Wat is het Zeeman-effect?
Het Zeeman-effect is een eigenschap in de fysica waarbij het licht van een spectrale lijn wordt gesplitst in twee of meer frequenties wanneer het aanwezig is in een magnetisch veld. Het pand is vernoemd naar Pieter Zeeman, een 20e - eeuwse natuurkundige uit Nederland die samen met Hendrik Lorentz in 1902 de Nobelprijs voor de natuurkunde won, voor het ontdekken van het effect. De ontwikkeling van de kwantummechanica veranderde het begrip van het Zeeman-effect verder door te bepalen welke spectrale lijnen werden uitgezonden terwijl elektronen van de ene energieschil naar de andere werden verplaatst in hun baan van atoomkernen. Inzicht in het Zeeman-effect heeft geleid tot vooruitgang in elektronen paramagnetische resonantiestudies, evenals de meting van magnetische velden in de ruimte zoals die van de zon en andere sterren.
Overweegt hoe het Zeeman-effect in waterstof plaatsvindt, is een van de gemakkelijkste methoden om het proces te begrijpen. Een magnetisch veld dat wordt toegepast op een waterstofovergangsspectrale lijn zal een interactie veroorzaken met het magnetische dipoolmoment van het orbitale hoekmomentum voor het elektron en de spectrale lijn in drie lijnen splitsen. Zonder het magnetische veld heeft spectrale emissie een enkele golflengte, die wordt bepaald door de belangrijkste kwantumgetallen.
Het Zeeman-effect kan ook worden onderverdeeld in het afwijkende Zeeman-effect en het normale Zeeman-effect. Het normale Zeman-effect wordt gekenmerkt door atomen als waterstof, waar een verwachte overgang naar een even verdeelde weergave van een triplet van spectrale lijnen plaatsvindt. In een afwijkend effect kan het magnetische veld in plaats daarvan de spectrale lijnen splitsen in vier, zes of meer divisies, met breder dan verwachte afstanden tussen de golflengten. Het afwijkende effect heeft het begrip van elektronenspin verdiept en is iets van een verkeerd etiket, omdat het nu een voorspeld effect is.
De experimentele resultaten van het bestuderen van dit fenomeen concludeerden dat de spintoestand of oriëntatie van het elektron de sleutel was tot de energieverandering die het onderging en daarom het type spectrale emissie dat het produceerde. Als het baanvlak voor een elektron loodrecht staat op een aangelegd magnetisch veld, dan zou het een positieve of negatieve energiewijzigingstoestand produceren, afhankelijk van zijn rotatie. Als het elektron zich in het vlak van zijn baan rond de kern zou bevinden, zou de netto kracht of de energietoestand nul zijn. Hieruit werd geconcludeerd dat Zeeman-splitsingseffecten konden worden berekend op basis van de baan, of het hoekmomentum van een elektron, ten opzichte van een toegepast magnetisch veld.
Originele waarnemingen suggereerden dat het normale Zeeman-effect waargenomen met waterstof, waarbij een splitsing tot drie spectrale lijnen plaatsvond, gebruikelijk zou zijn. In werkelijkheid bleek dit echter een uitzondering op de regel te zijn. Dit komt omdat de drie spectrale lijnsplitsing is gebaseerd op hoekmomentum, of baan van een elektron rond de kern, maar een elektronenspinstaat heeft tweemaal het magnetische momentum van hoekmomentum. Spintoestand wordt daarom gezien als een grotere factor bij het produceren van het Zeeman-effect, en spintoestanden, of elektronrotaties, moeten theoretisch worden voorspeld met behulp van kwantumelektrodynamica.