Observation de l'effet Zeeman : détermination du magnéton de Bohr

Résumé du document

L'effet Zeeman est un phénomène de physique quantique bien connu. Après une introduction au sujet et une observation qualitative du phénomène, on étudie le phénomène de manière plus poussée pour parvenir à déterminer une valeur expérimentale du magnéton de Bohr.

Extraits

[...] En observant finement dans la lunette, on constate que les anneaux sont plus fins qu'auparavant. Dans l'absolue les franges devraient être infiniments fines car le filtre ne devrait sélectionner qu'une raie monochromatique. Or toute radiation monochromatique est en fait déformée et émet sur un intervalle de fréquence non nul, ce phénomène étant dû, entre autre, aux colisions des atomes de la source ainsi qu'à une modification de la fréquence par effet Doppler dûe à la vitesse des atomes de la source. [...]

[...] Ainsi, les autres franges d'interférences (corespondant à d'autre couleurs tels que vert, bleu, violet) sont coupées par ce filtre, et on peut donc étudier la transition qui émet dans le rouge Observation en appliquant un champ magnétique On applique un champ magnétique. On observe alors dans la lunette que chacun des anneaux précédents se divisent en trois anneaux. Ceci est dû à la levée de dégénerescence par 2 effet Zeeman. En effet, la transition émettant dans le rouge est dégénérée. En appliquant le champ magnétique, on lève partiellement la dégénérescence : on a maintenant d'autres niveaux d'énergies, très proches du précédent (en l'abscence de champ magnétique). [...]

[...] Ainis, on arrive à la relation d'incertitude eσ df 1 dD entre la valeur du diamètre et la valeur de f : = . Pour l'incertitude de la mesure sur f 8 D on peut l'évaluer à partir de nos mesures, de l'ordre du micron, ce qui donne une excellente précision sur la mesure de f Mesure du magnéton de Bohr par les diamètres des anneaux Les deux anneaux que l'on observe de part et d'autre de l'anneau central et qui correspondent aux deux transitions σ sont dues aux transitions énergétique : Pour celui de plus grand diamètre de EL à = EL,S,J + µB B(gJ MJ gJ+ MJ+ ) donc 2eb D2 (σ0 + D2 (σ = gJ MJ gJ+ MJ+ µB B hc Pour celui de plus petit diamètre EL à = EL,S,J +µB B(gJ MJ ) donc on a de même : D2 (σ0 D2 (σ = Finalement on en déduit que : D2 (σ0 + D2 (σ0 = 5 2eb gJ+ MJ+ µB B hc 2eb gJ MJ µB B hc Or dans le cas présent de la transition pour la radiation rouge on a d'après le tableau précedent : gJ+ MJ+ = 1 et = donc on obtient la relation suivante : D2 (σ0 + D2 (σ0 = 4eb µB B hc Nous pouvons proposer deux procédures pour déterminer µB . [...]

[...] On observera donc autant de raies distinctes qu'il y a de nombres d'onde différents possibles, c'est-à-dire, en utilisant le diagramme de Grotrian, autant qu'il y a de valeur de (gJ MJ gJ MJ ) différentes. On compte 3 valeurs différentes, ce qui permet d'envisager l'existence de trois raies distinctes pour la transition rouge. C'est bien le résultat observer dans l'expérience. On observe que pour les transitions π, le nombre d'onde reste inchangé, tandis que pour les transitions σ, celui ci varie légèrement, positivement ou négativement par rapport à σ On en déduit que les transitions π sont au centre d'un système de raies, les transitions σ étant alors représentées par les deux anneaux périphériques. [...]

[...] On observe des disparition des anneaux. On peut ainsi en conclure que la lumière des différents anneaux est polarisée rectilignement. A nouveau ceci peut se comprendre, car le fait d'imposer un champ magnétique à la source impose aussi une direction particulière pour la polarisation de la lumière. De plus on remarque que tous les anneaux n'ont pas la même polarisation ; en effet l'axe de polarisation de l'anneau central est orthogonal à celui des deux anneaux se situant de part et d'autre de lui. [...]