「ゼーマン効果」とは？理系学生ライターがわかりやすく解説

ライター／ずんだもち

化学系の研究室で日々研究を重ねる理系学生。1日の半分以上の時間を化学実験に使う化学徒の鑑。受験生のときは化学が得意でなかったからこそ、化学を苦手とする人の立場に立ってわかりやすく解説する。

1.ゼーマン効果とは？

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今回のテーマは「ゼーマン効果」です。少し難しいテーマですので、まずはどんな現象なのかを大まかに説明して全体像を掴んでいきましょう。

ゼーマン効果とは、「強い磁場中では原子スペクトルが変化（分裂）する現象」のことです。

原子は陽子、中性子、電子からなっていますが、これらにはエネルギー準位に従って配置されています。原子が何らかの刺激（エネルギー）を吸収すると、電子などはより高いエネルギー準位（励起状態）に移動することがでるのです。しかし高いエネルギー準位にあるものは不安定で、すぐにもとのエネルギー準位（基底状態）に戻ってしまいます。このとき、このエネルギー差に相当する波を放出するのですが、この波をエネルギーごとに検出したものが原子スペクトルです。

さて、このような原子を磁場の中に置くとどうなるでしょう。原子に磁場がかかると、磁場がない状態では確認できなかったエネルギー準位が見えるようになります。正確には、磁場がない状態で見えていたエネルギー準位が複数に分裂するのです。

2.ゼーマン効果をさらに詳しく

以上がゼーマン効果の大まかな説明になります。まだまだ分からないポイントがたくさんあると思いますが、全体像は掴んめたでしょうか？ここからは要点についてさらに詳しく解説していきますね。

2-1.エネルギーと波

まずはエネルギーと波の関係は強く結びついていることを知る必要があります。

原子スペクトルは励起状態と基底状態のエネルギーの差を検出するものだと説明しました。このエネルギー差はどのように検出するのでしょうか？例えば実際に水素原子を励起すると、赤、水色、青、青の4本の線が観測でき、実はこれがエネルギー差の正体です。

この仕組みについて詳しくみていきましょう。波にはいろいろな波長のものがありますが、このうち約400nmから約800nmの波は可視光であり、私たちの目に色として届くのです。波長の短い400nmの紫色から始まり、波長の長い800nmの赤色まで、虹色のように様々な色が観察できます。

そしてもう1つのポイントが、波の波長がエネルギーに対応していることです。波のエネルギーは波長に反比例することが知られています。つまり、波長の短い紫色は強いエネルギーを持ちますが、波長が長くなって赤に近づくごとにエネルギーは弱くなるのです。

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ここまで理解すると、水素原子から観察された4つの色の正体が分かると思います。例えば、赤色の光は水素原子に約656nmの波に相当するエネルギー差の準位があることを示しているのです。

この水素原子の場合は、このスペクトルの正体は電子のエネルギー準位。測定の際に励起された電子はより高いエネルギー準位に到達しますが、これが2つ目に低いエネルギー準位まで落ちるときに可視光領域の波が観測できます。

2-2.スピン

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次は「スピン」についての解説です。少し難しい話ですので、イメージを大切にしながら理解していきましょう。ここでは電子を例にして説明していきますね。

電子は原子核の周りを回りながら、自分も回転していることが知られていて、これはスピンと呼ばれます。実際にスピンをしているかと言われると難しいですが、スピンをしているというイメージは分かりやすく、広く使われている解釈の仕方です。原子核を太陽、電子を地球と捉えると分かりやすいかもしれません。電子の運動は、ちょうど地球が公転と自転を同時にしているのと同じですね。

原子核の周りを回っているこの電子ですが、実は2種類のスピンがあります。それは、電子の進行方向に対して右回りのものと左回りのものです。一般的にこのスピンは右ねじの法則を使って「上向きのスピン」「下向きのスピン」と呼ばれます。どちらが上でどちらが下かはあまり関係ありませんし、2つのスピンを区別して呼ぶことがほとんどですので、言葉だけ押さえておきましょう。

2-3.ゼーマン効果

先ほどはスピンについて解説しました。このスピンはどちら向きにスピンしていても大した差はないように思えるでしょう。実際に、どちらのスピンでも電子のエネルギーは同じです。しかし、原子を磁場中に置いた場合はこのスピンの向きによりエネルギー準位が変わります。具体的には、かけた磁場に対して平行なものが安定化、反平行なものは不安定化し、まさにこれこそがゼーマン効果なのです。

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このエネルギー準位の分裂は電子のスピンによって磁場が発生することで起こります。電流が流れるとその周りに磁場が誘起されることは有名ですが、電子のスピンの場合も周りに磁場が発生するため、同じ方向を向いているものが安定化されるというイメージです。

ここで注意ですが、ゼーマン効果は電子だけに対する現象ではありません。今回は分かりやすいように電子に着目して解説しましたが、中性子や陽子など、核スピンを持っているもの全般に対して適用できる現象です。実際に化学分野で日常的に使われるNMRという装置は、原子核のゼーマン効果を利用して化合物の構造のヒントを得る装置になります。

3.どんなところで使われている？

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ここまでゼーマン効果を説明してきましたが、この現象はどこで使われているのでしょうか？

1番身近なのは医療現場でよく使われるMRIです。MRIを使うと体内の状態を確認することができます。実はこの装置、体内を磁場中におき、体を構成する原子をマイクロ波によって（準位の低いスピンを準位の高いスピンに）励起しているのです。励起するには2つの準位間のエネルギーに相当する波を照射しなければなりません。このエネルギーは同じ原子であればほとんど同じですが、その原子の周りの環境によって少しずつ変わってきます。MRIではこの違いを観察することで体内の環境を調べているのですね。