Pieter Zeeman – hollantilainen Nobel-palkittu fyysikko ja Zeeman-ilmiö

Pieter Zeeman — hollantilainen Nobel-palkittu fyysikko, Zeeman-ilmiön löytäjä. Lue hänen elämästään, löydöstä ja vaikutuksista moderniin fysiikkaan.

Pieter Zeeman (25. toukokuuta 1865 - 9. lokakuuta 1943) oli hollantilainen fyysikko. Hän sai vuonna 1902 fysiikan Nobel-palkinnon yhdessä Hendrik Lorentzin kanssa Zeeman-ilmiön löytämisestä ja teoreettisesta selityksestä.

Elämä ja ura

Pieter Zeeman syntyi 25. toukokuuta 1865 Zonnemairessa, Alankomaissa. Hän opiskeli fysiikkaa ja matematiikkaa ja teki varhaisen uransa tutkijana Leidenin yliopiston ympäristössä, missä hän tuli tekemisiin Hendrik Lorentzin teorioiden kanssa. Zeeman siirtyi myöhemmin yliopistollisiin tehtäviin ja vaikutti merkittävästi alansa tutkimukseen sekä opetukseen. Hän toimi pitkään professuurissa ja ohjasi laboratorioita, joissa tarkat optiset ja spektroskooppiset mittaukset olivat keskeisiä.

Zeeman-ilmiö ja sen löydös

Zeeman-ilmiöllä tarkoitetaan valoviivan hajoamista useiksi viivoiksi, kun valonlähde altistetaan ulkoiselle magneettikentälle. Zeeman havaitsi ilmiön kokeellisesti 1890-luvun lopulla mittaamalla säteilyn spektriä ja huomaamalla, että magneettikenttä aiheutti näkyvän spektriviivojen säännönmukaisen jakautumisen. Hän havaitsi myös, että ilmiö liittyi valon polarisaatioon: eri komponentit olivat polarisoituneita eri tavoin.

Zeemanin kokeet olivat tarkkoja ja vaativat huolellista optiikkaa ja spektroskopiaa. Löydös tarjosi suoran kokeellisen osoituksen siitä, että atomeissa tapahtuvat sähköisten varauksien (myöhemmin ymmärrettiin elektronien) liikkeet vaikuttivat säteilyn ominaisuuksiin, ja antoi siten tukea Lorentzin kehittämälle elektroniteorialle sähköisestä säteilystä.

Teoreettinen selitys ja merkitys

Hendrik Lorentz kehitti teoreettisen mallin, jolla Zeeman-ilmiö pystyttiin selittämään klassisen sähkömagneettisen teorian pohjalta: Lorentz kuvasi, miten varautuneet hiukkaset värähtelevät ja tuottavat sähkömagneettista säteilyä, ja miten ulkoinen magneettikenttä muuttaa näiden värähtelyjen ominaisuuksia. Myöhemmin kvanttimekaniikka ja elektronin spinin käsite tarkensivat ja täydensivät selitystä, erityisesti anomalisen Zeeman-ilmiön tapauksessa, jota ei voitu täysin selittää pelkällä klassisella mallilla.

Sovellukset ja perintö

• Spektroskopia: Zeeman-ilmiötä käytetään joidenkin atomien ja ionien energiatilojen tutkimiseen sekä tarkkojen spektroskooppisten mittausten kalibrointiin.
• Astronomia: Zeeman-ilmiötä hyödynnetään tähtitieteessä tähtien ja Auringon magnetismikenttien mittaamisessa, koska kentät aiheuttavat havaittavia muutoksia spektriviivoissa.
• Periaatteellinen vaikutus: Zeemanin kokeet olivat tärkeä lenkki kokeellisen fysiikan ja teorian välillä 1800–1900 -lukujen vaihteessa ja edesauttoivat elektronin roolin ymmärtämistä atomin sisällä.

Huomattavat tunnustukset

Zeeman sai yhdessä Lorentzin kanssa vuoden 1902 Nobel-palkinnon fysiikassa Zeeman-ilmiön löytämisestä ja sen teoreettisesta selityksestä. Ilmiö kantaa hänen nimeään (Zeeman-ilmiö, engl. Zeeman effect), ja se on edelleen keskeinen osa modernia spektroskopiaa ja magneettikenttien tutkimusta.

Myöhäisvuodet ja perintö

Zeeman jatkoi tutkimusta, opetusta ja laboratoriotyötä elämänsä aikana. Hänen työnsä vaikutti sekä kokeelliseen että teoreettiseen fysiikkaan ja auttoi luomaan perustaa monille myöhemmille kehityksille atomifysiikassa ja kvanttimekaniikassa. Pieter Zeeman kuoli 9. lokakuuta 1943; hänen työnsä ja nimensä säilyvät tärkeinä osina fysiikan historiaa.

Koulutus ja uran alkuvaiheet

Zeeman opiskeli fysiikkaa Leidenin yliopistossa Kamerlingh Onnesin ja Hendrik Lorentzin johdolla. Vuonna 1890, jo ennen väitöskirjansa valmistumista, hänestä tuli Lorentzin assistentti. Tämä mahdollisti hänen osallistumisensa Kerr-ilmiön tutkimukseen. Vuonna 1893 hän jätti väitöskirjansa Kerrin efektistä eli polarisoidun valon heijastumisesta magnetoidusta pinnasta. Sen jälkeen hän lähti kuudeksi kuukaudeksi Friedrich Kohlrauschin instituuttiin Strasbourgiin. Vuonna 1895 Zeeman palasi Strasbourgista opettamaan matematiikkaa ja fysiikkaa Leidenissä. Hän avioitui Johanna Elisabeth Lebretin (1873-1962) kanssa; heillä oli kolme tytärtä ja yksi poika.

Vuonna 1896, vähän ennen kuin hän muutti Leidenistä Amsterdamiin, hän mittasi spektriviivojen jakautumista voimakkaan magneettikentän vaikutuksesta. Tässä tutkimuksessa selvitettiin, millainen vaikutus magneettikentillä olisi valonlähteeseen. Hän havaitsi, että magneettikentän vaikutuksesta spektriviiva jakautuu useisiin osiin. Kamerlingh Onnes kertoi Lorentzille Zeemanin havainnoista lauantaina 31. lokakuuta 1896 Alankomaiden kuninkaallisen taide- ja tiedeakatemian kokouksessa Amsterdamissa. Seuraavana maanantaina Lorentz kutsui Zeemanin toimistoonsa ja esitti hänelle selityksen, joka perustui Lorentzin sähkömagneettisen säteilyn teoriaan. Zeemanin löytö tunnetaan nykyään nimellä Zeeman-ilmiö.

Löytö oli tärkeä. Se todisti Lorentzin teorian valon polarisaatiosta magneettikentän läsnä ollessa. Se osoitti, että värähtelevät hiukkaset, valon lähde, olivat negatiivisesti varautuneita ja tuhatkertaisesti kevyempiä kuin vetyatomi. Tämä tapahtui kauan ennen kuin Thomson löysi elektronin. Zeeman-ilmiöstä tuli tärkeä väline atomin rakenteen ymmärtämisessä.

 
Zeemanin ottama kuva Zeeman-ilmiöstä.  

Professori Amsterdamissa

Pian löytönsä jälkeen Zeemanille tarjottiin lehtorin paikkaa Amsterdamissa. Vuonna 1900 hänestä tuli Amsterdamin yliopiston fysiikan professori. Vuonna 1902 hän sai yhdessä Lorentzin kanssa fysiikan Nobel-palkinnon Zeemanin ilmiön löytämisestä. Viisi vuotta myöhemmin, vuonna 1908, hän seurasi Van der Waalsia varsinaisena professorina ja Amsterdamin fysiikan laitoksen johtajana.

Vuonna 1923 rakennettu uusi laboratorio antoi Zeemanille mahdollisuuden jatkaa Zeemanin ilmiön tutkimista. Laboratorio nimettiin uudelleen Zeemanin laboratorioksi vuonna 1940. Uransa loppupuolella Zeeman oli edelleen kiinnostunut magneettioptiikan tutkimuksesta. Hän tutki myös valon etenemistä liikkuvissa väliaineissa. Tästä tuli tärkeää erityistä suhteellisuusteoriaa koskevan tutkimuksen vuoksi, ja Lorentz ja Einstein kiinnostuivat siitä kovasti. Myöhemmin urallaan hän kiinnostui massaspektrometriasta.

Zeeman kuoli 9. lokakuuta 1943 Amsterdamissa, ja hänet haudattiin Haarlemiin.

Einstein vierailee Pieter Zeemanin luona Amsterdamissa ystävänsä Ehrenfestin kanssa (noin 1920).  

Hae kirjaimella