Pieter Zeeman

25. 5. 1865–9. 10. 1943

Holandský fyzik, objevitel Zeemanova jevu – štěpení spektrálních čar atomů v magnetickém poli. Za tento objev a jeho teoretický výklad obdržel v roce 1902 spolu se svým bývalým učitelem H. A. Lorentzem Nobelovu cenu za fyziku.

Mládí a studia

Pieter Zeeman se narodil 25. května 1865 v Zonnemaire, malé vesnici na ostrově Schouwen v jihozápadním Nizozemsku, jako syn místního pastora Holandské reformované církve Catharina Forandina Zeemana a Wilhelminy Worstové. Po základní škole ve vesnici navštěvoval reálku (HBS) v blízkém Zierikzee. Už během studií upoutal pozornost svým popisem polární záře, kterou v listopadu 1882 pozoroval v Nizozemsku; jeho pozorování a kresbu publikoval roku 1883 časopis Nature.

Pro splnění tehdejších univerzitních požadavků na znalost klasických jazyků pokračoval dva roky studiem latiny a řečtiny v Delftu, kde poprvé poznal Heika Kamerlingha Onnese (o dvanáct let staršího budoucího nositele Nobelovy ceny za fyziku 1913). Od roku 1885 studoval na Univerzitě v Leidenu, kde se jeho učiteli stali Kamerlingh Onnes (mechanika) a Hendrik Antoon Lorentz (experimentální fyzika). Již v roce 1890, ještě před dokončením doktorátu, se Zeeman stal Lorentzovým asistentem a zapojil se do výzkumu Kerrova jevu (vliv magnetizace na odraz polarizovaného světla). Doktorát obhájil v roce 1893 prací o Kerrově jevu na železe, kobaltu a niklu; následně strávil semestr ve Štrasburku v institutu F. Kohlrausche u E. Cohna.

V roce 1895 se Zeeman oženil s Johannou Elisabeth Lebretovou (1873–1962), s níž měl syna a tři dcery. Téhož roku se vrátil do Leidenu jako soukromý docent (privaat-docent) matematiky a fyziky.

Zeemanův jev

V roce 1896 Zeeman při studiu vlivu magnetického pole na světlo sodíkového plamene zjistil, že ostré spektrální čáry se v silném magnetickém poli rozšiřují, přesněji řečeno štěpí na několik blízkých složek. Při použití kadmiové výbojky pak rozdělení čar pozoroval mnohem zřetelněji. Své výsledky oznámil 31. října 1896 Královské nizozemské akademii věd; informaci přednesl Kamerlingh Onnes.

Teoretický výklad jevu podal záhy H. A. Lorentz v rámci své klasické elektronové teorie: nabitá částice (elektron) kmitající v atomu se vlivem magnetického pole rozpadá do tří kruhových složek pohybu s mírně posunutými frekvencemi, takže původní čára se rozdělí do tří – tzv. Lorentzův triplet. Lorentz navíc předpověděl polarizaci jednotlivých složek, kterou Zeeman experimentálně potvrdil. Z naměřených posunů bylo možné určit poměr náboje k hmotnosti (e/m) zářícího nositele – výsledek odpovídal dnešnímu elektronu a předběhl Thomsonův formální objev elektronu v katodových paprscích (1897) o několik měsíců.

Štěpení do třech čar je dnes nazýváno normální Zeemanův jev a týká se přechodů mezi singletovými stavy. Brzy se ovšem ukázalo, že u mnoha čar dochází ke štěpení do více než tří komponent – tento anomální Zeemanův jev objevil v roce 1898 v Dublinu Thomas Preston. Klasická teorie ho vysvětlit nedokázala; pochopen byl až po objevu spinu elektronu a rozvoji kvantové mechaniky v 20. letech 20. století.

V roce 1902 obdrželi Zeeman a Lorentz společně Nobelovu cenu za fyziku „za vyšetřování vlivu magnetizmu na jevy záření".

Profesor v Amsterdamu

Bezprostředně po objevu Zeemanova jevu nastoupil Zeeman v roce 1897 jako lektor na Amsterdamskou univerzitu, v roce 1900 byl jmenován mimořádným profesorem a roku 1908 se stal řádným profesorem a ředitelem fyzikálního institutu jako nástupce J. D. van der Waalse. V roce 1898 byl zvolen členem Královské nizozemské akademie věd (KNAW), kde v letech 1912–1920 zastával funkci tajemníka matematicko-fyzikální sekce. Působil rovněž v Mezinárodním výboru pro míry a váhy (CIPM) v Paříži. V Amsterdamu zůstal až do svého penzionování v roce 1935.

Pozdější Zeemanovy práce se soustředily na přesná měření v magnetooptice, ověření Fresnelova koeficientu unášení světla pohybujícím se prostředím (Fizeauův pokus) a na hmotnostní spektroskopii izotopů.

Zeemanův jev v praxi

Zeemanův jev přerostl rámec laboratorní kuriozity a dnes je nepostradatelný v celé řadě oborů:

• Astrofyzika – G. E. Hale v roce 1908 použil Zeemanův jev k prvnímu měření magnetického pole ve slunečních skvrnách; dnes jde o standardní metodu mapování magnetických polí hvězd a mezihvězdné hmoty.
• EPR / ESR spektroskopie (elektronová paramagnetická / spinová rezonance) – využívá štěpení energetických hladin nepárových elektronů v magnetickém poli a je zavedeným nástrojem v chemii, biochemii a materiálovém výzkumu.
• NMR a MRI – nukleární Zeemanův jev (štěpení energetických hladin jader s nenulovým spinem) je fyzikálním základem nukleární magnetické rezonance i klinického zobrazování magnetickou rezonancí.
• Atomové hodiny a laserové chlazení – štěpení hyperjemných hladin cesia v magnetickém poli souvisí s referenčním frekvenčním přechodem definujícím sekundu v SI; tzv. Zeemanův zpomalovač je standardní součást experimentů s laserovým chlazením atomů.
• Atomová jednotka magnetické indukce – v Hartreeově soustavě atomových jednotek je jednotkou magnetické indukce hodnota přibližně 2,350 54·10⁵ T, daná vztahem B_au = ℏ / (e·a₀²). V některých českých tabulkových přehledech bývá označována zkratkou „zeeman".

Ocenění a uznání

Vedle Nobelovy ceny získal Zeeman řadu dalších poct: zlatou medaili Nizozemské vědecké společnosti v Haarlemu (1892, za práci o Kerrově jevu), Matteucciho medaili Italské vědecké společnosti (1912), medaili Henryho Drapera Národní akademie věd USA (1921), Rumfordovu medaili Královské společnosti v Londýně (1922) a Franklinovu medaili Franklinova institutu ve Filadelfii (1925). V roce 1921 byl zvolen zahraničním členem britské Royal Society.

Získal čestné doktoráty na univerzitách v Göttingenu, Oxfordu, Filadelfii, Štrasburku, Lutychu, Gentu, Glasgowě, Bruselu a Paříži a byl členem či čestným členem řady akademií.

Pieter Zeeman zemřel po krátké nemoci 9. října 1943 v Amsterodamu ve věku 78 let; pohřben byl na všeobecném hřbitově v Haarlemu nedaleko hrobu svého učitele Lorentze. K jeho 75. narozeninám v roce 1940 byla po něm pojmenována amsterdamská fyzikální laboratoř (Zeeman Laboratorium); jeho jméno nese také kráter na Měsíci.

Časté otázky

Co je Zeemanův jev?

Štěpení ostrých spektrálních čar atomů na několik blízkých složek, k němuž dochází, je-li zářící zdroj umístěn v silném magnetickém poli. Velikost rozštěpení je úměrná magnetické indukci.

Kdo Zeemanův jev objevil a kdo jej vysvětlil?

Pieter Zeeman jej experimentálně objevil v roce 1896; teoreticky jej vyložil H. A. Lorentz v rámci své klasické elektronové teorie ještě téhož roku. Oba za to v roce 1902 sdíleli Nobelovu cenu za fyziku.

Jaký je rozdíl mezi normálním a anomálním Zeemanovým jevem?

Při normálním Zeemanově jevu se čára štěpí na tři složky a dá se vysvětlit klasicky (Lorentz). Anomální jev (Preston 1898) znamená štěpení na více než tři čáry a byl vysvětlen až po objevu spinu elektronu pomocí kvantové mechaniky ve 20. letech 20. století.

Existuje jednotka pojmenovaná po Zeemanovi?

V mezinárodní soustavě SI ani v CGS soustavě pojmenovaná jednotka „zeeman" neexistuje. V některých českých fyzikálních tabulkách se však tímto názvem označuje atomová jednotka magnetické indukce (~2,35·10⁵ T) v Hartreeově soustavě atomových jednotek.

Kde se Zeemanův jev využívá dnes?

V astrofyzice (měření magnetických polí na Slunci a hvězdách), v EPR a NMR spektroskopii, v medicínském MRI zobrazování, v atomových hodinách a v experimentech s laserovým chlazením atomů.

Související

• Hendrik Antoon Lorentz – Zeemanův učitel a spolulaureát Nobelovy ceny 1902; teoretický výklad Zeemanova jevu.
• Heike Kamerlingh-Onnes – Zeemanův učitel mechaniky, nositel Nobelovy ceny za fyziku 1913 za zkapalnění hélia a objev supravodivosti.
• Johannes Stark – objev analogického Starkova jevu (štěpení spektrálních čar v elektrickém poli, 1913), Nobelova cena za fyziku 1919.
• Nobelova cena za fyziku – přehled laureátů.

Použity materiály publikované na serveru NobelPrize.org.

Zdroje a další informace

• Pieter Zeeman – Wikipedia
• Pieter Zeeman – Biographical – NobelPrize.org
• Pieter Zeeman – Encyclopædia Britannica
• Zeeman effect – Wikipedia

Pojmenováno po něm

• Zeemanův jev – štěpení spektrálních čar v magnetickém poli
• Lorentzův triplet (normální Zeemanův jev) – tři spektrální čáry vznikající rozštěpením v klasickém případě
• Zeemanův zpomalovač – zařízení pro laserové chlazení atomů
• Atomová jednotka magnetické indukce (~2,35·10⁵ T) – v některých českých tabulkách značená „zeeman"
• Kráter Zeeman na odvrácené straně Měsíce; Zeeman Laboratorium fyzikálního institutu Amsterdamské univerzity