16.3 Structure hyperfine des niveaux atomiques
395
Sèvres, en France. Une échelle de temps atomique internationale est réalisée à partir
de ces données et diffusée dans le monde entier.
Les réseaux de télécommunication numériques sont synchronisés à l’aide d’horloges atomiques placées aux noeuds du réseau. Le système de positionnement GPS
est également fondé sur l’emploi d’horloges atomiques à césium et à rubidium embarquées à bord de satellites.
Du point de vue de la recherche fondamentale, de nombreux domaines ont bénéficié des propriétés des horloges atomiques, en raison, en particulier, de leur très bonne
stabilité de fréquence. Il en est ainsi, par exemple, en astrophysique pour l’observation des radiosources telles que les quasars. Les horloges atomiques ont également
permis une vérification très précise de la variation de fréquence d’une horloge sous
l’effet d’un champ gravitationnel ainsi que le prévoit la théorie de la relativité générale.
Dans la fontaine atomique du BNM, de petits paquets d’atomes de césium sont injectés verticalement dans la cavité micro-onde. Ces atomes retombent sous l’effet de
la pesanteur, comme le ferait un jet d’eau d’une fontaine, et repassent une deuxième
fois dans la cavité. L’allongement de l’intervalle de temps Dt entre les deux passages
permet d’améliorer la précision de l’horloge, d’où l’idée de la faire fonctionner en
situation de microgravité, ce qui ralentit la vitesse de chute donc augmente Dt. Le
Centre National d’Études Spatiales envisage, à l’horizon 2014, la mise en orbite
d’une telle horloge atomique sur la Station Spatiale Internationale.
16.3.5 Hamiltonien hyperfin d’un atome
a) Constante de structure hyperfine
La forme générale A I·J de l’hamiltonien hyperfin nécessite le calcul de la constante
A . Cette dernière prend en compte non seulement les termes d’interaction que nous
avons étudiés pour l’atome d’hydrogène mais aussi de nombreuses autres corrections.
Ainsi les effets relativistes deviennent importants pour des atomes de numéro atomique élevé. La charge du noyau étant forte, la vitesse des électrons en son voisinage devient en effet plus élevée et des corrections relativistes deviennent nécessaires.
Dans un atome à plusieurs électrons, la résultante des spins des électrons des
couches internes complètes n’est pas strictement nulle, chaque spin ayant une faible
probabilité de se placer parallèlement à la résultante des spins des électrons de valence. Une correction tenant compte de cette polarisation des couches internes doit
être prise en compte car elle peut atteindre jusqu’à 30 % des interactions hyperfines
pour certains atomes.
L’approximation du noyau ponctuel ne peut pas être conservée pour les atomes
lourds et la prise en compte de ses dimensions apporte une correction nécessaire à la
précision des calculs.
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Sèvres, en France. Une échelle de temps atomique internationale est réalisée à partir
de ces données et diffusée dans le monde entier.
Les réseaux de télécommunication numériques sont synchronisés à l’aide d’horloges atomiques placées aux noeuds du réseau. Le système de positionnement GPS
est également fondé sur l’emploi d’horloges atomiques à césium et à rubidium embarquées à bord de satellites.
Du point de vue de la recherche fondamentale, de nombreux domaines ont bénéficié des propriétés des horloges atomiques, en raison, en particulier, de leur très bonne
stabilité de fréquence. Il en est ainsi, par exemple, en astrophysique pour l’observation des radiosources telles que les quasars. Les horloges atomiques ont également
permis une vérification très précise de la variation de fréquence d’une horloge sous
l’effet d’un champ gravitationnel ainsi que le prévoit la théorie de la relativité générale.
Dans la fontaine atomique du BNM, de petits paquets d’atomes de césium sont injectés verticalement dans la cavité micro-onde. Ces atomes retombent sous l’effet de
la pesanteur, comme le ferait un jet d’eau d’une fontaine, et repassent une deuxième
fois dans la cavité. L’allongement de l’intervalle de temps Dt entre les deux passages
permet d’améliorer la précision de l’horloge, d’où l’idée de la faire fonctionner en
situation de microgravité, ce qui ralentit la vitesse de chute donc augmente Dt. Le
Centre National d’Études Spatiales envisage, à l’horizon 2014, la mise en orbite
d’une telle horloge atomique sur la Station Spatiale Internationale.
16.3.5 Hamiltonien hyperfin d’un atome
a) Constante de structure hyperfine
La forme générale A I·J de l’hamiltonien hyperfin nécessite le calcul de la constante
A . Cette dernière prend en compte non seulement les termes d’interaction que nous
avons étudiés pour l’atome d’hydrogène mais aussi de nombreuses autres corrections.
Ainsi les effets relativistes deviennent importants pour des atomes de numéro atomique élevé. La charge du noyau étant forte, la vitesse des électrons en son voisinage devient en effet plus élevée et des corrections relativistes deviennent nécessaires.
Dans un atome à plusieurs électrons, la résultante des spins des électrons des
couches internes complètes n’est pas strictement nulle, chaque spin ayant une faible
probabilité de se placer parallèlement à la résultante des spins des électrons de valence. Une correction tenant compte de cette polarisation des couches internes doit
être prise en compte car elle peut atteindre jusqu’à 30 % des interactions hyperfines
pour certains atomes.
L’approximation du noyau ponctuel ne peut pas être conservée pour les atomes
lourds et la prise en compte de ses dimensions apporte une correction nécessaire à la
précision des calculs.