Der Zeeman-Effekt ist eine Eigenschaft in der Physik, bei der das Licht einer Spektrallinie bei Vorhandensein eines Magnetfelds in zwei oder mehr Frequenzen aufgespalten wird. Das Anwesen ist nach Pieter Zeeman benannt, einem Physiker des 20. Jahrhunderts aus den Niederlanden, der 1902 zusammen mit Hendrik Lorentz den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung des Effekts erhielt. Die Entwicklung der Quantenmechanik modifiziert das Verständnis des Zeeman-Effekts weiter, indem sie bestimmt, welche Spektrallinien emittiert werden, wenn Elektronen in ihrer Umlaufbahn um Atomkerne von einer Energiehülle in eine andere bewegt werden. Das Verständnis des Zeeman-Effekts hat zu Fortschritten bei Studien mit paramagnetischer Elektronenresonanz sowie zur Messung von Magnetfeldern im Weltraum wie denen der Sonne und anderer Sterne geführt.
Zu betrachten, wie der Zeeman-Effekt in Wasserstoff abläuft, ist eine der einfachsten Methoden, den Prozess zu verstehen. Ein an eine Wasserstoffübergangs-Spektrallinie angelegtes Magnetfeld bewirkt eine Wechselwirkung mit dem magnetischen Dipolmoment des Bahndrehimpulses für das Elektron und teilt die Spektrallinie in drei Linien auf. Ohne das Magnetfeld erfolgt die spektrale Emission in einer einzigen Wellenlänge, die durch Hauptquantenzahlen bestimmt wird.
Der Zeeman-Effekt kann auch in den anomalen Zeeman-Effekt und den normalen Zeeman-Effekt unterteilt werden. Der normale Zeman-Effekt ist durch Atome wie Wasserstoff gekennzeichnet, bei denen ein erwarteter Übergang in eine äquidistante Darstellung eines Tripletts von Spektrallinien auftritt. Bei einem anomalen Effekt kann das Magnetfeld stattdessen die Spektrallinien in vier, sechs oder mehr Unterteilungen mit größeren Abständen als erwartet zwischen den Wellenlängen aufteilen. Der anomale Effekt vertiefte das Verständnis des Elektronenspins und ist so etwas wie eine falsche Bezeichnung, da es sich jetzt um einen vorhergesagten Effekt handelt.
Die experimentellen Ergebnisse der Untersuchung dieses Phänomens kamen zu dem Schluss, dass der Spinzustand oder die Orientierung des Elektrons der Schlüssel zu der Energieänderung war, die es durchmachte, und somit zu der Art der spektralen Emission, die es erzeugte. Wenn die Bahnebene eines Elektrons senkrecht zu einem angelegten Magnetfeld wäre, würde es abhängig von seiner Drehung einen positiven oder negativen Energieänderungszustand erzeugen. Wenn sich das Elektron in der Ebene seiner Umlaufbahn um den Kern befände, wäre die Nettokraft oder der Energieänderungszustand Null. Daraus wurde geschlossen, dass Zeeman-Aufspaltungseffekte basierend auf der Umlaufbahn oder dem Drehimpuls eines Elektrons relativ zu jedem angelegten Magnetfeld berechnet werden könnten.
Ursprüngliche Beobachtungen legten nahe, dass der bei Wasserstoff beobachtete normale Zeeman-Effekt, bei dem eine Aufspaltung in drei Spektrallinien auftrat, üblich wäre. In Wirklichkeit stellte sich dies jedoch als Ausnahme von der Regel heraus. Dies liegt daran, dass die Aufteilung der drei Spektrallinien auf dem Drehimpuls oder der Bahn eines Elektrons um den Kern basiert, aber ein Elektronenspinzustand hat das doppelte magnetische Moment des Drehimpulses. Der Spinzustand wird daher als ein größerer Faktor bei der Erzeugung des Zeeman-Effekts angesehen, und Spinzustände oder Elektronenrotationen müssen mithilfe der Quantenelektrodynamik theoretisch vorhergesagt werden.