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(Pietr) Zeeman & les effets de champs magnétiques

Physicien hollandais, 1865-1943

 

On pouvait se douter que le jeune Zeeman irait loin. A l’âge de dix-huit ans, le lycéen parvient à publier dans la célèbre revue scientifique Nature la description illustrée d’une aurore boréale – description si minutieuse que l’éditeur du journal y adjoint un commentaire élogieux sur le travail du « Professeur (sic) Zeeman dans son observatoire» !

 

Dès son jeune âge, Zeeman fait donc la connaissance d'un des nombreux effets des champs magnétiques, puisque les aurores boréales sont causées par des particules venues du Soleil et accélérées par le champ magnétique terrestre. Champs magnétiques qui, en interagissant avec la matière sont à l’origine de très nombreux phénomènes physiques et de très nombreuses interrogations des physiciens !

Pendant ses études universitaires à Leyden, Zeeman étonne ses professeurs, dont Kamerlingh Onnes et Lorentz, par sa connaissance approfondie de « grands classiques » comme les travaux de Maxwell et par son talent pour concevoir et réaliser des expériences délicates.

Sous la houlette de Lorentz, Zeeman se passionne pour les phénomènes optiques, électriques et magnétiques, dont on savait depuis Maxwell qu'ils étaient liés : la lumière visible est une onde électromagnétique. Mais peut-on aller plus loin, et comprendre à l'aide de la théorie de Maxwell comment la matière – lorsqu'on la chauffe par exemple - peut émettre de la lumière ?

 

Zeeman et... l' « effet Zeeman »

On sait à l'époque que certaines caractéristiques de la lumière dépendent de la source qui l'émet. Ainsi, si on regarde la lumière solaire à travers un prisme, elle se décompose en un arc-en-ciel : la lumière apparemment blanche venue du Soleil est en fait une superposition de composantes rouges, jaunes, vertes, bleues et violettes, chacune caractérisée par une longueur d'onde différente. Cette décomposition de la lumière selon ses différentes longueurs d'onde est appelée spectre.

Quand on chauffe dans une flamme un gaz constitué d'un seul type d'atome (comme le sodium ou le zinc), ce dernier émet une lumière très différente, qui résulte de la superposition de quelques longueurs d'onde seulement. Dans la pratique, le spectre de cette lumière, obtenu à travers un prisme, se réduit à quelques raies très étroites de couleur bien déterminée. De 1896 à 1897, Zeeman s'intéresse à ces « spectres d'émission » et en particulier à la manière dont ils sont affectés par un champ magnétique.

En plaçant la flamme de sodium au centre d'un aimant, Zeeman observe que le spectre change d'aspect : là où n’existait qu’une seule raie, on en voit maintenant trois, régulièrement et finement espacées ! Un espacement si fin que les prédécesseurs de Zeeman sont tous passés à côté de cette découverte... Il faut toute l’ingéniosité du Hollandais pour concevoir un dispositif capable de mesurer précisément le phénomène.

Lorentz est ravi de cette découverte, car elle confirme sa théorie : les atomes contiennent des particules chargées, les électrons, qui peuvent émettre et absorber la lumière. Le comportement de ces particules chargées est perturbé par le champ magnétique qui exerce sur elles une force... dite de Lorentz ! Les électrons émettent ainsi de la lumière avec une longueur d'onde légèrement différente : cette dernière sera tantôt plus élevée, tantôt plus basse, qu'en l'absence de champ magnétique, suivant la nature exacte du mouvement des électrons au sein de l'atome... D'où l'apparition des raies supplémentaires observées par Zeeman !

 

Lorsqu’on excite un gaz atomique peu dense (par fort chauffage ou avec des décharges électriques), les électrons peuvent accéder à des états d’énergie plus élevée que leur état de repos (ou fondamental). Les électrons excités, en retournant à leur état fondamental, perdent cette énergie en émettant de la lumière, de longueur d’onde correspondant exactement à l’écart d’énergie entre les niveaux. Le spectre d’émission d’un gaz reflète donc l’étagement des niveaux d’énergie accessibles aux électrons des atomes. En présence d'un champ magnétique, les raies du spectre, et donc les niveaux d’énergie, se subdivisent : c’est l’effet Zeeman.

 

Lorentz et Zeeman reçoivent le prix Nobel de Physique en 1902 : leur découverte ouvre la première fenêtre sur le monde subatomique ! Mais pour comprendre parfaitement l'effet Zeeman, et plus globalement déterminer la position des raies dans les spectres d’émission d’autres atomes, il faudra attendre l’avènement de la mécanique quantique (voir Heisenberg et Schrödinger).

Zeeman proposera très rapidement d'exploiter « son » effet pour étudier le magnétisme à la surface du Soleil et des étoiles. Nous ne connaissons de ces dernières que la lumière qu'elles nous envoient : en étudiant attentivement la décomposition de cette lumière en ses différentes longueurs d'onde, on observe que les raies du spectre sont bien soumises à un effet Zeeman... et on peut même déterminer l'intensité du champ magnétique dont il provient ! Ces découvertes ont suscité un intérêt accru pour la structure interne des étoiles et les mécanismes capables d'engendrer leurs champs magnétiques, un sujet qui fait actuellement l'objet d'études astrophysiques poussées.

 

Les champs magnétiques : de puissants outils pour comprendre l’atome et ses composants

Les physiciens qui étudient le monde subatomique ont toujours conscience du profit qu’ils peuvent tirer du magnétisme, comme l'illustre le cas de la fusion nucléaire. Ce domaine va connaître un développement particulier en France avec la construction du réacteur ITER à Cadarache. Ce réacteur international veut produire de l’énergie à partir d’une réaction où deux noyaux légers (deutérium et tritium) se combinent en un noyau plus lourd (hélium)… un peu comme au cœur du Soleil ! Mais une telle réaction n’est envisageable que dans des conditions très particulières… Il faut d’abord réduire les atomes de deutérium et de tritium en une purée de noyaux atomiques et d’électrons appelée « plasma ». Puis on doit porter ce plasma à très haute température pour provoquer des collisions entre des noyaux qui tendent à se repousser du fait de leur charge électrique positive.

 

Vue en coupe du projet ITER, en construction à Cadarache. Le plasma, constitué d’électrons et de noyaux de deutérium et de tritium, sera créé et chauffé dans la couronne centrale.

Des aimants supraconducteurs placés autour de cette couronne assureront le confinement magnétique du plasma et l’empêcheront de s’éloigner du centre du réacteur.

 

Mais dans quelle « bouteille » conserver ce plasma qui atteindra une centaine de millions de degrés ? Inutile de chercher un matériau miracle… La bouteille choisie par les physiciens ne peut pas fondre : ses parois ne sont pas matérielles mais magnétiques. Le plasma placé au cœur d’ITER aura la forme d’un anneau de section circulaire entouré de puissants aimants. Le champ magnétique créé par ces aimants est spécialement conçu pour ramener au cœur de l’anneau les particules (chargées) du plasma qui s’éloigneraient de la zone centrale. Ces aimants surpuissants et gigantesques constitueront un défi majeur d’ITER... Le magnétisme cher à Zeeman sera-t-il la clef d’une nouvelle source d’énergie ?

Mots clés : Effet Zeeman, spectre d’émission, champ magnétique stellaire, confinement magnétique, fusion nucléaire, ITER

   
 

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