Un multiplet est défini comme un groupe de niveaux d’énergie d’un atome ou d’une molécule, qui se manifeste par des lignes spectrales très rapprochées.
Il existe plusieurs utilisations de ce terme dans des disciplines telles que les mathématiques, la physique des particules, la chimie, l’informatique, etc., mais c’est le scientifique espagnol Miguel Catalán qui l’a introduit dans la science, dans ses études sur la spectroscopie.

Introduction

Une raie spectrale est perçue comme une ligne sombre ou brillante dans un spectre continu et uniforme qui résulte de l’absorption ou de l’émission de lumière dans une gamme de fréquences étroite par rapport aux fréquences voisines. Les raies spectrales sont comme des « empreintes digitales » caractéristiques des atomes et des molécules. Elles peuvent donc être utilisées pour identifier la composition chimique d’une grande variété de systèmes – d’un petit échantillon dans un laboratoire à des étoiles et d’autres étoiles – en comparant les raies qu’elles génèrent avec celles précédemment collectées à partir d’atomes et de molécules connus.

Selon le type d’interaction physique qui génère la raie spectrale, la fréquence des photons résultants peut être très différente. C’est pourquoi les raies peuvent être observées dans toutes les régions du spectre électromagnétique, des ondes radio aux rayons gamma.
Au fur et à mesure que la résolution des spectrographes utilisés augmente, on peut constater que certaines « raies » spectrales sont en fait un ensemble de raies étroitement liées. Le terme multiplet est utilisé pour désigner une raie qui consiste en un groupe de plusieurs raies spectrales apparentées ayant une origine physique commune, généralement de longueurs d’onde très proches. Par exemple, l’émission du niveau d’énergie 3p au niveau d’énergie 3s du sodium (Na, Z=11) possède un électron optiquement actif. La raie spectrale « D » du sodium est en fait un doublet, dont la séparation est décrite comme une structure fine. En effet, le niveau d’énergie 3p de cet atome est divisé par l’interaction entre le moment angulaire intrinsèque de l’électron et le moment orbital (interaction spin-orbite) et donne lieu à deux transitions.

Plus le nombre d’électrons augmente, plus la complexité des spectres d’émission s’accroît, reflétant la structure plus complexe des niveaux d’énergie atomiques entre lesquels les transitions se produisent.

Contribution de Miguel Catalán

Le scientifique espagnol Miguel Catalán, alors médecin spécialisé dans l’analyse chimique spectrographique, a reçu une bourse de la Junta para Ampliación de Estudios e Investigaciones Científicas (JAE) en 1920 pour étudier à l’Imperial College de Londres avec Alfred Fowler. Il y fait la découverte des multiplets en 1921, ce qui fait de lui l’un des protagonistes de l’âge d’argent de la science espagnole, et de la spectroscopie, un instrument avancé pour l’étude de la structure de la matière. Ses travaux de recherche ont contribué à la révision du modèle Bohr-Sommerfeld-Catalan de la structure de la matière : le modèle atomique Bohr-Sommerfeld-Catalan.

Pendant son séjour à l’Imperial College, Catalán a suivi les instructions de Fowler pour étudier le spectre du scandium, mais a poursuivi ses propres recherches pendant son temps libre. En particulier, il étudie avec persévérance le spectre du manganèse, remarquant des régularités dans l’arrangement des raies spectrales observées (séries de plusieurs raies), reflétant les niveaux d’énergie des électrons qui, selon lui, constituent la structure externe du Mn. De ses observations, il déduit que les séries de quelques raies identifiées dans les spectres d’atomes plus simples sont des manifestations d’une loi plus générale.
En 1921, Catalán trouve des régularités dans le spectre du manganèse, les photographie et en déduit une loi réitérative du comportement de ce spectre, ce qui lui permet d’achever le décryptage du spectre de cet élément, de définir un nouvel étalon de référence pour le manganèse et de créer un nouvel outil de recherche en spectrographie, les multiplets, qui lui permet d’interpréter les spectres d’éléments complexes. À partir du concept de valence chimique, Catalán a fait une déduction logique dans ses recherches qui représente un pas de géant dans la compréhension de la structure de la matière et dans l’interprétation de la croûte atomique.

Avec son travail expérimental, Catalán a démontré que l’étude des spectres d’atomes complexes permettait d’approfondir notre connaissance des niveaux d’énergie des électrons dans l’atome et, par conséquent, de contribuer à la compréhension de la structure atomique et, en outre, à l’astrophysique. Les résultats de ses recherches ont été présentés par Alfred Fowler lui-même à la Royal Society, puisque M. Catalán était de retour en Espagne. Le rapport a été publié en 1922 dans la prestigieuse revue Philosophical Transactions of the Royal Society sous le titre Series and Other Regularities in the Spectrum of Manganese (Séries et autres régularités dans le spectre du manganèse).

M. Catalán lui-même a raconté des années plus tard comment il avait fait cette découverte. Voici comment il l’a décrite en 1946.
Catalán insiste sur l’importance d’enregistrer sa découverte afin de pouvoir la prouver et la transmettre. Il trouve des plaques photographiques très sensibles sur une étagère du laboratoire et prend ses photos, comme il l’explique.

Catalán identifie une loi générale qu’il suppose associée aux niveaux d’énergie des électrons dans l’atome, de sorte que, sur la base de l’observation d’un spectre, à la recherche des multiplets, « nous pouvons déduire les termes spectraux et avec cela, nous avions tout ».

Catalán, en dehors de ses heures de travail, de sa propre initiative, s’était consacré à l’étude du manganèse. Cet effort l’a conduit à la découverte des multiplets.

La découverte de Catalán s’est rapidement répandue. Avant qu’il n’écrive ses propres mémoires avec les résultats de ses recherches, son nom est mentionné pour la première fois dans la revue Nature du 28 juillet 1921, dans un article du scientifique indien Megnad Saha, également chercheur à l’Imperial College de Londres.

En août 1921, Sommerfeld présente dans les Annalen der Physik un article novateur sur l’interprétation des spectres d’éléments complexes par la méthode des nombres quantiques, dans lequel il reconnaît à plusieurs reprises les travaux de Herr Catalán, à qui il doit « l’incitation à réaliser cette extension ». Il ajoute : « Les multiplets de Herr Catalán dans les spectres d’arc et d’étincelle du Mn et du Cr s’accordent parfaitement avec le schéma théorique des nombres quantiques internes et constituent le meilleur soutien expérimental dont cette théorie avait besoin ».
Il est significatif que Sommerfeld lui-même ait joué le rôle de diffuseur des découvertes du jeune Catalan. Et ce n’est pas seulement Sommerfeld, mais des scientifiques de l’envergure de Bohr, Fowler et Russell qui reconnaissent ses mérites et diffusent ses découvertes et sa nouvelle méthode des multiplets au niveau international. Aucun physicien espagnol n’avait jamais eu auparavant un retentissement mondial aussi rapide au sein de la communauté scientifique.

Le rapport annuel 1924-26 de la JAE en fait également état :