Zeemani efekt

Zeemani efekt on saanud nimetuse hollandi teadlase Pieter Zeemani (1865–1943) järgi, kes 1896. aastal avastas, et kui valgust kiirgavad aatomid asuvad magnetväljas, siis lõhestuvad nende aatomite kiiratavad spektrijooned mitmeks komponendiks ning seda nimetataksegi Zeemani lõhestumiseks/efektiks. Zeemani efekt jaotub nõrgas magnetväljas lihtsaks (normaalseks, harilikuks) ja anomaalseks (keeruliseks) ning tugevas magnetväljas Pascheni-Backi efektiks.
Zeemani efekti avastamine aitas füüsikutel määrata elektronide energiatasemed aatomites. Astronoomias kasutatakse Zeemani efekti Päikese ja teiste tähtede magnetvälja mõõtmiseks.
Lihtne Zeemani lõhestumine.
Lihtne Zeemani efekt tekib siis, kui elektronide lähtetasemed ei oma peenstruktuuri, s.t. on singletsed ehk lähtejoonel spinnkvantarv S = 0. Singletses olekus on elektroni spinnmoment 0 ja kogu nurkmoment J on võrdne orbitaalse nurkmomendiga L. Kui asetada see aatom/elektron magnetvälja, siis aatomi energia muutub ning see põhjustab energiatasemete lõhestumise. 
Elektrone saab vaadelda kui punktlaenguid, mis tiirlevad ümber aatomituuma. Sel juhul on elektron osake, mis kannab voolu I. Definitsiooni järgi tähendab vool laengut läbi juhi või ruumi ajaühiku jooksul. Eeldades, et voolu tekitab täielikult ja ainult elektron, mis tiirleb aatomituuma ümber kaugusel a, siis on selle voolu tugevus võrdne elektroni laenguga e, mis on korrutatud tema kiirusega v ja jagatud orbiidi pikkusega 2formula_1a.
formula_2
Miinusmärk on siin selletõttu, et elektroni laeng on negatiivne ja sellepärast on kokkuleppepõhine voolusuund vastupidine elektroni liikumisele.
Magnetilise dipooli moment avaldub järgmiselt:
formula_3
Orbitaalsel momendil võivad olla ainult väärtused formula_4. Seega avaldub välise magnetvälja sihile projekteeritud asimuutmoment 
formula_5,
andes elektroni liikumise kiiruseks 
formula_6.
Teades, et magnetilise dipoolmomendi m energia magnetväljas tugevusega H avaldub SI süsteemis järgmiselt:
formula_7,
saab teha vastavad asendused ning lõhestumisenergia väärtuseks saame:
formula_8
Suurust formula_9 nimetatakse Bohri magnetoniks. See on orbitaalse magnetmomendi elementaarühik aatomis. Selle väärtuseks on 9,274*10 −24 J/T .
Kuna 
formula_10 
siis iga energiatase saab lõhestuda 2l + 1 tasemeks. Seega on antud süsteemis võimalikud vaid üleminekud, mille puhul magnetkvantarv ml muutub ühe võrra või jääb samaks Δml = 0, ±1.
Samuti avaldub valemist asjaolu, et orbitaali energia muutub magnetväljas proportsionaalselt obritaalse nurkmomendiga ja välja tugevusega ning seda nimetataksegi normaalseks Zeemani efektiks. Normaalne Zeemani efekt allub Lorentziaanile.
Näide normaalsest Zeemani lõhestumisest d ja p vaheliste üleminekute korral on esitatud järgmisel joonisel:
Anomaalne Zeemani lõhestumine.
Kui spektrijoon lõhestub välises magnetväljas rohkem kui kolmeks komponendiks, siis nimetatakse seda anomaalseks Zeemani lõhestumiseks. Selle avastas Thomas Preston 1897. aastal. Anomaalne Zeemani lõhestumine tekib siis, kui aatomis olevate elektronide koguspinn ei ole võrdne nulliga. Kuna elektronidel saab olla ainult üks kahest spinni väärtusest (+½ või – ½) siis kõikides aatomites, kus on paaritu arv elektrone, erineb elektronide koguspinn nullist. Sellisel juhul avaldub kogu nurkmoment J = L + S ning magnetmoment järgmiselt:
formula_11
kuna gl= 1 ja gs= 2, siis saab valemit lihtsustada ning saame
formula_12.
Iga energiatase saab jaguneda 2j + 1 tasemeks vastavalt ml väärtustele. See kehtib nõrga magnetvälja jaoks. Sellise lõhestumise korral on energia arvutatav järgmise valemiga: 
formula_13,
kus g on Lande g-faktor
formula_14
Anomaalse Zeemani lõhestumise näide
Pascheni-Backi efekt.
Pascheni-Backi efektiks nimetatakse aatomi energiatasemete lõhestumist tugeva välise magnetvälja olemasolul. Efekti avastasid saksa füüsikud Friedrich Pashen (1865–1947) ja Ernst E. A. Back (1881–1959) 1921. aastal. Erinevalt Zeemani lõhestumisest nõrgas magnetväljas ei ole Pascheni-Backi efekti korral energiatasemete lõhestumine lineaarses seoses magnetvälja tugevusega. Kui magnetväli on piisavalt tugev, siis spinnmoment ja orbitaalmoment ei sõltu üksteisest ning lõhestumise energia saab arvutada järgnevalt 
formula_15