Effetto Zeeman: spettro atomico e interazione con campo magnetico

L’effetto Zeeman descrive il fenomeno di separazione di una linea spettrale in diverse componenti in presenza di un campo magnetico esterno. Scoperto dal fisico olandese Pieter Zeeman nel 1896, tale effetto comporta la suddivisione delle linee spettrali emesse da un gas eccitato in più componenti polarizzate, con la polarizzazione dipendente dall’angolo tra la direzione del campo magnetico e la direzione di osservazione, a causa dell’interazione tra il momento angolare L e il momento di spin S degli elettroni con il campo magnetico.

Gli elettroni sono particelle cariche confinate nei livelli energetici degli orbitali e possiedono spin seminintero, presentando momenti magnetici. Un elettrone circolante in un orbitale genera un campo magnetico interno che interagisce con il momento magnetico proprio dell’elettrone, avvenendo un accoppiamento spin-orbita (S-L).

L’ Hamiltoniano di un atomo in presenza di un campo magnetico si esprime come H = H_o + V_M, con H_o rappresentante l’Hamiltoniano imperturbato e V_M la perturbazione dovuta alla presenza del campo magnetico (- μ·B). Il momento magnetico dell’atomo è costituito da una parte dovuta all’elettrone e un’altra dovuta al nucleo, sebbene quest’ultima sia di molti ordini di grandezza minore e possa essere trascurata.

Il fattore di Landé g, dato dal rapporto tra il momento magnetico e il momento angolare orbitale di un sistema, è determinato dall’operatore del momento magnetico di un elettrone, che somma i contributi del momento angolare orbitale L e del momento angolare di spin S, ciascuno moltiplicato per l’opportuno rapporto giromagnetico. Nel caso di accoppiamento LS, si sommano tutti gli elettroni dell’atomo.

Nella maggior parte degli atomi, vi sono elettroni che si trovano in orbitali aventi la stessa energia. Tuttavia, la presenza del campo magnetico esterno elimina la degenerazione dei livelli energetici, modifica le energie degli elettroni e genera corrispondenti linee spettrali diverse seppure ravvicinate.

L’effetto Zeeman consiste in una separazione in energia (splitting) di sottolivelli energetici che in condizioni imperturbate risulterebbero degeneri. Da un livello l si differenziano 2l+1 sottolivelli. Nel caso in cui siano presenti elettroni spaiati e quindi spin totale non nullo, come nel caso del sodio, la struttura si complica ulteriormente.

L’effetto Zeeman dipende dal campo magnetico applicato, dando vita al cosiddetto effetto Zeeman anomalo, che comporta l’apparizione di un numero di righe superiore alle tre dell’effetto normale. Le misure spettroscopiche sono state effettuate per indagare sull’esistenza di campi magnetici cosmici, come i campi magnetici del sole e delle macchie solari. Applicazioni prolungate nell’ambito della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, della spettroscopia di risonanza di spin elettronico, della risonanza magnetica per imaging e della spettroscopia Mössbauer sono ulteriori campi di interesse in relazione all’effetto Zeeman.