L’effet Zeeman est une propriété en physique où la lumière d’une raie spectrale est divisée en deux fréquences ou plus lorsqu’elle est en présence d’un champ magnétique. La propriété porte le nom de Pieter Zeeman, un physicien néerlandais du XXe siècle qui a remporté le prix Nobel de physique avec Hendrik Lorentz en 20, pour avoir découvert l’effet. Le développement de la mécanique quantique a encore modifié la compréhension de l’effet Zeeman en déterminant quelles raies spectrales étaient émises lorsque les électrons étaient déplacés d’une couche d’énergie à une autre dans leur orbite de noyaux atomiques. La compréhension de l’effet Zeeman a permis de faire progresser les études de résonance paramagnétique électronique, ainsi que la mesure des champs magnétiques dans l’espace tels que ceux du Soleil et d’autres étoiles.
Contempler comment se produit l’effet Zeeman dans l’hydrogène est l’une des méthodes les plus simples pour comprendre le processus. Un champ magnétique appliqué à une raie spectrale de transition hydrogène provoquera une interaction avec le moment dipolaire magnétique du moment angulaire orbital de l’électron et divisera la raie spectrale en trois raies. Sans le champ magnétique, l’émission spectrale se fait dans une seule longueur d’onde, qui est régie par les principaux nombres quantiques.
L’effet Zeeman peut également être divisé en effet Zeeman anormal et effet Zeeman normal. L’effet Zeman normal est caractérisé par des atomes tels que l’hydrogène, où une transition attendue vers un affichage équidistant d’un triplet de raies spectrales se produit. Dans un effet anormal, le champ magnétique peut à la place diviser les raies spectrales en quatre, six ou plus divisions, avec des espacements plus larges que prévu entre les longueurs d’onde. L’effet anormal a approfondi la compréhension du spin des électrons et est en quelque sorte une erreur d’étiquette, car il s’agit maintenant d’un effet prédit.
Les résultats expérimentaux de l’étude de ce phénomène ont conclu que l’état de spin, ou l’orientation de l’électron, était la clé du changement d’énergie qu’il subissait et, par conséquent, du type d’émission spectrale qu’il produisait. Si le plan de l’orbite d’un électron était perpendiculaire à un champ magnétique appliqué, il produirait un état de changement d’énergie positif ou négatif en fonction de sa rotation. Si l’électron était dans le plan de son orbite autour du noyau, la force nette ou l’état de changement d’énergie serait nul. Cela a conclu que les effets de division de Zeeman pouvaient être calculés sur la base de l’orbite ou du moment angulaire d’un électron, par rapport à tout champ magnétique appliqué.
Les observations originales suggéraient que l’effet Zeeman normal observé avec l’hydrogène, où une division en trois raies spectrales se produisait, serait courant. En réalité, cela s’est avéré être une exception à la règle, cependant. C’est parce que la division des trois raies spectrales est basée sur le moment angulaire, ou l’orbite d’un électron autour du noyau, pourtant un état de spin d’électron a deux fois le moment magnétique du moment angulaire. L’état de spin est donc considéré comme un facteur plus important dans la production de l’effet Zeeman, et les états de spin, ou rotations d’électrons, doivent être théoriquement prédits à l’aide de l’électrodynamique quantique.