Che cos'è l'effetto Zeeman?
L'effetto Zeeman è una proprietà della fisica in cui la luce di una linea spettrale viene suddivisa in due o più frequenze quando è presente un campo magnetico. La proprietà prende il nome da Pieter Zeeman, un fisico olandese del XX secolo che vinse il premio Nobel per la fisica insieme a Hendrik Lorentz nel 1902, per aver scoperto l'effetto. Lo sviluppo della meccanica quantistica ha ulteriormente modificato la comprensione dell'effetto Zeeman determinando quali linee spettrali venivano emesse quando gli elettroni venivano spostati da un guscio di energia a un altro nella loro orbita di nuclei atomici. La comprensione dell'effetto Zeeman ha portato a progressi negli studi di risonanza paramagnetica degli elettroni, nonché alla misurazione di campi magnetici nello spazio come quelli del Sole e di altre stelle.
Contemplare come avviene l'effetto Zeeman nell'idrogeno è uno dei metodi più semplici per comprendere il processo. Un campo magnetico applicato a una linea spettrale di transizione dell'idrogeno provocherà un'interazione con il momento di dipolo magnetico del momento angolare orbitale per l'elettrone e dividere la linea spettrale in tre linee. Senza il campo magnetico, l'emissione spettrale è in una singola lunghezza d'onda, che è governata dai principali numeri quantici.
L'effetto Zeeman può anche essere diviso nell'anomalo effetto Zeeman e nel normale effetto Zeeman. Il normale effetto Zeman è caratterizzato da atomi come l'idrogeno, in cui si verifica una transizione attesa in una visualizzazione equidistanziata di una tripletta di linee spettrali. In un effetto anomalo, il campo magnetico può invece dividere le linee spettrali in quattro, sei o più divisioni, con spaziature più ampie del previsto tra le lunghezze d'onda. L'effetto anomalo ha approfondito la comprensione dello spin degli elettroni, ed è una specie di etichetta errata, dato che ora è un effetto previsto.
I risultati sperimentali dello studio di questo fenomeno hanno concluso che lo stato di spin, o orientamento dell'elettrone, era la chiave del cambiamento di energia che subiva e, quindi, del tipo di emissione spettrale che produceva. Se il piano di orbita di un elettrone fosse perpendicolare a un campo magnetico applicato, allora produrrebbe uno stato di cambiamento di energia positivo o negativo a seconda della sua rotazione. Se l'elettrone fosse all'interno del piano della sua orbita attorno al nucleo, la forza netta o lo stato di cambiamento di energia sarebbe zero. Ciò ha concluso che gli effetti di divisione di Zeeman potevano essere calcolati in base all'orbita, o momento angolare di un elettrone, rispetto a qualsiasi campo magnetico applicato.
Osservazioni originali hanno suggerito che il normale effetto Zeeman visto con idrogeno, in cui si è verificata una divisione in tre linee spettrali, sarebbe comune. In realtà, ciò si è rivelato essere un'eccezione alla regola. Questo perché la divisione delle tre linee spettrali si basa sul momento angolare, o orbita di un elettrone attorno al nucleo, eppure uno stato di spin dell'elettrone ha il doppio del momento magnetico del momento angolare. Lo stato di spin è visto come un fattore più grande, quindi, nel produrre l'effetto Zeeman, e gli stati di spin, o rotazioni di elettroni, devono essere teoricamente previsti usando l'elettrodinamica quantistica.