제이만 효과 (Zeeman Effect)
쉽게 풀면
원자 안의 전자는 작은 자석처럼 행동합니다. 밖에서 자기장을 걸면 이 작은 자석이 자기장과 어떤 각도로 놓이느냐에 따라 에너지가 조금씩 달라집니다. 그런데 양자역학에서는 그 각도가 아무 값이나 될 수 없고 정해진 몇 가지만 허용되므로, 원래 하나였던 에너지 준위가 몇 개로 갈라집니다. 그 결과 스펙트럼에서 한 줄이던 선이 여러 줄로 나뉘어 보입니다.
왜 중요한가
준위가 몇 갈래로 갈라지는지를 세면 그 준위의 각운동량 상태를 알 수 있어서, 원자의 양자수를 실험적으로 결정하는 고전적인 방법이 되었습니다. 태양 흑점의 스펙트럼선 갈라짐을 측정해 흑점 자기장의 세기를 재는 것처럼, 멀리 있는 천체의 자기장을 측정하는 사실상 유일한 수단이기도 합니다. 자기공명이나 원자시계, 자기광학트랩 같은 정밀 측정·제어 기술도 이 효과를 기반으로 합니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
조금 더 깊게 보면
에너지 이동은 자기 모멘트와 자기장의 곱에 비례하며, 그 크기는 자기 양자수와 랑데 g 인자에 따라 결정됩니다. 스핀을 고려하지 않아도 설명되는 단순한 세 갈래 갈라짐을 정상 제이만 효과, 스핀 때문에 더 복잡하게 갈라지는 경우를 비정상 제이만 효과라고 부르며, 후자가 스핀의 존재를 알리는 초기 증거가 되었습니다. 자기장이 매우 강해져 스핀-궤도 결합보다 커지면 갈라짐 양상이 달라지는데, 이를 파셴-바크 효과라고 합니다. 갈라진 선 사이의 전이가 모두 일어나는 것은 아니며 선택규칙이 허용하는 것만 관측됩니다.
주의할 점
전기장에 의한 준위 갈라짐인 슈타르크 효과와 혼동하지 않아야 하며, 두 효과는 자기장 세기 의존성도 다릅니다. 또 '정상'과 '비정상'이라는 이름은 역사적 명칭일 뿐, 실제로는 스핀을 포함한 비정상 쪽이 더 일반적인 경우입니다. 갈라짐 폭이 매우 작을 수 있어 분해능이 충분한 분광기가 필요합니다.