Effetto Zeeman
Che cos'è l'effetto Zeeman?
Nel 1906 il fisico olandese Pieter Zeeman (1865-1943) compì ricerche sulle influenze che un campo magnetico esercita sulla lunghezza d'onda della luce emessa da corpi incandescenti, e scoprì un allargamento della riga D nella luce del sodio che si rivelò ben presto come una scissione della riga in un gruppo di tre.
Il cosiddetto effetto Zeeman trovò una prima spiegazione con la tesi di Lorentz secondo cui l'emissione di luce dipendeva da cariche elettriche rotanti nelle strutture atomiche: un campo magnetico perturbava il movimento delle cariche e, quindi, generava uno spostamento nella lunghezza d'onda emessa.
L'effetto Zeeman normale compare quando si analizza lo spettro di emissione di una sostanza allo stato atomico, immersa in un campo magnetico di intensità sufficientemente grande; si può allora notare che ciascuna delle righe spettrali attese risulta scomposta in numerose componenti.
Osservando la luce emessa si nota anche che è polarizzata, in direzioni e modalità diverse a seconda delle righe considerate, dell'intensità del campo e della linea di osservazione.
La causa del fenomeno risiede nel fatto che i livelli energetici degli atomi della sostanza in esame si sono scomposti in sottolivelli, a causa dell'azione del campo magnetico esterno sull'atomo, che introduce una direzione privilegiata nel suo momento magnetico, rompendo la simmetria esistente e cambiando gli stati energetici permessi.
Esiste anche un effetto Zeeman anomalo, che si verifica con modalità simili, per campi magnetici deboli, ad esempio nei metalli alcalini aumentando l'intensità del campo si torna all'effetto Zeeman normale; questa transizione dall'uno all'altro si chiama effetto Paschen-Back.
Effetto Zeeman normale
Consiste nella separazione di una riga in due o tre componenti, a seconda della direzione di osservazione: la radiazione emessa è polarizzata.
L'effetto normale si osserva in tutte le righe appartenenti a sistemi di singoletti, per i quali il numero quantico di spin, S, è nullo.
La variazione di frequenza Δv delle componenti spostate si può valutare in base ai principi dell'elettromagnetismo classico e alla teoria di Larmor, secondo cui:
in cui:
- e è la carica dell'elettrone;
- c è la velocità della luce;
- H il campo magnetico applicato;
- me la massa dell'elettrone.
Sostituendo il valore del rapporto tra la carica e la massa dell'elettrone, si possono ottenere i valori di Δv dipendenti dal valore di H.
Effetto Zeeman normale.
Effetto Zeeman anomalo
Consiste in una separazione delle righe in strutture più complicate: il suo nome è dovuto al fatto che esso non è spiegabile mediante la teoria classica, basata sul teorema di Larmor; esso si presenta per ogni riga spettrale derivante da una transizione tra termini di molteplicità superiore a 1.
Poiché la molteplicità delle righe spettrali è dovuta alla presenza di un vettore quantico S, risultante degli spin degli elettroni, l'effetto anomalo si deve attribuire a un comportamento magnetico non classico dello spin.
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