📂양자역학

제이만 효과

설명

1897년 네덜란드 물리학자 피테르 제이만^{Pieter Zeeman}이 발견한 현상으로 원자가 자기장 내에 있을 때 방출 스펙트럼 선이 갈라지는 것을 말한다.

패러데이가 1860년에 나트륨의 스펙트럼과 자기장에 대한 연구를 진행했지만 별다른 소득을 얻지 못했다. 이후 제이만도 같은 연구를 하였으나 마찬가지로 새로운 결과를 얻지 못하고 한동안 잊고 살았다. 그러다 패러데이의 책을 읽으며 영감을 얻곤 했던 제이만은 패러데이도 같은 실험을 했음을 알게 되었고, 정밀한 실험 기기로 다시 연구를 시작하게 된다. 1896년 8월 제이만은 전자석 사이에서 소금을 묻힌 석면을 불꽃에 넣어서 나오는 복사선을 관찰하는 실험을 진행했다. 그런데 전자석이 켜져있을 때, 즉 외부 자기장이 있을 때 나트륨의 선 스펙트럼이 굵게 나타나는 현상을 발견했다. 또한 1892년에 이미 프링스하임^{Ernst Pringsheim} 이 같은 현상을 보고했음을 알게되었다. 이에 제이만은 이러한 효과가 정말로 자기장에 의한 것인지에 의구심을 품고 더 정밀한 실험을 진행했다. 아래의 사진은 제이만이 실제로 실험에 사용했던 전자석이다.

그 후 제이만은 자기장이 원자의 스펙트럼 선에 영향을 미친다는 사실을 확신하고 네덜란드 왕립 예술 과학 아카데미에서 이에 대해 얘기하였다. 이 이야기를 들은 로렌츠는 자신의 복사 이론으로 제이만이 발견한 현상을 설명할 수 있을거라고 했다. 로렌츠의 복사 이론에서는 모든 물질 속에 전기의 이온^{Ions of Electrolysis} 이라 이름 붙힌 전기를 띤 작은 입자가 있다고 가정한다. 전자의 존재가 밝혀지기 전에 사실상 전자와 같은 것을 생각하고 있었던 것이다. 제이만은 실험을 더 자세하게 설계하여 계속 했다. 1897년에는 나트륨 대신 카드뮴으로 진행하였는데 사실은 스펙트럼선이 굵어진 것이 아니라 여러 개로 갈라진 것을 확인하였다. 심지어 자기장이 셀 수록 더 많이 갈라졌는데 이는 로렌츠의 이론과도 잘 부합하는 결과였다. 아래의 사진 중 위는 자기장이 없을 때의 나트륨 스펙트럼 선, 아래는 자기장이 있을 때의 나트륨 스펙트럼 선이다. 이렇게 제이만의 공로로 인해 원자의 스펙트럼 선이 자기장 내에서 갈라지는 현상을 제이만 효과 라고 부르게 되었다. 제이만과 로렌츠는 제이만 효과에 대한 공로로 1902년 노벨 물리학상을 수상하였다. 다만 로렌츠의 이론이 모든 제이만 효과를 설명하지는 못했는데 로렌츠의 이론으로 설명 가능한 현상을 정상 제이만 효과^{Normal Zeeman Effect} , 설명이 불가능한 현상을 비정상 제이만 효과^{Anomalous Zeeman Effect} 라 부르게 되었다. 참고자료¹²³