ปรากฏการณ์ซีมานเป็นปรากฏการณ์ที่ถูกค้นพบโดย ปีเตอร์ ซีมาน ชาวเนเธอร์แลนด์ เมื่อปี ค.ศ. ๑๘๙๖
พบว่าเมื่อให้สนามแม่เหล็กอย่างอ่อนๆแก่แหล่งกำเนิดแสง สเปกตรัมของแสงจะถูกแยกออกจากกัน
ในปีเดียวกัน เฮนดริก ลอเลนซ์ ได้ใช้ผลจากปรากฏการณ์นี้ทำนายการมีอยู่ของอนุภาคซึ่งทำให้แสงมีขั้ว
อนุภาคนั้นมีมวลน้อยกว่าไฮโดรเจนพันเท่า และมีประจุเป็นลบ ก่อนที่ เจ เจ ทอมป์สัน จะค้นพบอิเล็กตรอน
ผลจากงานวิจัยนี้ทำให้ ซีมาน ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. ๑๙๐๒ ร่วมกับ เฮนดริก ลอเลนซ์
ปรากฏการณ์ซีมานปรกติคิดผลอันเนื่องมาจากอันตรกิริยาระหว่าง ไดโพลโมเมนต์แม่เหล็กของแหล่งกำเนิดแสง กับ สนามแม่เหล็กภายนอก
ในกรณีที่ค่าสปินรวมของอิเล็กตรอนเท่ากับ 0
ฮามิลโทเนียนรบกวนสามารถเขียนให้อยู่ในรูปผลคูณภายในระหว่าง ไดโพลโมเมนต์แม่เหล็ก กับ สนามแม่เหล็กภายนอก ซึ่งมีทิศชี้ไปแกน ดังนี้
โดยที่ คือบอห์รแมกนีตอน, คือ เงาของโมเมนตัมเชิงมุม บนแกน
ในอะตอมไฮโดรเจน ฮามิลโทเนียนที่ไม่ถูกรบกวน คือ
ปรากฏการณ์ซีมานปรกติคิดผลอันเนื่องมาจากอันตรกิริยาระหว่าง ไดโพลโมเมนต์แม่เหล็ก กับ สนามแม่เหล็กภายนอกซึ่งมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับสนามแม่เหล็กภายในอะตอม ในกรณีที่ค่าสปินรวม (S) ของอิเล็กตรอนมีค่าไม่เท่ากับศูนย์ ทำให้เส้นสเปกตรัมในสนามแม่เหล็กมีความซับซ้อนขึ้น
เนื่องจากมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก จึงสามารถหาโมเมนต์ขั้วคู่แม่เหล็ก (Magnetic dipole moment) จากผลดังกล่าวได้จาก
- โดยที่ คือ Orbital angular momentum
เรื่องสปินรวมของเล็กตรอนไม่เป็นศูนย์ โมเมนต์ขั้วคู่แม่เหล็กจึงคิดผลจากสปินด้วย ซึ่งค่าที่ได้จะมีค่า g-factor ซึ่งในกรณีของอิเล็กตรอน คูณอยู่ จะได้
- โดยที่ คือโมเมนตัมเชิงมุมสปิน (Spin angular momentum)
ซึ่งจะได้พลังงานรวมสนามแม่เหล็กเป็นแฮมิลโทเนียนจากสมการ
เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอก ในที่นี้มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับสนามไฟฟ้าภายในที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุ จะได้ว่า เป็นตัวรบกวน (Perturbation) โดยจากความสัมพันธ์ของโมเมนตัมเชิงมุมรวม คือ
- จะได้ แทนลงไปใน จะได้
ซึ่งเราจะใช้ เนื่องจาก ไม่ได้มีค่าคงที่ แต่มีการหมุนควงรอบ เราจึงสามารถแยกออกเป็นสององค์ประกอบคือ ในแนวขนานกับ ซึ่งมีขนาดเป็น และในแนวตั้งฉากกับ ซึ่งมีขนาดเป็น โดยเมื่อ หมุนควงรอบ ดังนั้นค่าเฉลี่ยของ ในแนวตั้งฉากมีค่าเป็นศูนย์ จึงได้ว่าค่าเฉลี่ย จะมีขนาดเท่ากับ และมีทิศทางชี้ไปทางเดียวกับ จะได้
- โดยที่ เป็นมุมระหว่าง กับ ซึ่งจะได้ว่า
- จะได้
เมื่อกำหนดให้สนามแม่เหล็กภายนอก มีขนาดเป็น และมีทิศทางไปทางแกน จะได้ว่า
พิจารณาตัวดำเนินการ จากโมเมนตัมเชิงมุมรวม หรือ จะได้
ดังนั้น จะได้ว่า
- นั่นคือ
ทำการหาพลังงานได้จากแฮมิลโทเนียนได้โดยเลือกใช้ฐานคือ เนื่องจากผลของสนามแม่เหล็กที่มีค่าน้อยกว่าสนามแม่เหล็กภายใน ทำให้โมเมนตัมเชิงมุมรวม ประมาณได้ว่าคงที่ จะได้ว่า
เนื่องจากผลของตัวดำเนินการเมื่อไปกระทำ คือ
จะได้
สำหรับในกรณีของอิเล็กตรอนเลขควอนตัมสปิน เสมอ จะได้ว่า
ซึ่งสังเกตว่าค่าของ จะมีค่าไม่เป็นศูนย์ในกรณีที่เลขควอนตัมในฐานทั้งสองด้านมีค่าเท่ากันทุกตัวเท่านั้น จึงทำให้การใช้ฐาน ได้คำตอบอยู่ในรูปของ เมทริกซ์ทแยง (Diagonal matrix) นั่นคือจะทำให้สมาชิกในตำแหน่งนอกแนวทแยงที่เลขควอนตัมบางตัวไม่เท่ากันมีค่าเป็นศูนย์ทั้งหมด ซึ่งทำให้ง่ายต่อการหาค่าไอเกนหรือพลังงานในแต่ละสถานะได้ทันทีจากสมาชิกในแนวทแยง จึงได้ว่า
โดยที่ เป็นค่าคงที่เรียกว่า Bohr magneton ส่วน เรียกว่า Landé g-factors
ตัวอย่าง:การเปลี่ยนในอนุกรมไลมาณ-อัลฟ่า ของไฮโดรเจน (Lyman alpha transition in hydrogen)
[แก้ไข | แก้ไขต้นฉบับ]
ในกรณีนี้ เรื่องจากไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ค่าสปินรวม จึงไม่เท่ากับศูนย์ จึงเกิดปรากฏการณ์ซีมานแบบไม่ปรกติ โดยอิเล็กตรอนเปลี่ยนจาก
- และ
เมื่อมีสนามแม่เหล็กอย่างอ่อนจากภายนอกเข้าไปกระทำ จะทำให้แยกระดับชั้นพลังงาน 1S1/2 และ 2P1/2 ไปยังสองระดับพลังงาน ที่มี ()และ 2P3/2 ไปยังสี่สถานะคือ (). โดยมี Landé g-factors สำหรับสามสถานะคือ
- สำหรับ (j=1/2, l=0)
- สำหรับ (j=1/2, l=1)
- สำหรับ (j=3/2, l=1).
สำหรับภาพประกอบสามารถชมได้ที่
https://en.wikipedia.org/wiki/Zeeman_effect#mediaviewer/File:Zeeman_p_s_doublet.svg