¿Qué es el efecto Zeeman?

El efecto Zeeman es una propiedad en física donde la luz de una línea espectral se divide en dos o más frecuencias cuando se encuentra bajo la presencia de un campo magnético. La propiedad lleva el nombre de Pieter Zeeman, un físico de los Países Bajos del siglo XX que ganó el Premio Nobel de Física junto con Hendrik Lorentz en 1902, por descubrir el efecto. El desarrollo de la mecánica cuántica modificó aún más la comprensión del efecto Zeeman al determinar qué líneas espectrales se emitían a medida que los electrones se movían de una capa de energía a otra en su órbita de núcleos atómicos. La comprensión del efecto Zeeman ha llevado al avance en los estudios de resonancia paramagnética de electrones, así como a la medición de campos magnéticos en el espacio, como los del Sol y otras estrellas.

Contemplar cómo se produce el efecto Zeeman en el hidrógeno es uno de los métodos más fáciles de entender el proceso. Un campo magnético aplicado a una línea espectral de transición de hidrógeno provocará una interacción con el momento dipolar magnético del momento angular orbital para el electrón y dividirá la línea espectral en tres líneas. Sin el campo magnético, la emisión espectral está en una sola longitud de onda, que se rige por los números cuánticos principales.

El efecto Zeeman también se puede dividir en el efecto anómalo Zeeman y el efecto Zeeman normal. El efecto normal de Zeman se caracteriza por átomos como el hidrógeno, donde se produce una transición esperada en una visualización igualmente espaciada de un triplete de líneas espectrales. En un efecto anómalo, el campo magnético puede dividir las líneas espectrales en cuatro, seis o más divisiones, con espacios más amplios de lo esperado entre las longitudes de onda. El efecto anómalo profundizó la comprensión del giro de electrones, y es una especie de etiqueta errónea, ya que ahora es un efecto predicho.

Los resultados experimentales del estudio de este fenómeno concluyeron que el estado de espín, u orientación del electrón, fue clave para el cambio de energía que sufrió y, por lo tanto, el tipo de emisión espectral que produjo. Si el plano de órbita de un electrón fuera perpendicular a un campo magnético aplicado, produciría un estado de cambio de energía positivo o negativo dependiendo de su rotación. Si el electrón estuviera dentro del plano de su órbita alrededor del núcleo, la fuerza neta o el estado de cambio de energía sería cero. Esto concluyó que los efectos de división de Zeeman podrían calcularse en función de la órbita o el momento angular de un electrón, en relación con cualquier campo magnético aplicado.

Las observaciones originales sugirieron que el efecto Zeeman normal presenciado con hidrógeno, donde se produjo una división en tres líneas espectrales, sería común. En realidad, esto resultó ser una excepción a la regla, sin embargo. Esto se debe a que la división de tres líneas espectrales se basa en el momento angular, u órbita de un electrón alrededor del núcleo, sin embargo, un estado de giro de electrones tiene el doble del momento magnético del momento angular. El estado de giro se ve como un factor mayor, por lo tanto, al producir el efecto Zeeman, y los estados de giro, o rotaciones de electrones, deben predecirse teóricamente utilizando la electrodinámica cuántica.