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Concept
Structure hyperfine
Résumé
vignette|Représentation schématique des niveaux fins et hyperfins de l’hydrogène.
La structure hyperfine d’un niveau d’énergie dans un atome consiste en une séparation de ce niveau en états d’énergie très proches. Il s’observe essentiellement par une raie spectrale dans le domaine radio ou micro-onde, comme la raie à 21 centimètres de l’hydrogène atomique.
La structure hyperfine s’explique en physique quantique comme une interaction entre deux dipôles magnétiques :
Le dipôle magnétique nucléaire résultant du spin nucléaire ;
Le dipôle magnétique électronique lié au moment cinétique orbital et au spin de l’électron.
S’y ajoutent des corrections prenant en compte le moment quadripolaire du noyau atomique.
La structure hyperfine optique était déjà observée en 1891 par Albert Abraham Michelson. Elle n’a, cependant, uniquement pu être expliquée qu’avec l’aide de la mécanique quantique lorsque Wolfgang Pauli a proposé l’existence d’un petit moment magnétique nucléaire en 1924. Cette proposition est intervenue afin d’expliquer l’observation, quelques mois auparavant, de la structure hyperfine du mercure et du bismuth par Hantarō Nagaoka, Y. Sugiura et T. Mishima. En 1927, Samuel Goudsmit et Ernst Back ont effectué une étude détaillée de la structure hyperfine du bismuth.
En 1935, et ont proposé l’existence d’un moment quadrupolaire nucléaire dans le but d’expliquer les anomalies observées dans la structure hyperfine.
Dipôle magnétique
Le terme dominant dans l’hamiltonien hyperfin est typiquement un terme dipolaire magnétique. Les noyaux atomiques avec un spin nucléaire non nul ont un moment magnétique dipolaire, exprimé par
où est le facteur g et est le magnéton nucléaire.
Il existe une énergie associée au moment magnétique dipolaire en présence d’un champ magnétique. Pour un moment magnétique dipolaire nucléaire, μI, placé dans un champ magnétique, B, le terme pertinent dans l’hamiltonien est donné par
En l’absence d’un champ extérieur appliqué, le champ magnétique ressenti par le noyau correspond à celui associé aux moments angulaires orbital (l) et de spin (s) des électrons :
Le moment angulaire orbital de l’électron est issu du mouvement de l’électron par rapport à un certain point extérieur fixe qui correspond à la position du noyau.
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