📂量子力学

ゼーマン効果

説明

1897年にオランダの物理学者ピータ・ゼーマン^{Pieter Zeeman}が発見した現象で、原子が磁場内にあるときに放出されるスペクトル線が分裂することを指す。

ファラデーは1860年にナトリウムのスペクトルと磁場に関する研究を行ったが、特に成果は得られなかった。その後、ゼーマンも同じ研究を行ったが、新しい結果は得られず、しばらく忘れていた。しかし、ファラデーの本を読んで刺激を受けたゼーマンは、ファラデーも同じ実験をしていたことを知り、精密な実験機器で再び研究を始めた。1896年8月にゼーマンは電磁石の間に塩を付けた石綿を炎に入れて出てくる放射線を観察する実験を行った。ところが、電磁石がオンになっているとき、つまり外部磁場があるときにナトリウムの線スペクトルが太くなる現象を発見した。また、1892年にすでにプリングスハイム^{Ernst Pringsheim}が同じ現象を報告していたことを知った。そこでゼーマンは、この効果が本当に磁場によるものかどうか疑問を抱き、より精密な実験を行った。以下の写真は、ゼーマンが実際に実験で使用した電磁石だ。

その後、ゼーマンは磁場が原子のスペクトル線に影響を与えるという事実を確信し、オランダ王立芸術科学アカデミーでこれについて話した。これを聞いたローレンツは、自分の放射理論でゼーマンが発見した現象を説明できると言った。ローレンツの放射理論では、すべての物質の中に電気を帯びた小さな粒子、電解イオン^{Ions of Electrolysis}という名前の粒子が存在すると仮定している。電子の存在が明らかになる前に、事実上電子と同じものを考えていたのだ。ゼーマンは実験をさらに詳細に設計して続けた。1897年にはナトリウムの代わりにカドミウムで進めたところ、実はスペクトル線が太くなるのではなく、複数に分裂することが確認された。さらに、磁場が強いほどより多く分裂したが、これはローレンツの理論ともよく一致する結果だった。以下の写真の上は磁場がないときのナトリウムのスペクトル線、下は磁場があるときのナトリウムのスペクトル線だ。

このようにしてゼーマンの功績により、原子のスペクトル線が磁場内で分裂する現象をゼーマン効果と呼ぶようになった。ゼーマンとローレンツはゼーマン効果に関する功績で1902年にノーベル物理学賞を受賞した。しかし、ローレンツの理論がすべてのゼーマン効果を説明するわけではなく、ローレンツの理論で説明できる現象を正常ゼーマン効果^{Normal Zeeman Effect}、説明できない現象を異常ゼーマン効果^{Anomalous Zeeman Effect}と呼ぶようになった。参考資料¹²³