Was ist der Zeeman-Effekt?
Der Zeeman-Effekt ist eine physikalische Eigenschaft, bei der das Licht einer Spektrallinie bei Vorhandensein eines Magnetfelds in zwei oder mehr Frequenzen aufgeteilt wird. Das Anwesen ist nach Pieter Zeeman benannt, einem niederländischen Physiker aus dem 20. Jahrhundert, der 1902 zusammen mit Hendrik Lorentz den Nobelpreis für Physik erhielt, um den Effekt zu entdecken. Die Entwicklung der Quantenmechanik veränderte das Verständnis des Zeeman-Effekts weiter, indem festgestellt wurde, welche Spektrallinien emittiert wurden, als Elektronen in ihrer Umlaufbahn von Atomkernen von einer Energieschale zur nächsten bewegt wurden. Das Verständnis des Zeeman-Effekts hat zu Fortschritten bei der Untersuchung elektronenparamagnetischer Resonanzen sowie bei der Messung von Magnetfeldern im Weltraum wie der Sonne und anderen Sternen geführt.
Die Betrachtung, wie der Zeeman-Effekt in Wasserstoff abläuft, ist eine der einfachsten Methoden, um den Prozess zu verstehen. Ein an eine Wasserstoffübergangsspektrallinie angelegtes Magnetfeld bewirkt eine Wechselwirkung mit dem magnetischen Dipolmoment des Bahndrehimpulses für das Elektron und teilt die Spektrallinie in drei Linien. Ohne das Magnetfeld liegt die spektrale Emission in einer einzelnen Wellenlänge vor, die von den Hauptquantenzahlen bestimmt wird.
Der Zeeman-Effekt kann auch in den anomalen Zeeman-Effekt und den normalen Zeeman-Effekt unterteilt werden. Der normale Zeman-Effekt ist durch solche Atome wie Wasserstoff gekennzeichnet, bei denen ein erwarteter Übergang in eine gleichmäßig beabstandete Anzeige eines Tripletts von Spektrallinien auftritt. Bei einem anormalen Effekt kann das Magnetfeld stattdessen die Spektrallinien in vier, sechs oder mehr Unterteilungen aufteilen, wobei die Abstände zwischen den Wellenlängen größer als erwartet sind. Der anomale Effekt vertiefte das Verständnis des Elektronenspins und ist eine Art Fehlbezeichnung, da es sich nun um einen vorhergesagten Effekt handelt.
Die experimentellen Ergebnisse der Untersuchung dieses Phänomens ergaben, dass der Spinzustand oder die Orientierung des Elektrons der Schlüssel zur Energieänderung und damit zur Art der von ihm erzeugten spektralen Emission ist. Wenn die Umlaufbahnebene eines Elektrons senkrecht zu einem angelegten Magnetfeld wäre, würde sie in Abhängigkeit von seiner Drehung einen positiven oder negativen Energieänderungszustand erzeugen. Wenn sich das Elektron in der Ebene seiner Umlaufbahn um den Kern befände, wäre der Zustand der Nettokraft- oder Energieänderung Null. Dies führte zu dem Schluss, dass Zeeman-Spaltungseffekte auf der Grundlage der Umlaufbahn oder des Drehimpulses eines Elektrons relativ zu einem angelegten Magnetfeld berechnet werden konnten.
Ursprüngliche Beobachtungen deuteten darauf hin, dass der normale Zeeman-Effekt, der mit Wasserstoff beobachtet wurde und bei dem eine Aufspaltung in drei Spektrallinien auftrat, üblich wäre. In Wirklichkeit stellte sich dies jedoch als Ausnahme von der Regel heraus. Dies liegt daran, dass die Aufteilung der drei Spektrallinien auf dem Drehimpuls oder der Umlaufbahn eines Elektrons um den Kern basiert, ein Elektronenspinzustand jedoch das Doppelte des magnetischen Drehimpulses aufweist. Der Spin-Zustand wird daher als größerer Faktor bei der Erzeugung des Zeeman-Effekts angesehen, und Spin-Zustände oder Elektronenrotationen müssen theoretisch unter Verwendung der Quantenelektrodynamik vorhergesagt werden.