Physique de pointe

Structure fine et hyperfine des atomes

Les corrections relativistes dédoublent les niveaux en structure fine; le couplage magnétique noyau–électron produit la structure hyperfine。

Les corrections relativistes dédoublent les niveaux en structure fine; le couplage magnétique noyau–électron produit la structure hyperfine。

Modèle et interprétation

La structure fine de l’hydrogène vient de l’énergie cinétique relativiste, du couplage spin-orbite et du terme de Darwin; son échelle est d’environ α² sous l’énergie coulombienne. La structure hyperfine couple le spin nucléaire I au moment électronique J; F=I+J. La transition hydrogène de 21 cm est célèbre en astrophysique.

Vérification rapide

Dans l’approximation de Pauli, la structure fine comprend les termes d’énergie cinétique relativiste, de couplage spin-orbite et de Darwin, petites corrections d’ordre $\alpha^2$ devant l’énergie coulombienne. Le couplage du spin nucléaire $I$ au moment cinétique électronique $J$ donne $F=I+J$ et une séparation hyperfine supplémentaire. Les transitions produisent des raies étroites utilisées dans les horloges atomiques et les mesures de précision des constantes fondamentales.

La séparation des niveaux se mesure par la fréquence $\nu=\Delta E/h$ ; les spectres atomiques sondent directement de petites corrections de l’hamiltonien. La structure fine dépend surtout de $j$ et du couplage spin-orbite ; l’hyperfine dépend du spin nucléaire et de la densité électronique au noyau. Les déplacements isotopiques et corrections QED affinent encore le modèle et permettent des tests de précision.

Les règles de sélection déterminent les transitions observables : pour les transitions dipolaires électriques, on a généralement $\Delta l=\pm1$ et $\Delta m=0,\pm1$. Les champs extérieurs peuvent séparer ou mélanger les niveaux, produisant les effets Zeeman ou Stark. Résoudre ces petits déplacements teste l’hamiltonien effectif et la structure nucléaire.