La séparation et le déplacement des niveaux d'énergie atomiques ou moléculaires et des raies spectrales associées sous l'effet d'un champ magnétique externe, causés par l'interaction entre moments magnétiques (orbitaux et de spin) et le champ.

Principe

Un champ magnétique externe couple aux dipôles magnétiques via H = -µ·B (ou l'opérateur quantique équivalent), supprimant les dégénérescences liées aux nombres quantiques magnétiques et produisant des décalages d'énergie proportionnels à m et à l'intensité du champ dans le régime faible (linéaire).

Démonstration

Dans l'effet Zeeman faible d'un électron orbital (Zeeman normal), un niveau de moment orbital l se scinde en 2l+1 composantes également espacées proportionnelles à m_l B ; dans les atomes réels, l'effet Zeeman anomal inclut le spin et les facteurs de Landé, donnant des motifs de multiplets plus complexes observables en spectroscopie.

Mauvaise application

Appliquer la formule linéaire du Zeeman dans le régime de fort champ (Paschen–Back) ou ignorer les contributions de spin et les facteurs de Landé dans des atomes multielectrons entraîne des estimations erronées des amplitudes et des motifs de séparation.

Conséquence

Fournit un outil de diagnostic des champs magnétiques et des moments magnétiques : la séparation et la polarisation des raies spectrales révèlent l'intensité et l'orientation du champ, permettent de déterminer les facteurs de Landé et servent de base à des techniques comme la magnétométrie atomique et la mesure des champs en astrophysique.

Inversion

En l'absence de champ magnétique, la dégénérescence selon le nombre quantique magnétique est préservée et il n'y a pas de séparation Zeeman ; inversement, des champs très forts peuvent découpler J en axes de quantification distincts L et S (limite Paschen–Back), modifiant la structure des séparations.

Limite

La description valable dépend de l'intensité du champ : le Zeeman linéaire (faible champ) s'applique quand l'énergie de Zeeman est petite devant la structure fine ; les régimes Paschen–Back et intermédiaires exigent des traitements non perturbatifs. N'inclut pas la résolution hyperfine sauf si ces interactions sont prises en compte.

Tension sémantique

Lié mais distinct de l'effet Stark (séparation induite par champ électrique) et du fractionnement hyperfin (interactions avec le spin nucléaire) ; un traitement soigneux est requis lorsque plusieurs perturbations agissent simultanément.

Synthèse

L'effet Zeeman est la levée de dégénérescence des sous-niveaux magnétiques induite par un champ magnétique via le couplage des moments magnétiques à B, produisant des décalages et séparations prévisibles qui renseignent sur la structure magnétique interne et les champs externes en atomistique, spectroscopie et solides.