Биография

Нидерландский физик Питер Зееман родился в деревушке Зоннемайре, в семье лютеранского священника Катаринуса Форандинуса Зеемана и его супруги Вильгельмины (в девичестве Ворст) Зееман. 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 г. Делфте, чтобы соответствовать требованиям, необходимым для поступления в университет.

Сайт: Электронная библиотека НиТ

Он с молодых лет проявлял способности к наукам: опубликовал отчет о северных сияниях, которые были обычным явлением в Зоннемайре, а также произвел впечатление на нидерландского физика Хейке Камерлинг-Оннеса, с которым встретился в Делфте, своим пониманием трактата по теории тепла, написанного шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом.

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

Эффект, открытый шотландским физиком Джоном Керром в 1875 г., был связан с влиянием магнетизма на поляризованный свет. Обычный свет состоит из электрического и магнитного полей, осциллирующих в направлениях, перпендикулярных линии распространения (оба поля взаимозависимы и перпендикулярны друг другу). Частота колебаний соответствует воспринимаемому глазом цвету. Если одно из полей осциллирует преимущественно в одном из многих возможных направлений, то говорят, что свет поляризован в плоскости, определяемой этим предпочтительным направлением и направлением луча света. Керр обнаружил, что отражение плоско поляризованного света от полированного полюса магнита поворачивает плоскость поляризации. (Еще один эффект Керра, также открытый в 1875 г., состоял в двойном лучепреломлении, возникающем в прозрачной среде под воздействием электрического поля. При двойном лучепреломлении скорость света различна по различным направлениям в веществе, так что падающий луч расщепляется на два различных расходящихся луча.)

Проведя семестр в Институте Кольрауша в Страсбурге (Франция), З. вернулся в Лейденский университет в 1894 г. приват-доцентом (внештатным лектором). Он вновь занялся исследованием взаимодействия между магнетизмом и светом. До сего времени были известны только два магнитооптических явления: одно, обнаруженное Керром, и второе, которое было открыто английским физиком и химиком Майклом Фарадеем, установившим в 1845 г., что плоскость поляризации поворачивается, когда свет проходит через некоторые тела, помещенные в сильное магнитное поле. Теперь З. сосредоточился не на самом свете, а на его источнике, начав с пламени натрия, помещенного между полюсными наконечниками сильного электромагнита. Свет от такого источника не состоял из всех цветов радуги (частот), подобно свету Солнца, но был составлен из дискретных частот, характерных для материала, из которого изготовлен источник. Если свет пропустить сквозь узкую щель и наблюдать его (или сфотографировать) с помощью оптического спектроскопа, то частоты разделятся, что проявится в серии цветных линий, называемых спектром. Положение спектральных линий указывает на их частоты. Спектр натрия содержит две яркие желто-оранжевые линии, на которых и сосредоточил свое внимание З.

Цель, к которой стремился З., была связана с электромагнитной теорией, созданной Максвеллом в 1860-х гг. и развитой дальше Лоренцем. Максвелл первым теоретически показал, что свет составлен из электромагнитных полей. Более того, он показал, что его теория предсказывает скорость света, уже известную из многочисленных лабораторных измерений, и установил, что осциллирующие электрические токи должны испускать электромагнитное излучение. Его теория была подтверждена 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.

Лоренц обосновывал теорию, облекая ее в конкретные образы электрически заряженных частиц (позже известных как электроны) в атомах или молекулах, вибрирующих с частотой, которая соответствует цветам излучаемого света. Поскольку движущиеся заряженные частицы образуют электрический ток, на их движение должно оказывать влияние магнитное поле, подобно тому как в электромоторе ток, взаимодействуя с полюсами магнита, заставляет поворачиваться ротор. З. надеялся, что его магнит изменит вибрации гипотетических частиц в пламени натрия и что изменившаяся частота проявится зрительно в расширении спектральных линий. Хотя убедительная теория Максвелла побуждала и других физиков действовать в близких направлениях, никто не добился успеха. Первые попытки З. были также разочаровывающими.

Позже З. узнал, что Фарадей ставил аналогичный эксперимент в 1862 г. и потерпел неудачу. Испытывая огромное уважение к Фарадею, З. решил, что эксперимент стоит дальнейших усилий. Он вернулся к нему, используя оборудование, обладавшее большей разрешающей способностью, и в августе 1896 г. наблюдал ожидаемое расширение в спектральных линиях натрия. Поскольку эффект был незначителен, З. задавался вопросом: действительно ли «мы преуспели в изменении периода вибрации, т.е. в том, что Максвелл считал невозможным»? Даже Дж.У. Стретт (лорд Рэлей) не сумел это обнаружить, хотя он не подвергал сомнению достижение З. Чтобы устранить всякие сомнения, З. повторял эксперимент много раз как в Лейдене, так и в Амстердамском университете, куда он перешел в 1897 г. лектором по физике.

Эксперимент был особенно труден, так как в нем использовался прибор – зеркально-вогнутая дифракционная решетка, созданная в 1882 г. американским физиком Дж.X. Роулендом. Обладая 10-футовым плечом между зеркалом и фотографической пластиной, этот прибор был крайне чувствителен к вибрациям, вызванным любым движением в лаборатории или транспортом на близлежащих улицах. З. часто посещал более провинциальный Гронингенский университет, где условия позволяли проводить более точные измерения.

Лоренц предсказал, что магнитное поле заставит электрически заряженные частицы материи осциллировать по другому, с частотами, слегка отличающимися от соответствующих частот для частиц, не подвергшихся такому воздействию. Так, он ожидал, что спектральная линия не просто расширится, но расщепится на три различные линии. Он предсказал также, что излучаемый свет будет поляризован определенным образом в соответствии с изменившимся движением частиц. З. сумел обнаружить предсказанную поляризацию, и после кропотливых опытов с пламенем при сгорании других веществ, таких, как кадмий, ему удалось расщепить расширившиеся линии спектра на отдельные компоненты.

Точные измерения З. показали, что вибрирующие частицы не могут быть столь же тяжелыми, как атом, как считал английский физик Джозеф Лармор. Расщепление линий позволило выполнить оценку отношения электрического заряда к массе вибрирующей частицы, которое оказалось удивительно большим, а также установить, что заряд отрицателен. Эти результаты не только согласовывались с описанием, которое Лоренц дал своему электрону, но позволяли также предположить, что электрон Лоренца идентичен электрону, открытому в 1897 г. Дж.Дж. Томсоном при исследовании электрических разрядов в газовых вакуумных трубках. «То, что вибрирует в источнике света, – сделал вывод З., – идентично тому, что движется в катодных лучах». Название катодные лучи было дано частицам, движущимся от отрицательного электрода (катода) к положительному электроду (аноду) в разрядной трубке. Разница состояла в том, что электроны Лоренца каким-то образом входили в атом, были с ним связаны, тогда как электроны Томсона представляли собой свободно движущиеся частицы в вакууме газообразной трубки.

Утверждение З. было блестящим следствием интуиции, оно 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 факта, 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.

В 1900 г. З. занял пост профессора Амстердамского университета. Здесь он посвятил большую часть своей дальнейшей научной деятельности совершенствованию своих спектральных исследований.

В 1902 г. Нобелевская премия по физике была присуждена З. и Хендрику Лоренцу «в знак признания выдающегося вклада, который они внесли своими исследованиями влияния магнетизма на излучение». При презентации лауреатов Хьялмар Теель, 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 З. обещают существенно повысить наши знания о строении спектров и о молекулярном строении материи».

В 1908 г. З. был назначен директором Физического института при Амстердамском университете. Когда в 1923 г. университет создал свою новую Физическую лабораторию (позднее названную лабораторией Зеемана), З. был назначен ее директором. Его дальнейшая работа включала крайне трудные и точные измерения скорости света в движущихся материальных 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 Альбертом Эйнштейном. З. разработал также методику комбинированных магнитно-электрических отклонений электрически заряженных атомов, чтобы разделять их в соответствии с их массами, и открыл несколько новых изотопов (химических элементов, атомы которых обладают разными массами, но одинаковым зарядом ядра).

З. женился на Иоханне Элизабет Лебре в 1895 г. У них было три дочери и сын. Обладавший чувством собственного достоинства и вместе с тем мягкий человек с приятным манерами, он пользовался любовью и уважением своих коллег и всего персонала. Совместное обсуждение задач со студентами ободряло их в лабораторных исследованиях. Знание языков помогало ему завязывать дружеские отношения со многими другими европейскими физиками. Подчиняясь установившемуся обычаю, он вышел в отставку и покинул Амстердамский университет в 1935 г., в возрасте семидесяти лет; восемь лет спустя он умер.

Кроме Нобелевской премии, З. получил много других наград и почетных ученых степеней, включая почетные докторские степени Оксфорда, Геттингена, Страсбурга, Глазго, Брюсселя и Парижа. Он был награжден медалью Румфорда Лондонского королевского общества, премией Уайлда Французской академии наук, премией Баумгартнера Австрийской академии наук и медалью Генри Дрейпера американской Национальной академии наук.