Το φαινόμενο Zeeman είναι μια ιδιότητα στη φυσική όπου το φως μιας φασματικής γραμμής χωρίζεται σε δύο ή περισσότερες συχνότητες όταν βρίσκεται υπό την παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου. Το ακίνητο πήρε το όνομά του από τον Pieter Zeeman, έναν φυσικό του 20ού αιώνα από την Ολλανδία που κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής μαζί με τον Hendrik Lorentz το 1902, για την ανακάλυψη του φαινομένου. Η ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής τροποποίησε περαιτέρω την κατανόηση του φαινομένου Zeeman προσδιορίζοντας ποιες φασματικές γραμμές εκπέμπονταν καθώς τα ηλεκτρόνια μετακινούνταν από το ένα ενεργειακό κέλυφος στο άλλο στην τροχιά των ατομικών πυρήνων τους. Η κατανόηση του φαινομένου Zeeman έχει οδηγήσει σε πρόοδο στις μελέτες παραμαγνητικού συντονισμού ηλεκτρονίων, καθώς και στη μέτρηση των μαγνητικών πεδίων στο διάστημα, όπως αυτά του Ήλιου και άλλων άστρων.
Η εξέταση του τρόπου με τον οποίο λαμβάνει χώρα το φαινόμενο Zeeman στο υδρογόνο είναι μία από τις ευκολότερες μεθόδους κατανόησης της διαδικασίας. Ένα μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζεται σε μια φασματική γραμμή μετάπτωσης υδρογόνου θα προκαλέσει μια αλληλεπίδραση με τη μαγνητική διπολική ροπή της τροχιακής γωνιακής ορμής για το ηλεκτρόνιο και θα χωρίσει τη φασματική γραμμή σε τρεις γραμμές. Χωρίς το μαγνητικό πεδίο, η φασματική εκπομπή είναι σε ένα μόνο μήκος κύματος, το οποίο διέπεται από τους κύριους κβαντικούς αριθμούς.
Το φαινόμενο Zeeman μπορεί επίσης να χωριστεί στο ανώμαλο φαινόμενο Zeeman και στο κανονικό φαινόμενο Zeeman. Το κανονικό φαινόμενο Zeman χαρακτηρίζεται από άτομα όπως το υδρογόνο, όπου συμβαίνει μια αναμενόμενη μετάβαση σε μια ίσης απόστασης απεικόνιση μιας τριάδας φασματικών γραμμών. Σε ένα ανώμαλο φαινόμενο, το μαγνητικό πεδίο μπορεί να χωρίσει τις φασματικές γραμμές σε τέσσερις, έξι ή περισσότερες υποδιαιρέσεις, με μεγαλύτερες από τις αναμενόμενες αποστάσεις μεταξύ των μηκών κύματος. Το ανώμαλο φαινόμενο βάθυνε την κατανόηση του σπιν ηλεκτρονίων και είναι κάτι σαν εσφαλμένη επισήμανση, καθώς είναι τώρα ένα προβλεπόμενο αποτέλεσμα.
Τα πειραματικά αποτελέσματα της μελέτης αυτού του φαινομένου κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η κατάσταση σπιν, ή ο προσανατολισμός του ηλεκτρονίου, ήταν το κλειδί για την ενεργειακή αλλαγή που υπέστη και, επομένως, τον τύπο της φασματικής εκπομπής που παρήγαγε. Εάν το επίπεδο τροχιάς ενός ηλεκτρονίου ήταν κάθετο σε ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο, τότε θα παρήγαγε μια κατάσταση αλλαγής θετικής ή αρνητικής ενέργειας ανάλογα με την περιστροφή του. Εάν το ηλεκτρόνιο βρισκόταν εντός του επιπέδου της τροχιάς του γύρω από τον πυρήνα, η καθαρή κατάσταση αλλαγής δύναμης ή ενέργειας θα ήταν μηδέν. Αυτό κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα φαινόμενα διάσπασης Zeeman μπορούσαν να υπολογιστούν με βάση την τροχιά ή τη γωνιακή ορμή ενός ηλεκτρονίου, σε σχέση με οποιοδήποτε εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο.
Οι αρχικές παρατηρήσεις πρότειναν ότι το κανονικό φαινόμενο Zeeman που παρατηρήθηκε με το υδρογόνο, όπου συνέβη μια διάσπαση σε τρεις φασματικές γραμμές, θα ήταν σύνηθες. Στην πραγματικότητα, όμως, αυτό αποδείχθηκε εξαίρεση στον κανόνα. Αυτό οφείλεται στο ότι η διάσπαση των τριών φασματικών γραμμών βασίζεται στη γωνιακή ορμή ή την τροχιά ενός ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα, ωστόσο μια κατάσταση σπιν ηλεκτρονίων έχει διπλάσια μαγνητική ροπή από τη γωνιακή ορμή. Η κατάσταση σπιν θεωρείται ως ένας μεγαλύτερος παράγοντας, επομένως, κατά την παραγωγή του φαινομένου Zeeman, και οι καταστάσεις σπιν, ή περιστροφές ηλεκτρονίων, πρέπει θεωρητικά να προβλεφθούν χρησιμοποιώντας κβαντική ηλεκτροδυναμική.