Die Aufspaltung und Verschiebung atomarer oder molekularer Energieniveaus und der zugehörigen Spektrallinien unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes, verursacht durch die Wechselwirkung zwischen magnetischen Momenten (bahnen und Spin) und dem Feld.

Prinzip

Ein äußeres Magnetfeld koppelt an magnetische Dipolmomente via H = -µ·B (bzw. dessen quantenmechanisches Gegenstück), hebt Entartungen in Bezug auf magnetische Quantenzahlen auf und erzeugt im schwachen Feld (linearer Bereich) Energieverschiebungen proportional zu m und zur Feldstärke.

Demonstration

Beim normalen Zeeman-Effekt eines einzelnen Elektron-Orbitals spaltet sich ein Niveau mit Bahndrehimpuls l in 2l+1 gleichmäßig gespaltene Komponenten proportional zu m_l B ; in realen Atomen führt der anomale Zeeman-Effekt Spin und Landé-g-Faktoren ein und erzeugt komplexere Multiplettmuster, die in Laborspektren beobachtet werden.

Fehlanwendung

Die lineare Zeeman-Formel im starken Feld (Paschen–Back) anzuwenden oder Spin-Beiträge und Landé-g-Faktoren in Viel-Elektronen-Atomen zu ignorieren, liefert falsche Aufspaltungsgrößen und -muster.

Konsequenz

Bietet ein Diagnosewerkzeug für Magnetfelder und magnetische Momente: Spektrallinienaufspaltung und Polarisation zeigen Feldstärke und Orientierung, erlauben Bestimmung von Landé-g-Faktoren und bilden die Grundlage für Techniken wie atomare Magnetometrie und astrophysikalische Feldmessungen.

Umkehrung

Ohne Magnetfeld bleibt die Entartung der magnetischen Quantenzahlen erhalten und es tritt keine Zeeman-Aufspaltung auf; sehr starke Felder können hingegen J in separate Quantisierungsachsen L und S aufbrechen (Paschen–Back-Limit) und die Aufspaltungsstruktur ändern.

Abgrenzung

Die gültige Beschreibung hängt von der Feldstärke ab: linearer (schwacher) Zeeman gilt, wenn die Zeeman-Energie klein gegenüber der Feinstruktur ist; Paschen–Back- und Zwischenregime erfordern nicht-perturbative Behandlung. Schließt hyperfeine Aufspaltung nicht ein, sofern diese Wechselwirkungen nicht zusätzlich berücksichtigt werden.

Semantische Spannung

Verwandt, aber unterscheidbar vom Stark-Effekt (durch elektrisches Feld induzierte Aufspaltung) und von hyperfeinen Aufspaltungen (nukleare Spin-Wechselwirkungen); bei gleichzeitiger Wirkung mehrerer Störungen ist sorgfältige Unterscheidung nötig.

Synthese

Der Zeeman-Effekt ist die magnetfeldinduzierte Aufhebung der Entartung magnetischer Unterniveaus durch Kopplung magnetischer Momente an B, wodurch vorhersehbare Verschiebungen und Aufspaltungen entstehen, die Einblick in interne magnetische Strukturen und externe Felder in atomaren, molekularen und Festkörpersystemen geben.