Zeemanin ilmiö

Zeemanin ilmiö on aineen rakenteeseen liittyvä ilmiö, joka tarkoittaa spektriviivojen jakautumista useampaan magneettikentän vaikutuksesta. Se on analoginen sähkökentän vaikutuksesta havaittavan Starkin ilmiön kanssa. Zeemanin ilmiö on tärkeä sovellutuksissa, muun muassa NMR-spektroskopiassa ja Mössbauer- eli NGR-spektroskopiassa.

Fysikaalinen perusta

Useimmissa atomeissa on useita elektronikonfiguraatioita, joilla on sama energia. Tilat ovat siis degeneroituneita ja antavat saman spektriviivan. Magneettikentän B vaikutuksesta degeneraatio rikkoontuu ja energiatilat saavat hieman eri energiat. Kuvassa tätä jakaantumista on liioiteltu.

Ilman magneettikentän vaikutusta (B = 0) tiloilla a, b, ja c on sama energia (vastaavasti d, e, ja f). Magneettikentän vaikutuksesta spektriviiva, joka syntyy transitiosta tilojen a ja e välillä onkin eri paikassa kuin tilojen a ja f välisestä energiaerosta syntyvä spektriviiva. Kaikki siirtymät energiatilalta toiselle eivät ole sallittuja. Tilojen jakautumisen suuruus riippuu magneettikentän voimakkuudesta.

Zeemanin ilmiön havaitsi alankomaalainen fyysikko Pieter Zeeman 1896 tutkiessaan miten magneettikenttä vaikuttaa atomien lähettämään valoon. Hän huomasi, että kaksi natriumin spektriviivaa leveni hänen asettaessaan natriumliekin magneettikenttään. Atomin rakennetta ei tuolloin vielä tunnettu, joten Hendrik Lorentzin klassisen fysiikan teoreettisten tarkastelujen pohjalta pystyttiin Zeemanin ilmiön perusteella sanomaan, että atomissa täytyy olla keveitä, negatiivisesti varattuja hiukkasia. Elektronit havaittiinkin noin vuotta myöhemmin.

Koska Zeemanin havaitessa ilmiön elektronien spinistä ei vielä tiedetty mitään, ilmiö, missä elektronien nettospin on nolla, nimettiin Zeemanin ilmiöksi. Vasta myöhemmin osattiin selittää tapaukset, joissa elektronien yhteen laskettu spin on nollasta poikkeava. Tällöin puhutaan anomaalisesta Zeemanin ilmiöstä.

Englanninkielistä kirjallisuutta

• Brehm, J. J. & Mullin W. J.: Introduction to the structure of matter: A course in modern physics. Wiley & Sons, New York, 1989. ISBN 0-471-60531-X

Katso myös

• Spektroskopia

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Zeemanin ilmiö Wikimedia Commonsissa

• Zeemanin ilmiö, Tietosanakirja. Osa 10, palsta 1840–1841. Tietosanakirja-osakeyhtiö 1919