Fizikai Szemle honlap

Fizikai Szemle 1965/6. 161.o.

Pieter Zeeman (1865-1943)

Pieter ZeemanSzáz évvel ezelőtt, 1865. május 25-én született Pieter Zeeman, Zonnemaireben, Hollandiában. Középiskolai tanulmányai befejezése után 1885-­ben a leideni egyetemre került. Itt hallgatott kísér­leti fizikát Kamerlingh Onnestől és elméleti fizikát H. A. Lorentztől. 1890-ben tanár­segéd lett a fizikai intézetben többek között azzal a feladattal, hogy a kísérleti fizika professzora által tartott előadásokhoz a kí­sérleteket készítse elő; Kamer­lingh Onnes azonban léén elfog­lalva az alacsony hőmérséklet­tel kapcsolatos kutatásaival ­egyéb munkáinak legnagyobb része az elméleti fizika professzorára maradt, ami azzal az eredménnyel járt, hogy Zeeman nemsokára Lorentz asszisztense lett és így érdeklődése Lorentzéhez hasonlóan a fény problémái felé fordult. Amikor 1893-ban el­nyerte a doktori fokozatot, a fénynek egy mágnes csiszolt pó­lusairól való visszaverődésével foglalkozott, amelyre vonatkozó tanulmányának rövidített vál­tozatával már díjat nyert a haarlemi Tudományos Akadé­mián. 1893-ban egyideig E. Cohn mellett dolgozott Strassbourgban. Hollandiába való visszatérésekor a leideni egyetem magántaná­rává nevezték ki. 1897. I. 1-től a fizika előadója lett az amsterdami egyetemen, majd 1900-ban a fizika professzora lett ugyanitt, s ezen a helyen maradt 1935-ben történt nyugdíjazásáig. 1943. október 9-én hunyt el.

Zeeman Lorentzcel közösen 1902-ben kapta meg a fizikai Nobel-díjat, 1921-ben a londoni Royal Society külső tagjává választotta, 1922-ben meg­kapta a Rumford-érmet; saját hazájában a Hol­land Oroszlánrend lovagjává és az Orange-Nassau Rend parancsnokává választották.

Zeeman jelentős helyét a természettudósok között a színképvonalak mágneses térben való felhasadására vonatkozó vizsgálatainak köszön­heti, mely jelenséget róla Zeeman-effektusnak szok­tunk nevezni. Már Faraday is igyekezett megfi­gyelni a mágneses erőtérnek a színképvonalakra gyakorolt hatását, de megfelelő segédeszközök hiá­nyában, erre irányuló erőfeszí­tései sikertelenek maradtak.

Zeeman első kísérletei sem vezettek a színképvonalak felha­sadására, hanem mindössze azok némi kiszélesedésére. Zeeman er­ről a következőket mondta No­bel-díj beszédében: „A leideni egyetem Fizikai Intézetében 1896 augusztusában nátrium lángját erős mágneses tér hatásának tet­tem ki és ebből a célból azt erős mágneses tér pólusai közé he­lyeztem. A láng sugárzását Rowland ráccsal vizsgáltam az erővonalakra merőleges irányban minden egyes vonal, mely mág­neses tér nélkül meglehetősen élesnek mutatkozott, kiszélesedett. Ez azt mutatja, hogy nemcsak az eredeti rezgésszán került kisugárzásra, de ettől valamivel nagyobb és valamivel kisebb rezgésszámok is. A változás meglehetősen kicsiny volt a két nátriumvonal közötti távolságnak mintegy harmincad része. Kételkedve eredményeinkben megvizsgáltuk a fényforrást a mágneses tér irá­nyában is, és erre a célra a mágnes pólusain lyu­kakat fúrtunk. Eredményeink ebben az irányban is megerősítést nyertek."

Sok más embernél a színképvonalak kiszélese­désének észlelése kirobbanó erejű izgalom kitörést váltott volna ki. Aki azonban elolvassa Zeeman első dolgozatait, azt érzi, mintha nem a kísérletező maga beszélne, hanem egy kissé rosszindulatú bíráló, akinek nem annyira az a törekvése, hogy igazi érdemük szerint értékelje a kísérleteket és fontolóra vegye azok következményeit, hanem hogy semmiképpen se hagyja magát becsapni. És csak amikor a következő évben megismételte a kísérleteket és minden lehető módon megvizsgálta, hogy nem másodlagos hatásokkal, mint pl. abszorb­ció okozta vonalkiszélesedéssel van-e dolga, - ak­kor merte csak kifejezésre juttatni azt a meggyő­ződését, hogy a kutatott effektus valóban kimutat­hatónak bizonyult. A megismételt kísérletek során erősebb mágneses térben vizsgálva a jelenséget, az egyszerűnek mutatkozott szingulett vonalaknál, amelyek tehát két egyszerű energianívó kombi­nációjaként jönnek létre. Ekkor, ha a mágneses tér irányára merőleges irányban észlelünk, három egy­mástól egyenlő távolságú vonalat látunk. A kö­zépső az eredeti vonal helyén van és a mágneses tér irányában lineárisan poláros, a másik kettő pedig ettől jobbra és balra, egyenlő távolságban a tér irányára merőlegesen lineárisan polárosak. A mágneses tér irányában észlelve csak a két szélső komponensnek felel meg vonal és ezek ellenkező irányban cirkulárisan polárosak; ezt nevezzük nor­mális Zeeman-effektusnak.

Mi volt e jelenség megállapításának nagy és páratlan jelentősége a fizika tudománya számára? Zeeman saját maga fogalmazta meg ezt a jelentő­ségét, amikor Maxwell nyomdokain haladva feltetette azt a kérdést, hogy lehet-e külső beavatko­zás révén módosítani az anyag által kibocsátott színképvonalak rezgésszámait. És Zeeman hitt ebben a lehetőségben, annak ellenére, hogy Maxwell a következőket jelentette ki a rezgéseket kibo­csátó részecskékkel kapcsolatban: „Jelenleg sem­miféle természeti erő sem képes a legcsekélyebb mértékben megváltoztatni ilyen részecske tömegét vagy rezgésidejét".

A csillagászat és a többi természettudományok összehasonlításával kapcsolatban gyakran mond­ják, hogy mindkettő észlelésen alapul, a csillagászok azonban kénytelenek a puszta észlelésre szo­rítkozni, míg a többi természettudós kísérletezni képes. A kísérlet is észlelés, azonban olyan észlelés, amelynél a kísérletező az általa önkényesen meg­határozható és módosítható körülmények között képes előidézni a jelenséget. Mennyiben kínálkozik azonban lehetőség a természettudományokban az ebben az értelemben vett kísérletre? És vajon mit fog a fizikus elsősorban ilyen kísérlet tárgyává tenni?

A naiv észlelés számára például egy darab vas olyan test, mely bizonyos számú tulajdonsággal rendelkezik. Van bizonyos keménysége, bizonyos szakítószilárdsága, vezeti az elektromosságot, mág­nesezhető, és ehhez hasonlóan még igen sokféle tulajdonságát említhetjük meg. A fizikus számára azonban az ilyen vasdarab nagyszámú vas-atom­ból áll és a fizikus ezeknek az atomoknak tulajdon­ságait óhajtja megvizsgálni. Meg van győződve arról, hogy amennyiben ismerné az atomok tulaj­donságait, akkor a priori ki tudná számítani a vas összes tulajdonságát: keménységét, húzószilárdsá­gát, stb. A legkisebb elemi részecskék ismerete egy­értelmű az egész test ismeretével. Mármost azonban miképpen lehetséges ismereteket szerezni ezekre vo­natkozóan? Éppen úgy, ahogyan egyelőre még nem tudunk elutazni valamely csillagra, ugyanúgy nem vagyunk képesek egy atom belsejébe hatolni, hogy megnézzük, milyen a szerkezete. Kénytelenek va­gyunk pusztán annak alapján úgy elképzelni ma­gunknak az atomot, ahogyan annak szerkezetét az általunk végzett külső észlelések mutatják. Az atomról alkotandó ilyen kép kialakítására irányuló törekvéseinkben nyilván kénytelenek vagyunk valamely meghatározott jelenségből kiindulni, és Zeeman idejében és még később sokáig egyetlen más jelenség sem látszott annyira alkalmasnak e célra és egyik sem látszott az atom jellegét annyira közvetlenül feltárni, mint az általa kibocsátott színkép. A fény az atom belsejéből érkező üzenet, amely beszámol arról, hogy mi megy végbe az atomban. Ezek a táviratok azonban rejtjeles írá­súak és a megfejtésükhöz szükséges kulcs még szinte teljesen hiányzott akkor, amikor Zeeman megkezdte kutatásait. Természetesen feltétlenül sokkal kényelmesebben találhatjuk meg ezt a kul­csot, ha olyan jól meghatározott kérdéseket tudunk intézni az atomhoz, melyekre kénytelen megfelelő feleletet adni, mint amikor mindössze csak annak megfigyelésére vagyunk utalva, amit az atom magától is hajlandó elmondani nekünk. Innen szár­mazik e kérdés jelentősége: „Lehetséges-e külső beavatkozás révén változtatni valamit valamely anyag színképén ?"

Már Faraday is feltételezte, hogy a fény szoro­san összefügg az elektromossággal és mágnesség­gel. Maxwell pedig megteremtette az elektro­mágneses fényelmélet impozáns épületét. Nem csoda tehát, hogy Faraday úgy gondolta, hogy a mágneses erőtérnek kell lennie annak az eszköznek, amellyel be kell avatkoznunk, ha módosítani akarjuk valamely atom színképét. Azon sem csodálkozhatunk, hogy Zeeman ugyanezt az utat választotta és ezen az úton a legragyogóbb sikert érte el. Maxwell elgondolásának továbbfej­lesztése révén Lorentz már megalkotta azt az elkép­zelést, hogy az atomban töltéssel rendelkező ré­szecskéknek kell lenniök, amelyeket ő még annak idején „ionoknak" nevezett, és hogy mozgásukkal ezek alakítják ki a testek elektromos és optikai viselkedését. Minthogy az elektrolízis bizonyos elemi töltéskvantumok létezésére engedett követ­keztet , kézenfekvő volt, hogy egy ilyen „atomban levő ionnak" tulajdonítandó az elemi töltés. Ennek a részecskének tömegéről azonban nem volt semmi­féle ismeret. Zeeman első kísérleteiből Lorentz el­mélete alapján máris kitűnt, hogy ennek a tömeg­nek a legkönnyebb atom tömegénél jóval kisebb­nek kell lennie. Hamarosan megállapíthatóvá vált, hogy mintegy 1/1850-ed része a hidrogénatom tömegének. Az „ion" kifejezés, amely már használa­tos volt a töltéssel rendelkező atomok, illetve atom­csoportok megjelölésére, ennek az atomon belül elhelyezkedő töltéshordozónak a megnevezésére alkalmatlannak bizonyult. Nemsokára „elektron­nak" keresztelték el. Ezzel az elektronnal pedig olyan nagyhorderejű új részecske került a fizikába, hogy egyáltalában nem csodálkozhatunk azon, hogy a Nobel-bizottság már a második alkalommal, 1902-ben, amikor a fizikai Nobel-díj odaítéléséről kellett döntenie, közösen Zeemannak és Lorentz­nek ítélte oda ezt a díjat.

Igaz persze, hogy a Zeeman-effektus nélkül is értesültünk volna az elektronok létezéséről. A ka­tódsugárzás ugyanis térben repülő elektronokból áll. Ezeket az elektronokat J. J. Thomson és Ph. Lénárd alaposan tanulmányozta és Thomson 1907­-ben meghatározta azok tömegét és erre olyan érté­ket kapott, amely az észlelés pontosságának hatá­rain belül megegyezik a Zeeman-effektusból adódó értékkel. Nem szabad azonban elhanyagolnunk a különbséget Zeeman és az említett kutatók ered­ményei között. Zeeman ugyanis kimutatta, hogy ilyen részecskék az atomon belül vannak jelen és ott ezek felelősek a fény kibocsátásáért, s így az anyag felépítésében fontos alkotórészt kell jelen­teniük. Thomson és Lénárd azt mutatta ki, hogy az anyag meghatározott körülmények között ilyen részecskéket bocsát ki magából. Ez pedig nem azo­nos az előbb emutettekkel. Abból a tényből ugyan­is, hogy pl. valamely felhőből meghatározott nagy­ságú jégdarabok hullanak a földre, még nem lehet arra következtetni, hogy a felhő részben vagy tel­jes egészében ilyen jégdarabokból épül fel. Vagy egy másik példa: ma már biztosan tudjuk, hogy az atommagon belül nem lehetnek elektronok, mégis a magból kiinduló radioaktív béta sugárzás elektronokból áll. Anélkül tehát, hogy a Lénárd és Thomson által végzett kísérletek nagy jelentőségét kétségbe vonnánk, meg kell állapítanunk, hogy ezek következtében Zeemannak az atomon belül végzett kísérletei nem váltak kevésbé fontossá vagy kevésbé szükségessé.

Hamarosan kiderült, hogy mágneses erőtérben sok vonal több komponensre hasad, mint a Lorentz elemi elméletéből következő egyszerű triplett fel­hasadás. Számos kísérletet végeztek a felhasadás különféle módjainak tanulmányozására mind Zee­man irányításával, mind pedig a világ minden ré­szén levő számos más laboratóriumokban. Igen nagy a különböző multiplicitású színképvonalak esetében észlelt különböző hasadási módok száma és ezek között pl. Paschen és Back azt is kimutat­ták, hogy a gyenge és az erős mágneses erőterek olykor eléggé eltérő hasadási típusokat produkál­nak. Roppant különbség van azok között az eszkö­zök között, amelyekkel Zeeman először mutatta ki a jelenségeket, és a jelenleg rendelkezésre álló esz­közök között. Ez részben a fizikus technika általá­nos fejlődésének köszönhető részben pedig Zeeman­nak a mágneses és optikai műszerek tökéletesíté­sére irányuló fáradhatatlan munkájának.

Elmélet vonatkozásában is nagy munkát végez­tek a bonyolult felhasadások kielégítő megtalálásá­nak érdekében. Az eredetileg észlelt szingulett vo­nalak hármas felbomlásának értelmezésére még elegendő volt Lorentz elemi elmélete, de a multip­lett vonalak felbomlásánál jelentkező ún. anomális Zeeman felhasadás értelmezésére már egészen más alaptörvényekből kell kiindulnunk. Szerencsére ezek az új alaptörvények körülbelül éppen a meg­felelő időben kerültek felfedezésre a fizikában.

Planck már 1900 táján bocsátotta közre első kvantumelméleti tanulmányát és ez az elmélet a nézetek teljes megújhodását eredményezte az elmé­leti fizikában. Az eredetileg Planck által kidolgo­zott elmélet azonban még túlságosan pontatlan volt ahhoz, hogy a mágneses felhasadással össze­függésbe lehetett volna hozni. Megváltozott a hely­zet, amikor Bohr-Planck kvantumelméleti alap­elveit összekapcsolva Rutherfordnak az atommag­ról alkotott elképzelésével - megkonstruálta híres „atommodelljét". Ekkor az elmélet már eléggé pontos volt ahhoz, hogy főleg Goudsmidnek és Uhlenbecknek a keringő elektronról alkotott elkép­zelésének, azaz az elektronspinnek, valamint a Landé-féle szabályoknak felhasználásával tekin­télyes haladást lehessen elérni a mágneses felhasa­dások értelmezésében.

Az elméleti ismeretek azonban igen gyorsan továbbfejlődtek. De Broglie kidolgozta a hullám­mechanikára vonatkozó koncepcióját, mely akkor aratott diadalt, amikor a de Broglie által az elekt­ronra kiszámított hullámhossz értékét megerősí­tették Davisson és Germer kristályrácsokon tör­ténő elektron-interferencia kísérletei. Eddig a hul­lámmechanika még csak az atomon kívüli elektro­nok mozgására volt érvényes. Schrödinger alkal­massá tette a hullámmechanikát az elektronoknak atomon belüli mozgására is, az atomjelenségek magyarázatánál annyira nélkülözhetetlen diffe­renciálegyenlet felállítása révén. Amikor pedig az eredeti Schrödinger egyenlet elégtelennek bizo­nyult, a relativitáselmélet követelményeinek figye­lembevételével azt Dirac módosította.

Nem lehet csodálkozni tehát azon, hogy amikor a Schrödinger és a Dirac-féle egyenletek felállítása következtében a figyelem ismét jobban az atomon belül lejátszódó folyamatokra irányult, akkor is­mét újjáéledt az érdeklődés az atom belsejére vo­natkozó minden kísérlet, tehát a Zeeman jelenség iránt is.

Az igazsághoz tartozik, hogy nem a Zeeman-­effektus maradt az egyetlen kísérlet az atom belse­jében: Stark megállapította a színképvonalaknak elektromos erőtérben való felhasadását is. Kétség­telen az is, hogy az elméletek ellenőrzése szem­pontjából azoknak a színképvonalaknak egyszerű megfigyelése is rendkívül fontos szerepet játszik, amelyeket valamely atom vagy molekula szándé­kos külső beavatkozás nélkül természetes módon bocsát ki. Mégis arra kell számítanunk, hogy még sokáig az lesz a helyzet, hogy minden újabb atom vagy molekula elmélet ellenőrzésének egyik legfon­tosabb pontja, vajon alkalmasnak bizonyul-e azok­nak a rendkívül változatos jelenségeknek magya­rázatára, melyek a színképvonalak mágneses tér­ben való felhasadásával kapcsolatosak.

A fizikai kutatás e nagyfontosságú módszeré­nek felfedezése s a későbbi munkásság folyamán végzett tökéletesítése Zeeman elévülhetetlen ér­deme marad.

Kovács István
Budapesti Műszaki Egyetem
Atomfizikai Tanszéke