150 let od narození objevitele Zeemanova efektu

Poslední čtvrtina devatenáctého století byla ve fyzice převážně obdobím odhalování základních vědeckých poznatků. Současně začínalo vědecké bádání kvalitativně nového druhu. Bylo k dispozici velké množství nových experimentálních objevů týkajících se elektromagnetických jevů spojených s pohybem elektricky nabitých částic a těles. Experimentálnímu studiu vlivu magnetického pole na různé druhy záření věnoval téměř celou svoji vědeckou dráhu i holandský fyzik Pieter Zeeman. Účinky magnetizmu na zdroje elektromagnetického záření začal studovat již jako rozšíření své disertační práce. Letos by oslavil výročí 150 let od svého narození.

Mezi nejvýznamnější výsledky vědecké práce patří v období konce 19. století objev a důkaz existence subatomární částice se záporným elektrickým nábojem, která tvoří obal atomu kolem atomového jádra – elektronu. Zasloužil se o to ve své době nejuznávanější a nejoblíbenější britský fyzik Joseph John Thomson (1856-1940), profesor experimentální fyziky na Trinity College a ředitel Cavendishovy laboratoře. Právě zde spolu se svými spolupracovníky intenzivně zkoumal výboje v plynech, zejména katodové paprsky, s cílem určit poměr náboje k hmotnosti. Tento výzkum jej nakonec v roce 1897 přivedl ke stanovení základních parametrů nosiče elementárního náboje – elektronu. Thomson za tento objev získal v roce 1906 Nobelovu cenu za fyziku.

Objev elektronu je spojen s řadou dalšch osobností, slavných i dnes již napomenutých fyziků žijících v průběhu celého 19. století. Patří k nim J. J. Berselius, M. Faraday, J. W. Geissler, J. Plucker (objevitel katodových paprsků), J. W. Hittorf, E. Goldstein, G. H. Wiedemann, C. F. Varley, P. Lenard, W. C. Röntgen, J. Stark, H. Helmholtz, G. J. Stoney (ve svém pojednání použil v roce 1891 poprvé název „elektron“), H. A. Lorentz (mj. tvůrce elektronové teorie látek), A. Schuster, G. F. Fitzgerald, E. Wiechert, W. Kaufmann, W. Wien... Patří mezi ně i k holandský experimentální fyzik, profesor Pieter Zeeman.

Jako student popsal polární záři

Pieter Zeeman se narodil 25. května 1865 v malém holandském městě Zonnemaire na ostrově Schouwen-Duiveland v rodině místního luteránského kněze. Od raného věku se zajímal o fyziku a další přírodní vědy, ale snadno se také učil cizím jazykům. Ačkoliv vyrůstal v protestanském prostředí, byl později v dospělosti ve věcech náboženství svobodomyslný a tolerantní. V roce 1883 jako osmnáctiletý student střední školy v Zierikzee nakreslil a popsal polární záři, která byla mimořádně viditelná i nad Nizozemím. Tuto svou první odbornou práci poslal do redakce prestižního britského vědeckého týdeníku Nature, který ji – k překvapení všech včetně jejího autora – bez obvyklých průtahů otisknul. Po dokončení střední školy odešel v roce 1883 do starobylého města Delftu, aby zde na Polytechnice získal hlubší vzdělání v klasických jazycích. Zde se také poprvé setkal s fyzikem Heike Kamerlingh Onnesem (1853-1926), který se později stal vedoucím jeho disertační práce.

Disertační práci věnoval polarizaci světla na zmagnetovaném povrchu

V roce 1885 začal studovat na nejstarší vysoké škole v Nizozemsku (1575), prestižní univerzitě v Leidenu (Universiteit Leiden), kde mezi jeho učiteli byli také profesoři a pozdější nositelé Nobelovy ceny H. Kamerlingh Onnes (objevitel supravodivosti čistých kovů) a Hendrik Antoon Lorentz (1853-1926), s nímž zůstalo Zeemanovo jméno v historii fyziky navždy spojeno. Od roku 1890 působil jako Lorentzův asistent a v roce 1893 obhájil jako premiant disertační práci věnovanou polarizaci světla na zmagnetovaném povrchu. Po získání doktorátu filozofie krátce pracoval v Kohlrauschově institutu ve Strasbourgu. Po návratu do vlasti se v roce 1895 stal soukromým docentem matematiky a fyziky na své alma mater. Ve stejném roce se oženil s Johannou Elizabeth Lebrelovou, která jej pak o téměř dvacet let přežila; měli spolu syna a tři dcery. Když v roce 1896 objevil působení magnetického pole na záření, bylo mu díky tomuto objevu nabídnuto v roce 1897 místo docenta na univerzitě v Amsterodamu a o tři roky později byl jmenován profesorem.

V roce 1908 získal po Van der Waalsovi, který zde působil nepřetržitě od roku 1876, místo řádného profesora fyziky a ředitele fyzikálního institutu v Amsterodamu. V roce 1923 byla zřízena nová laboratoř, kde se mohl zabývat čistě jen výzkumem „svého“ Zeemanova jevu. V roce 1935 se stal emeritním profesorem. Zemřel po krátké nemoci 9. října 1943 v Amsterodamu a byl pohřben v Haarlemu.

Vliv magnetického pole na záření

Téměř celou svou vědeckou dráhu věnoval experimentálnímu studiu vlivu magnetického pole na různé druhy záření. Navázal přitom na Faradayovy výzkumy vlivu magnetického pole na chování světla a na objev spektrálních čár alkalických kovů. Na Leidenské univerzitě měl ve své specializované laboratoři přístrojové vybavení, umožňující přesná měření: dokonalou spektrometrickou aparaturu. Místo obvyklého hranolu používal prvotřídní difrakční mřížku vytvořenou americkým optikem H. A. Rowlandem.

V roce 1896 Zeeman zjistil, že pokud je světelný zdroj umístěn v magnetickém poli, tak se ostré spektrální čáry polarizovaného světla štěpí na dvě nebo více komponent s málo odlišnými frekvencemi. Při nepřítomnosti vnějšího magnetického pole, ke štěpení emisních spektrálních čar nedochází. Poprvé tento jev – později pojmenovaný jeho jménem – pozoroval na žlutých D-čarách sodíku (tzv. „rozšíření natriových čar“), pokud byl plamen umístěn v silném magnetickém poli.

Později bylo odhaleno diskrétní štěpení spektrálních čar do více než patnácti komponent. Způsob rozštěpení čáry závisí na směru magnetického pole vůči pozorovateli a velikost rozštěpení ovlivňuje intenzita magnetického pole; ve slabém poli dojde pouze k rozšíření čar. Zeeman jev vysvětlil jako interakci mezi magnetickým polem a magnetickým dipólovým momentem.

Zeemanův jev a struktura atomu

Zeemanův objev teoreticky vysvětlil profesor Lorentz, který také zjistil stejný poměr náboje ku hmotnosti částic s částicí zodpovědnou za vyzařování spektrálních čar. Ten se shodoval s poměrem zjištěným J. J. Thomsonem u částic katodových paprsků. Zeemanův jev se tak stal významným zjištěním pro stanovení struktury atomu. Řadu desetiletí trvající snaha mnoha vědců byla posléze korunovaná definitivním důkazem existence první elementární částice. Cesta k němu nebyla ani rychlá, ani přímá. Na jejím konci však stálo oficiální posvěcení objevu elektronu Mezinárodním fyzikálním kongresem v Paříži roku 1900.

Mezi významné fyzikální konstanty a mezi tzv. atomové jednotky (nejsou součástí systému SI, nepovažují se za pravé jednotky, ale pouze za zvolené standardy, pomocí nichž se vyjadřují vypočítané veličiny) patří také atomová jednotka intenzity magnetického pole. Na Zeemanově efektu je rovněž založen sluneční magnetograf pro studium slunečního magnetického pole.

Další výzkumy v oblasti magnetooptických jevů

Kromě dalšího výzkumu magnetooptických jevů se Zeeman po zbytek svého vědeckého působení zabýval zkoumáním dvojlomu světla v elektrickém poli a šířením světla v pohybujících se prostředích (vodě), v krystalech a ve skle; to souviselo se speciální teorií relativity. V roce 1917 na torzním kyvadlu potvrdil zvláštní vlastnost gravitace, že odchylky dráhy dané setrvačností, které vyvolává, jsou u všech těles stejné, tedy ekvivalenci hmotnosti setrvačné s hmotností gravitační. Později se zajímal o hmotnostní spektrometrii, která se dnes běžně používá v analytických laboratořích k identifikaci neznámých látek, určování izotopického složení prvků v molekule a ke stanovení struktury sloučenin.

Ocenění a čestné tituly

Pieter Zeeman se v roce 1898 stal členem Royal Netherlands Academy of Arts and Scieces v Amsterodamu, a jako její tajemník zde působil v letech 1912 až 1920. Získal čestné doktoráty na univerzitách v Göttingenu, Oxfordu, Philadelphii, Strasburgu, Liege, Gwentu, Glasgowě, Bruselu a Paříži. Byl členem Královské společnosti v Londýně, Francouzské Akademie věd a čestným členem mnoha dalších akademií. Obdržel spolu se svým bývalým učitelem H. A. Lorentzem Nobelovu cenu za fyziku (1902); byla v pořadí udělování teprve druhá po prvním W. C. Röntgenovi. Dále získal medaile Matteucci Medal (1912), Henry Draper Medal (1921) a Rumford Medal (1922). Jeho četná vědecká a populárně naučná pojednání najdeme zejména ve zprávách Amsterodamské akademie, v „Astrophysical Journal“ (Chicago), v „Archives Néerlandaises“ (Harlem), v „Comptes Rendus“ (Paříž), ve „Philosoph. Magazine“, v „Nature“ (Londýn) i jinde.

Hesla „Zeeman Pieter“ a „Zeemanův effekt“ najdeme již v Ottově slovníku naučném, vydaném v roce 1908. Autor těchto hesel, profesor české techniky v Brně Vladimír Novák, zde mj. uvádí, že „úkaz záleží v rozdělení emissních čar spektrálných, jež nastane v silném poli magnetickém“ a je „novým a zajímavým potvrzením správnosti elektromagnetické theorie světla“. V našem odborném tisku se o Zeemanově jevu píše poprvé v roce 1898 v „Časopise pro pěstování mathematiky a fyziky“ (tedy necelé dva roky po jeho objevu), a poté znovu v odstavci „Zdroje světelné v magnetickém poli“ v „Přehledech pokroků fyziky“ ve „Věstníku“ České akademie (1901).

Zdroje

Bober, J.: Laureáti Nobelovy ceny. Bratislava 1971.

Feynman, R. P.: Neobyčejné teorie světla a látky. Praha 2001.

Heřman, J.: Od jantaru k tranzistoru. Praha 2006.

Houdek, F.: Moudrost vědy v citátech. Praha 2015.

Mayer, D.: Pohledydo minulosti elektrotechniky. České Budějovice 1999.

Ottův slovník naučný. XXVII. díl. Praha 1908.

Scientifica. Průvodce světem dnešní vědy. Praha 2010.

Sodomka, L. aj.: Kronika Nobelových cen. Praha 2004.

Štoll, I.: Dějiny fyziky. Praha 2009.

Štol, I.: Objevitelé přírodních zákonů. Praha 1997.

Weby

converter.cz/fyzici/zeeman.htm

cs.wikipedia.org./wiki/Pieter_Zeeman

http--www.leamed.cz-userfiles-pdf-prednasky-cleny..

leccos.com/index.php/clanky/zeeman-pieter