اثر زیمان

اثری که به ساختار ظریف خط های طیف نشری اتم ها مربوط است ؛ توسّط زیمان در سال 1986 کشف شد و می توان آن را چنین بیان کرد . « هرگاه اتم هیدروژن ، در یک میدان مغناطیسی مناسب قرار گیرد ، طیف نشری آن به مراتب پیچیده تر از هنگامی می شود که در بیرون از میدان مغناطیسی به دست می آید . یعنی ، هرخط طیفی که در بیرون از میدان مغناطیسی قابل مشاهده باشد ، در میدان مغناطیسی مطابق شکل زیر :

به صورت چند خط ظریف طیفی که به یکدیگر بسیار نزدیکند و به فاصله برابر قرار دارند ، دیده می شوند . و به اصطلاح طیف اتم ساختار ظریفی پیدا می کند .

فاصله این خط ها ( یا تفاوت فرکانس یا طول موج آنها ) به شدّت میدان مغناطیسی بستگی دارد . برای توجیه این اثر با توجه به این که ظهور هر خط طیفی نشانه وجود دو تراز انرژی مجزّا از یکدیگر است باید پذیرفت که یک تراز فرعی ( که انرژی آن با عدد کووانتومی l مشخص می شود . )می بایست شامل چند تراز فرعی انرژی بسیار نزدیک به هم باشد که هریک از آنها ، منشاء ظهر یک خط طیفی ظریف است . برای این منظور ، باید برای حرکت الکترون به دور هسته ، یک درجه آزادی دیگر در نظر گرفت . از آن جایی که الکترون ذره ای باردار است و ضمن چرخش به دور هسته ، حکم یک مغناطیس کوچک را دارد ، پس صفحه چرخش آن در ترازهای فرعی مانند یک صفحه مغناطیسی ، تحت تاثیر میدان مغناطیسی بیرونی واقع شده و بر اثر یک جفت نیرو در راستای معینی قرار می گیرد که با راستای میدان ( بر اساس شکل زیر ) زاویه ​\( \theta \)​ تشکیل می دهد .مقدار این زاویه باید از شرط کووانتومی بون پیروی کند به طوری که تصویر اندازه حرکت الکترون به دور هسته بر روی تراز فرعی l( یعنی ​\( I^{\to }=mvr \)​بر روی راستای میدان مغناطیسیH ، مضرب درستی از واحد بنیادی کووانتوم( ​\( \frac{h}{2\pi} \)​) باشد .

این مضرب درست را معمولاً با ​\( m_{e} \)​نشان می دهند که عدد کووانتومی مغناطیسی نامیده می شود ، از این رو می توان نوشت :​\( \overline{OM}=m_{l}\frac{h}{2\pi} \)​

چون داریم :​\( \overline{OM}=\overrightarrow{l}cos\theta \)​و طبق نظریه سامرفلد مقدار ​\( \overrightarrow{l} \)​برابر ​\( l\frac{h}{2\pi} \)​است .

با توجه به تصویر می توان نوشت :​\( \overrightarrow{l}cos\theta=l\frac{h}{2\pi}cos\theta\\l\frac{h}{2\pi}cos\theta=m_{l}\frac{h}{2\pi}\\ lcos\theta=m_{l}\\ \frac{m_{l}}{l}=cos\theta \)​

با توجه به حد ّ ​\( cos\theta \)​که بین 1+ و 1- است ، داریم : ​\( -1\leqslant \frac{m_{l}}{l}\leqslant 1 \)​ و یا ​\( m_{l}=-1 ,0,+1 \)​ یعنی اگر l=0 باشد ، مقدار ​\( m_{l}=0 \)​است و تراز فرعی ( زیرلایه ) تنها شامل یک تراز فرعی تر ( تراز S) است . اگر l=1 باشد ، ( تراز P ) ، ​\( m_{l} \)​ می تواند سه مقدار 1+ ، 0 و 1- را داشته باشد یعنی شامل اوربیتال ( اوربیتال های ​\( P_{z}, P_{y}, P_{x} \)​ ) است و …..

بر این اساس ، می توان برای نمونه ، شش جهش الکترونی را بین ترازهای اصلی دوم و سوم پیشگویی کرد :

از این رو ، الکترون در جهش و سقوط بین دو تراز فرعی ، بسته به این که از کدام اوربیتال تراز فرعی به کدام اوربیتال تراز فرعی دیگر در میدان مغناطیسی جهش و سقوط کند با توجه به اصل های انتخاب ، چندین خط طیفی ظریف نزدیک به هم در طیف آن آشکار می شود . بدین ترتیب اثر زیمان به روشنی توجیه شده است .

پیتر زیمان ، فیزیکدان هلندی که در سال 1865 در زونمر از ایالت زیلاند زاده شد . در دانشگاه لیدن زیر نظر کامرینگ اونس و لورنتس تحصیل کرد . در اثر راهنمایی های لورنتس ، آزمایش هایی در مورد تاثیر میدان مغناطیسی بر هر نوری که از آن بگذرد ، انجام داد و در سال 1869 آنچه را اکنون به « اثر زیمان » مشهور  است و تاییدی بر گفته ها و نظریه لورنتس بود ، کشف کرد . زیمان در سال 1943 در آمستردام ( هلند ) از دنیا رفت .