Zeeman-effekt

Zeeman-effekten består i en oppsplitting av spektrallinjene fra et atom når det plasseres i et magnetfelt. Den skyldes vekselvirkningen av dette feltet med det magnetiske momentet til elektronene i atomet. I et elektrisk felt vil spektrallinjene splittes på en tilsvarende måte ved Stark-effekten.
Effekten ble først påvist i 1896 av den nederlandske fysiker Pieter Zeeman og gitt en teoretisk forklaring av hans landsmann Hendrik Antoon Lorentz kort tid etterpå. Han forutsa at hver linje kunne splittes opp i to eller maksimalt tre nye linjer.  Begge mottok i 1902 Nobelprisen i fysikk for oppdagelsen. 
Mer nøyaktige eksperiment viste snart at den magnetiske oppsplittingen av spektrallinjene var mer komplisert enn hva Lorentz' klassiske teori kunne forklare. Den kan kun benyttes for det som senere omtales som den normale Zeeman-effekten. Mer vanlig er den anomale Zeeman-effekten hvor en spektrallinje splittes opp i et tilsynelatende vilkårlig antall komponenter. Dette fenomenet fikk først en forklaring med etableringen av kvantemekanikken som ga en enhetlig beskrivelse av hvordan et atom påvirkes av et magnetfelt.
Zeeman-effekten var viktig i etableringen av moderne atomfysikk og spesielt for forståelsen av kvantemekanisk spinn. I dag har den en sentral rolle i spektroskopi og danner grunnlaget for kjernemagnetisk resonans som blant annet benyttes ved MR for diagnose av forskjellige sykdommer.

Egenskaper

Fra denne modellen til Lorentz følger det derfor at man i allminnelighet skal se tre spektrallinjer i  Zeeman-effekten. Den ene linjen har den opprinnelige frekvensen  ω₀  og vil være «lineært polarisert» da den er skapt av en oscillasjon langs z-aksen. De to andre linjene har frekvenser som ligger like over og under denne  i en avstand gitt ved Larmor-frekvensen  ωL.  Avhengig av hvordan lyset fra atomet blir observert relativt til retningen til B-feltet, vil disse to linjene vanligvis være «elliptisk polarisert». Men analyseres lyset langs feltretningen, vil det være «sirkulært polarisert». I denne retningen vil det ikke sendes noe lys fra svingningene i z-retning slik at bare disse to linjene kan observeres.
Ved bruk av kraftigere magnetfelt kunne Zeeman noen få uker senere påvise at lyset fra de bredere D-linjene i natrium ble polarisert på denne måten. Han anså dermed teorien til Lorentz som bekreftet.  I samme publikasjon oppgir han også verdien han hadde funnet for forholdet e/m. Siden størrelsen av elementærladningen e var godt kjent fra elektrolyse, kunne den ha blitt brukt til å bestemme massen m til partikkelen som utførte oscillasjonene i atomet. Han ville da ha funnet ut at den var mye mindre enn massen til et typisk ion. På den måten hadde Zeeman og Lorentz vært de aller første til å oppdage elektronet.
Året etter observerte Zeeman at en spektrallinje i kadmium ble splittet i tre separate linjer akkurat som Lorentz hadde forutsagt. Denne observasjonen gjorde det også mulig å bestemme fortegnet til ladningen e som ble funnet å være negativ. Dette skjedde samme år som J. J. Thomson påviste frie elektroner i katodestråling.
Etter at oppdagelsen til Zeeman var blitt kjent i 1897, ble det utført lignende målinger i mange andre laboratorier. Det ble snart klart at oppsplittingen av spektrallinjer i allminnelighet var mer komplisert enn hva som kunne forklares med teorien til Lorentz. Med bedre spektral oppløsning viste D₁-linjen fra natrium å inneholde fire komponenter, mens den nærliggende D₂-linjen ble splittet opp i seks linjer. Snart ble slike observasjoner omtalt som eksempel på anomal Zeeman-effekt. Utforskningen av denne kom til å bli av stor interesse i årene som fulgte.

Normal Zeeman-effekt

Selv om Lorentz hadde basert sin forklaring av Zeeman-effekten på feilaktige antagelser om atomet, viste det seg at hans resultat for oppsplitting av spektrallinjene også fulgte fra Bohrs atommodell og dens utvidelse med Bohr-Sommerfeld-kvantisering. I denne beskrivelsen går elektronene rundt en atomkjerne i bestemte baner med kvantiserte verdier for energien. Lys i form av fotoner sendes ut ved overgang fra en slik stabil bane til en annen med lavere energi. Frekvensen til lyset er ikke direkte relatert til omløpsfrekvens til elektronet i sin bane, men gitt ved differansen i energi mellom de to banene før og etter kvantespranget.
I Bohrs modell har elektronet i en bestemt bane en dreieimpuls L som er kvantisert med verdier L = ℓħ hvor ħ er den reduserte Planck-konstanten. Det asimutale kvantetallet kan i følge mer moderne kvantemekanikk ha verdier ℓ = 0, 1, 2, ... opp til en maksimalt ℓₘₐₓ = n - 1 der n er hovedkvantetallet. Det bestemmer størrelsen til banen og dermed energien til elektronet. Dreieimpulsen L står normalt til baneplanet og har en retning som er gitt ved projeksjonen Lz  på en vilkårlig z-akse.  Denne er også kvantitert med mulige verdier Lz = m ħ  hvor det magnetiske kvantetallet m  tar de 2ℓ + 1 forskjellige verdiene  m = - ℓ, - ℓ + 1,..., - 1,  0, + 1, ... , ℓ - 1, ℓ. Dette omtales ofte som «romlig kvantisering» av atomets bevegelse.