ЗЕЕМАН, ПИТЕР

ЗЕЕМАН, ПИТЕР (Zeeman, Pieter) (1865–1943) (Нидерланды). Нобелевская премия по физике, 1902 (совместно с Х.Лоренцом).

Родился 25 мая 1865 в деревушке Зоннемайре, в семье лютеранского священника Катаринуса Форандинуса Зеемана и его супруги Вильгельмины. Получив начальное образование в Зоннемайре, он посещал среднюю школу в Зирикзее – городке, расположенном в пяти милях, а затем в течение двух лет изучал латынь и греческий в Делфте, чтобы соответствовать требованиям, необходимым для поступления в университет. Проявлял способности к наукам: опубликовал отчет о северных сияниях, которые были обычным явлением в Зоннемайре. Х.Камерлинг-Оннес, с которым встретился в Делфте, отметил его понимание трактата по теории тепла, написанного шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом.

В 1885 поступил в Лейденский университет, где учился под руководством Камерлинг-Оннеса и физика-теоретика Хендрика Лоренца. Пять лет спустя стал ассистентом Лоренца. Его экспериментальное мастерство, проявленное при исследовании эффекта Керра во время работы над докторской диссертацией, принесло ему в 1892 золотую медаль Нидерландского гаарлемского научного общества году и докторскую степень в следующем году.

Проведя семестр в Институте Кольрауша в Страсбурге (Франция), Зееман в 1894 вернулся в Лейденский университет приват-доцентом (внештатным лектором). Затем в 1897 перешел лектором по физике в Амстердамский университет.

В 1900 Зееман стал профессором Амстердамского университета. Здесь он посвятил большую часть своей дальнейшей научной деятельности совершенствованию спектральных исследований.

В то время были известны два магнитооптических явления. Одно было обнаружено шотландским физиком Джоном Керром (John Kerr, 1824–1907) в 1875. Эффект Керра связан с влиянием магнитного поля на поляризованный свет. Керр обнаружил, что отражение плоско поляризованного света от полюса магнита поворачивает плоскость поляризации. Второе явление было открыто английским физиком и химиком Майклом Фарадеем, установившим в 1845, что плоскость поляризации поворачивается, когда свет проходит через некоторые тела, помещенные в сильное магнитное поле.

В 1860-х англичанин Джеймс Кларк Максвелл была создал электромагнитную теорию. Он теоретически показал, что свет является электромагнитным полем и определил скорость света. Теория Максвелла была подтверждена экспериментально немецким физиком Генрихом Герцем, который получил электромагнитные волны с помощью электрического контура и показал, что они обладают предсказанными характеристиками, например скоростью, совпадающей со скоростью света.

Согласно электронной теории Лоренца спектральные линии излучения (обусловленного движением заряженных частиц, электронов) должны уширяться и расщепляться под действием электрических и магнитных полей

В конце 1880 – начале 1890-х Зееман экспериментально исследовал взаимодействие света с магнитным полем. Он поместил источник излучения, пламя натрия, между полюсами сильного электромагнита. Если свет пропустить сквозь узкую щель и наблюдать его с помощью спектроскопа, то частоты разделяются, что проявляется в серии цветных линий, называемых спектром. Спектр натрия содержит две яркие желто-оранжевые линии, на которых и сосредоточил свое внимание Зееман.

Зееман надеялся, что магнит изменит колебания заряженных частиц в пламени натрия и изменение частоты проявится в расширении спектральных линий. Первые попытки Зеемана были неудачными. Однако он сумел обнаружить предсказанную поляризацию: при сгорании другого металла, кадмия, ему удалось расщепить линии спектра на отдельные компоненты.

Зееман знал, что в 1862 еще Фарадей экспериментировал с натрием и потерпел неудачу. Он вернулся к этому эксперименту, используя оборудование с большей разрешающей способностью и в августе 1896 наблюдал ожидаемое расширение в спектральных линиях натрия. Эксперимент был труден, так как в нем использовался прибор – зеркально-вогнутая дифракционная решетка, созданная в 1882 американским физиком Дж.X.Роулендом (Henry Rowland, 1848–1901). Этот прибор был крайне чувствителен к вибрациям, вызванным любым движением в лаборатории или на близлежащих улицах, поэтому Зееман часто работал в Гронингенском университет, где можно было измерять более точно.

Измерения 3еемана показали, что колеблющиеся частицы не могут быть столь же тяжелыми, как атом, как полагал английский физик Джозеф Лармор (Joseph Larmour). Расщепление линий позволило оценить отношение электрического заряда к массе колеблющейся частицы, которое оказалось очень большим, а также установить, что заряд частицы отрицателен. Эти результаты не только согласовывались с описанием электрона, данным Лоренцем, но позволяли также предположить, что электрон Лоренца – это тот же электрон который открыл Дж.Дж.Томсон, исследуя электрические разряды в газовых вакуумных трубках (1897). «То, что колеблется в источнике света, – сделал вывод 3ееман, – идентично тому, что движется в катодных лучах». Название «катодные лучи» было дано частицам, движущимся от катода к аноду в разрядной трубке. Разница состояла в том, что электроны Лоренца были каким-то образом в атоме связаны, тогда как электроны Томсона представляли собой свободно движущиеся в вакуумной трубке частицы.

Утверждение Зеемана внесло фундаментальный вклад в понимание строения материи. Магнитное расщепление спектральных линий, известное как эффект Зеемана, – это важный инструмент исследования природы атома, он полезен и при определении магнитных полей звезд. Открытие того, что спектральные линии могут расщепляться на гораздо большее число компонент, нежели триплеты, как представлял себе Лоренц, вскрыло слабость существовавшей в то время теории, но также и дало важный толчок построению квантовой теории, особенно в связи с энергетическими состояниями атома.

Хотя эффект Зеемана не удалось полностью истолковать до появления в 20 в. квантовой теории, предложенное Лоренцом объяснение на основе колебаний электронов позволило понять простейшие особенности этого эффекта. В конце 19 в. многие физики считали (как выяснилось впоследствии, правильно), что спектры должны стать ключом к разгадке строения атома. Поэтому применение Лоренцом теории электронов для объяснения спектрального явления можно считать существенным шагом на пути к выяснению строения вещества.

В 1902 Нобелевская премия по физике была присуждена Зееману и Х.Лоренцу «в знак признания выдающегося вклада, который они внесли своими исследованиями влияния магнетизма на излучение». При презентации лауреатов Хьялмар Тсель, член Шведской королевской академии наук, заявил, что эффект Зеемана «представляет собой одно из наиболее важных экспериментальных достижений за последние десятилетия». Он добавил, что «последствия открытия Зеемана обещают существенно повысить наши знания о строении спектров и о молекулярном строении материи».

В 1908 Зееман стал директором Физического института при Амстердамском университете. Когда в 1923 университет создал новую Физическую лабораторию (позднее названную лабораторией Зеемана), Зееман стал ее директором. Его дальнейшая работа включала крайне трудные и точные измерения скорости света в движущихся прозрачных средах, таких, как стекло и кварц (другие ученые делали подобные измерения в движущейся воде). Он обнаружил, что изменения зависят не только от скорости и показателя преломления движущейся среды, но и от частоты света. Его результаты согласовались с тогда еще новой теорией относительности, предложенной А.Эйнштейном. Зееман разработал также методику комбинированных магнитно-электрических отклонений электрически заряженных атомов для разделения в соответствии с их массами, и открыл несколько новых изотопов.

Зееман получил много научных наград и ученых степеней, включая почетные докторские степени Оксфорда, Гёттингена, Страсбурга, Глазго, Брюсселя и Парижа. Награжден медалью Румфорда (Лондонское королевское общество), премией Уайлда (Французская академия наук), премией Баумгартнера (Австрийская академии наук) и медалью Генри Дрейпера (Национальная академия наук США).

Обладавший чувством собственного достоинства и вместе с тем мягкий человек с приятным манерами, он пользовался любовью и уважением своих коллег. Знание языков помогало ему завязывать дружеские отношения со многими физиками.

Вышел в отставку и покинул Амстердамский университет в 1935.

Умер 9 октября 1943 в Амстердаме.

Работы: Influence of magnetism on the nature of the light emitted by a substance, Phylosophical Magazine and Journal of Science, 1897, V. 43; Происхождение цветов спектра, Одесса (1910).

Кирилл Зеленин