Pieter Zeeman — Nederlandse natuurkundige en ontdekker van het Zeeman-effect
Pieter Zeeman, Nederlandse natuurkundige en Nobelprijswinnaar (1902), ontdekte het Zeeman-effect — baanbrekend voor spectroscopie en begrip van magnetische effecten.
Pieter Zeeman (25 mei 1865 - 9 oktober 1943) was een Nederlands natuurkundige. In 1902 kreeg hij samen met Hendrik Lorentz de Nobelprijs voor natuurkunde voor de ontdekking en theoretische verklaring van het Zeeman-effect.
Leven en loopbaan
Pieter Zeeman werd geboren op 25 mei 1865 in Zonnemaire. Hij volgde een opleiding in de natuurwetenschappen en ontwikkelde zich tot een nauwkeurig experimenteel onderzoeker. Gedurende zijn loopbaan werkte hij aan fysische experimenten die wezen op fundamentele eigenschappen van licht en materie. Later bekleedde hij een leerstoel natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam, waar hij colleges gaf en verder onderzoek deed. Zeeman overleed op 9 oktober 1943 in Amsterdam.
Ontdekking van het Zeeman-effect
In 1896 ontdekte Zeeman dat sommige spectrale lijnen — lijnen in het lichtspectrum die horen bij specifieke atomaire overgangen — splitsten wanneer het licht werd uitgezonden in de aanwezigheid van een sterk magnetisch veld. Hij bestudeerde onder andere de lijnen van natrium en merkte op dat één spectrale lijn meerdere componenten kreeg en dat de polarisatie en positie van deze componenten afhing van de richting van het magnetische veld ten opzichte van de waarnemer.
De experimentele waarneming van Zeeman bood directe steun aan de toen gangbare theorieën over geladen deeltjes en elektromagnetisme. Hendrik Lorentz gaf een theoretische verklaring op basis van de beweging van elektronen in atomen en de elektrische en magnetische krachten erop. Deze combinatie van nauwkeurige metingen en theoretische uitleg leidde tot de gezamenlijke toekenning van de Nobelprijs in 1902.
Wat is het Zeeman-effect?
Het Zeeman-effect is het fenomeen waarbij een eerder enkele spectrale lijn splitst in meerdere lijnen onder invloed van een magnetisch veld. Globaal kun je twee vormen onderscheiden:
- Normaal Zeeman-effect: een eenvoudige drievoudige splitting die klassiek door Lorentz verklaard kon worden.
- Anomaal Zeeman-effect: complexere splittingen die pas volledig verklaard konden worden met invoering van kwantummechanische begrippen zoals elektronspin en kwantumgetallen.
In kwantummechanische termen zorgt het magnetische veld voor een differentiële energieverdeling van toestanden met verschillende magnetische kwantumgetallen, waardoor de overgangen andere frequenties (golflengten) krijgen en zichtbaar worden als gesplitste lijnen.
Belang en toepassingen
Het Zeeman-effect heeft grote betekenis gehad voor de ontwikkeling van moderne natuurkunde. Enkele belangrijke toepassingen en gevolgen zijn:
- Het effect gaf experimentele steun aan modellen van elektronen in atomen en droeg zo bij aan de opkomst van de kwantumtheorie.
- In de astrofysica wordt het effect gebruikt om magnetische velden op de Zon en in andere sterren te meten (spectropolarimetrie).
- Het speelt een rol in precisiespectroscopie en in toepassingen waarbij magnetische veldmetingen op kleine schaal nodig zijn.
Nalatenschap
Pieter Zeeman wordt herinnerd als een van de belangrijkste experimentele natuurkundigen van zijn tijd. Zijn ontdekkingen en de daaruit voortvloeiende inzichten hebben direct bijgedragen aan de moderne atoomfysica en spectroscopie. Het naar hem genoemde Zeeman-effect blijft een standaardbegrip in zowel onderwijs als onderzoek en is van blijvende waarde voor de bepaling van magnetische eigenschappen van materie en hemellichamen.
Kindertijd en jeugd
Pieter Zeeman werd geboren in Zonnemaire, een stadje op het eiland Schouwen-Duiveland, Nederland. Hij was de zoon van ds. Catharinus Forandinus Zeeman, een predikant van de Nederlandse Hervormde Kerk, en zijn vrouw, Willemina Worst.
Pieter was al vroeg geïnteresseerd in natuurkunde. In 1883 was het noorderlicht in Nederland te zien. Zeeman, nog een middelbare scholier, maakte een tekening en beschrijving van het noorderlicht. Hij stuurde het naar Nature, waar het werd gepubliceerd. De redacteur prees "de zorgvuldige waarnemingen van professor Zeeman vanuit zijn observatorium in Zonnemaire".
Na de middelbare school in 1883 ging Zeeman naar Delft. Hij studeerde klassieke talen, die hij nodig had voor toelating tot de universiteit. Hij logeerde bij dr. J. W. Lely, mededirecteur van het gymnasium. Lely was de broer van Cornelis Lely, die verantwoordelijk was voor het idee en de bouw van de Zuiderzeewerken. In Delft ontmoette hij Heike Kamerlingh Onnes, die zijn scriptieadviseur zou worden.
Onderwijs en vroege carrière
Zeeman studeerde natuurkunde aan de universiteit van Leiden bij Kamerlingh Onnes en Hendrik Lorentz. In 1890, nog voordat hij zijn proefschrift had afgerond, werd hij assistent van Lorentz. Hierdoor kon hij deelnemen aan het onderzoek naar het Kerr-effect. In 1893 diende hij zijn proefschrift in over het Kerr-effect, de weerkaatsing van gepolariseerd licht op een gemagnetiseerd oppervlak. Vervolgens ging hij voor zes maanden naar het instituut van Friedrich Kohlrausch in Straatsburg. In 1895 kwam Zeeman terug uit Straatsburg om in Leiden wis- en natuurkunde te doceren. Hij trouwde met Johanna Elisabeth Lebret (1873-1962); zij kregen drie dochters en een zoon.
In 1896, kort voordat hij van Leiden naar Amsterdam verhuisde, mat hij de splitsing van spectraallijnen door een sterk magnetisch veld. Bij dit onderzoek ging hij na welk effect magnetische velden zouden hebben op een lichtbron. Hij ontdekte dat de spectraallijn door het magneetveld in verschillende delen wordt gesplitst. Kamerlingh Onnes vertelde Lorentz op zaterdag 31 oktober 1896 op de vergadering van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen in Amsterdam over Zeemans waarnemingen. De volgende maandag riep Lorentz Zeeman in zijn kantoor en presenteerde hem een verklaring, gebaseerd op Lorentz' theorie van elektromagnetische straling. Zeeman's ontdekking staat nu bekend als het Zeeman-effect.
De ontdekking was belangrijk. Het bewees Lorentz' theorie over de polarisatie van licht dat wordt uitgezonden in aanwezigheid van een magnetisch veld. Het toonde aan dat de oscillerende deeltjes, de bron van het licht, negatief geladen waren en duizendmaal lichter dan het waterstofatoom. Dit was ruim voor Thomsons ontdekking van het elektron. Het Zeeman-effect werd een belangrijk hulpmiddel om de structuur van het atoom te begrijpen.
Een foto die Zeeman nam van het Zeeman effect.
Professor in Amsterdam
Kort na zijn ontdekking kreeg Zeeman een baan aangeboden als docent in Amsterdam. In 1900 werd hij hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam. In 1902 ontving hij samen met Lorentz de Nobelprijs voor natuurkunde voor de ontdekking van het Zeeman-effect. Vijf jaar later, in 1908, volgde hij Van der Waals op als gewoon hoogleraar en directeur van het Natuurkundig Instituut in Amsterdam.
In 1923 werd een nieuw laboratorium gebouwd, zodat Zeeman het Zeeman-effect kon blijven bestuderen. Het laboratorium werd in 1940 omgedoopt tot het Zeeman Laboratorium. De rest van zijn carrière bleef hij geïnteresseerd in onderzoek naar magneto-optica. Hij bestudeerde ook de voortplanting van licht in bewegende media. Dit werd belangrijk vanwege het onderzoek naar de speciale relativiteit, en genoot grote belangstelling van Lorentz en Einstein. Later in zijn carrière raakte hij geïnteresseerd in massaspectrometrie.
Zeeman overleed op 9 oktober 1943 in Amsterdam, en werd begraven in Haarlem.
Einstein op bezoek bij Pieter Zeeman in Amsterdam, met zijn vriend Ehrenfest (circa 1920).
Zoek in de encyclopedie