Physique de pointe

Structure fine et hyperfine des atomes

Observez les niveaux d'énergie atomiques se scinder en structure fine et hyperfine. Vérifiez qualitativement la séparation fine $\Delta E_{\rm fs} \sim \alpha^2 E_n$ et le couplage hyperfin $H_{\rm hfs} = A\,\mathbf{I}\cdot\mathbf{J}$ .

Recherche

Matériel

Modèle 3D de niveaux d'énergie avec sous-niveaux de structure fine
Couplage des moments angulaires produisant les niveaux hyperfins F
Curseurs de paramètre, de bruit et de paramètre physique
Graphe d'évolution des grandeurs dans la seconde section

Protocole

Observer la structure fine
Lancez la simulation : chaque niveau principal se scinde en une grappe de sous-niveaux proches. Déplacez le curseur du paramètre physique pour modifier l'écart et comparez à l'échelle $\Delta E_{\rm fs} \sim \alpha^2 E_n$ — seulement ~10⁻⁴ du niveau principal car $\alpha \approx 1/137$ .
Coupler le spin nucléaire : niveaux hyperfins
Observez le moment nucléaire $\mathbf{I}$ se coupler au moment électronique $\mathbf{J}$ en un moment total $F$ , produisant une séparation plus fine que la structure fine. Augmentez le bruit pour voir les niveaux vibrer — analogue à la largeur de raie expérimentale qui brouille la structure hyperfine.
Relier aux raies spectrales réelles
Lisez l'évolution des grandeurs en modifiant le paramètre : une séparation fine d'environ 10⁻³ eV dans Na donne le doublet jaune à 589,0/589,6 nm ; la raie hyperfine à 21 cm (1420 MHz) de l'hydrogène neutre est une sonde astronomique essentielle. Prédisez le niveau le plus stable avant de changer le bruit.

Simulation

Histoire de l’expérience

En 1887, Albert Michelson découvrit que la raie

H_\alpha

de l'hydrogène était un doublet — la « structure fine ». Arnold Sommerfeld l'expliqua en 1916 par des corrections relativistes au modèle de Bohr. En 1928, Paul Dirac retrouva le même résultat avec son équation relativiste de l'électron, qui inclut naturellement le spin. En 1947, Willis Lamb mesura le déplacement de Lamb — un petit écart non prédit par la théorie de Dirac — ouvrant l'électrodynamique quantique. La structure hyperfine due au couplage du spin nucléaire produit la raie à 21 cm de l'hydrogène, que Hendrik van de Hulst prédit observable et qu'Ewen et Purcell détectèrent en 1951.

Physiciens associés

Niels Bohr Erwin Schrödinger Paul Dirac Wolfgang Pauli Isidor Isaac Rabi Richard Feynman

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