre quantique azimutal k. Le rapport k/n correspondait au rapport existant entre le demi-axe mineur et le demi-axe majeur de l’ellipse orbitale.

Une règle de sélection |∆k| = 1 gouvernait tous les spectres optiques des atomes . L’orbite ayant la plus petite excentricité était caractérisée par k = 1 (état s). Les autres valeurs de k définissaient les états p (k = 2), d (k = 3), f (k = 4), etc. La question qui se posa était de savoir si les deux nombres quantiques n et k suffisaient pour classifier toutes les raies spectrales. L’effet Zeeman montrait clairement que tel n’était pas le cas. Il fallait donc au moins un troisième nombre quantique pour décrire les états atomiques en présence d’un champ magnétique.

Effet Zeeman anormal

La théorie ne prévoyait, pour les termes spectraux atomiques, que des singulets, des doublets ou des triplets. Toutefois, en 1923, on avait observé des multiplicités pouvant aller jusqu’à des octuplets (8 raie). Sommerfeld utilisa donc trois nombres quantiques (n, k, j) afin de classifier les états singulets (j = 0), triplets (j = 1), quintuplets (j = 2), etc. Il constata ainsi que tous les états tels que j ≠ 0 présentaient un effet Zeeman anormal.

Le problème est que cette attribution des nombres quantiques par Sommerfeld était purement empirique. C’est dans ce contexte qu’Otto Stern proposa en 1921, une expérience importante. Ceci, afin de tester la validité des nombres quantiques de Sommerfeld. L’idée était de produire un faisceau étroit d’atomes d’argent par évaporation dans un four. Ensuite, on dirigeait ce faisceau sous un vide poussé de 10^-4 à 10^-5 mmHg à travers un gradient de champ magnétique. Grâce à cette expérience, on démontra que le faisceau atomique se séparait en exactement deux sous-faisceaux.

Nombres quantiques demi-entiers

De plus, le moment magnétique de chaque atome d’argent valait exactement 1 magnéton de Bohr. Soit une valeur µ_B = e·ℏ/2m_e = 9,2740154·10^-27 J·T^-1. L’absence très claire d’atomes d’argent au centre de la cible démontrait très clairement la quantification spatiale. Car, classiquement, on s’attendait à une courbe de gauss présentant un maximum au centre de la cible. Pour expliquer l’observation de deux faisceaux, les atomes d’argent devaient avoir un nombre quantique j = ½. Car, dans le cadre de la théorie de Sommerfeld, on s’attend à (2j + 1) raies en présence d’un champ magnétique.