L’effetto Zeeman è una proprietà in fisica in cui la luce di una riga spettrale viene divisa in due o più frequenze quando è in presenza di 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 20, per aver scoperto l’effetto. Lo sviluppo della meccanica quantistica ha ulteriormente modificato la comprensione dell’effetto Zeeman determinando quali righe spettrali venivano emesse quando gli elettroni venivano spostati da un guscio energetico all’altro nella loro orbita dei nuclei atomici. La comprensione dell’effetto Zeeman ha portato a progressi negli studi sulla risonanza paramagnetica elettronica, nonché nella misurazione dei 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 all’idrogeno causerà un’interazione con il momento di dipolo magnetico del momento angolare orbitale per l’elettrone e dividerà 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 suddiviso nell’effetto Zeeman anomalo e nel normale effetto Zeeman. Il normale effetto Zeman è caratterizzato da atomi come l’idrogeno, in cui si verifica una transizione prevista in una visualizzazione equidistante di una tripletta di righe spettrali. In un effetto anomalo, il campo magnetico può invece dividere le righe spettrali in quattro, sei o più divisioni, con spazi tra le lunghezze d’onda più ampi del previsto. L’effetto anomalo ha approfondito la comprensione dello spin dell’elettrone ed è una specie di etichetta errata, poiché 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 per il cambiamento di energia che subiva e, quindi, il tipo di emissione spettrale che produceva. Se il piano dell’orbita di un elettrone fosse perpendicolare a un campo magnetico applicato, 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 concluse che gli effetti di scissione di Zeeman potevano essere calcolati in base all’orbita, o momento angolare di un elettrone, relativo a qualsiasi campo magnetico applicato.
Osservazioni originali suggerivano che il normale effetto Zeeman osservato con l’idrogeno, in cui si verificava una divisione in tre righe spettrali, sarebbe stato comune. In realtà, però, questa si è rivelata un’eccezione alla regola. Questo perché la divisione delle tre linee spettrali si basa sul momento angolare, o sull’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, nella produzione dell’effetto Zeeman e gli stati di spin, o rotazioni di elettroni, devono essere previsti teoricamente usando l’elettrodinamica quantistica.