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3E.4. SPECTROSCOPIE DE L’ATOME D’HYDROGÈNE
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En fait, les expériences menées par Lamb et Retherford ont montré que les niveaux
2S1/2 et 2P1/2 n’ont pas exactement la même énergie (Figure 3E.9b). L’équation de Dirac
n’est donc pas la description ultime de l’atome d’hydrogène.
Fig. 3E.9: Structure de la multiplicité n = 2 de l’atome d’hydrogène d’après l’équation de Dirac
(a) et dans la réalité (b). L’écart entre les niveaux 2S1/2 et 2P1/2 est appelé le déplacement de
Lamb. La valeur numérique du déplacement de Lamb est (en unité de fréquence) 1, 057 GHz.
La valeur de l’écart de structure fine entre les niveaux 2P1/2 et 2P3/2 est de 9, 912 GHz.
L’origine de la déviation par rapport à la formule de Dirac est liée au couplage de
l’électron avec le champ électromagnétique. En théorie quantique du rayonnement (voir
chapitre 6), ce couplage, même en l’absence de tout champ appliqué de l’extérieur, est responsable de la désexcitation par émission spontanée des niveaux excités de l’atome. Mais
il a un autre effet : l’électron de l’atome d’hydrogène est toujours susceptible d’émettre
puis de réabsorber virtuellement des photons. De tels processus conduisent à de faibles déplacements des niveaux d’énergie, différents pour les niveaux 2S1/2 et 2P1/2 . Ils permettent
donc de comprendre l’origine du déplacement de Lamb.
La mesure de plus en plus précise de ces déplacements permet de confronter la valeur
expérimentale avec les prédictions théoriques de l’électrodynamique quantique, suscitant
un effort parallèle des théoriciens pour raffiner les calculs dont la difficulté augmente avec
la précision recherchée. En 1994, il y a accord entre théorie et expérience avec une précision
relative voisine de 10−11 sur la valeur des fréquences de transition dans le domaine optique.
3E.4.3
Mesure de la constante de Rydberg
La spectroscopie de l’atome d’hydrogène permet de confronter théorie et expérience
en ce qui concerne le détail des écarts énergétiques entre sous-niveaux. Mais elle permet aussi une détermination extrêmement précise de la constante de Rydberg elle-même,