Pieter Zeeman: razlika između inačica
Izbrisani sadržaj Dodani sadržaj
Nema sažetka uređivanja |
Nadopunio Pieter Zeeman |
||
Redak 5:
| naslov =
| datum_rođenja = [[25. svibnja]] [[1865]].
| mjesto_rođenja = [[Zonnemaire]], [[Nizozemska]]
| datum_smrti = [[9. listopada]] [[1943]].
| mjesto_smrti = [[Amsterdam]], [[Nizozemska]]
| prebivalište =
| državljanstvo = [[Nizozemska]]
| narodnost =
| etnicitet =
| polje = [[
| radna_institucija =
| alma_mater =
| doktorski_mentor = [[Heike Kamerlingh Onnes]]
| poznat_po = [[Zeemanov
| nagrade =
| fusnote =
}}
[[datoteka:ZeemanEffect.GIF|mini|desno|300px|[[Fotografija]] koju je P. Zeeman napravio objašnjavajući [[Zeemanov učinak]].]]
[[datoteka:Magnetic moment.svg|mini|desno|300px|[[Magnetski moment]] ''μ'' je umnožak [[Električna struja|jakosti električne struje]] ''I'' i [[Površina|ploštine]] petlje ''S''.]]
[[datoteka:ZeemanEffectIllus.png|mini|desno|300px|Spektralne linije para [[živina svjetiljka|živine svjetiljke]], na [[valna duljina|valnoj duljini]] 546,1 [[metar|nm]], pokazuju nepravilni ili anomalni Zeemanov učinak: (A) bez [[magnetsko polje|magnetskog polja]]. (B) s magnetskim poljem spektralne se linije razdvajaju kao poprečni Zeemanov učinak. (C) s magnetskim poljem razdijelile se kao uzdužni Zeemanov učinak (spektralne linije dobivene su Fabry-Pérotovim [[Interferometar|interferometrom]]).]]
[[datoteka:Sunzeeman1919.png|mini|desno|300px|[[Zeemanov učinak]] na spektralnu liniju [[Sunčeve pjege]].]]
'''Pieter Zeeman''' ([[Zonnemaire]], [[25. svibnja]] [[1865]]. - [[Amsterdam]], [[9. listopada]] [[1943]].), [[Nizozemska|nizozemski]] [[fizičar]]. Studirao na Sveučilištu u [[Leiden]]u, gdje je [[doktor]]irao 1893. Od 1900. bio je [[profesor]] Sveučilišta u [[Amsterdam]]u. Istraživao je širenje [[svjetlost]]i u vodi i prozirnim [[minerali]]ma. Godine 1886. opazio je da se pojedine [[Spektar (fizika)|spektralne linije]] atoma, kada se oni nalaze u [[magnetsko polje|magnetskom polju]], razlažu na nekoliko novih linija, pojava je nazvana [[Zeemanov učinak]]. Tim otkrićem potvrđeno je predviđanje [[Hendrik Antoon Lorentz|H. A. Lorentza]] da se atom sastoji od [[Električni naboj|električki nabijenih]] [[čestica]], na koje može utjecati magnetsko polje, pa su njih dvojica za ta istraživanja podijelili [[Nobelova nagrada za fiziku|Nobelovu nagradu za fiziku]] 1902. <ref> '''Zeeman, Pieter''', [http://enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=67050] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2019.</ref>
== Životopis ==
Nakon završetka srednješkolskog obrazovanja u [[Zierikzee]]u, otišao je na dvije godine u [[Delfit]] gdje je primio stipendiju za klasične jezike, što je onda bilo ključno znanje za upis na sveučilište. Tu je Zeeman bio izložen okolini pogodnoj za razvoj njegovog znanstvenog talenta (Dr. J. W. Lely, [[Heike Kamerlingh Onnes|Kamerling Onnes]]). Zeeman je bio široko načitan i njegova strast za izvođenje [[pokus]]a zadivila je Kamerlingha Onnesa i bila baza za plodno prijateljstvo.
Godine [[1890]]. imenovan je [[Hendrik Antoon Lorentz|Lorentzovim]] asistentom, što mu je omogućilo da sudjeluje u opsežnom programu proučavanja [[John Kerr|Kerrovog učinka]], važnog temelja za njegov budući rad. Doktorirao je [[1893]]., a [[1897]]. godinu poslije otkrića magnetskog dijeljenja središnjih linija, pozvan je na Sveučilište u [[Amsterdam]]u. Godine [[1908]]. [[Johannes Diderik van der Waals|Van der Waals]] ([[Nobelova nagrada za fiziku]] [[1910]].) je umirovljen i Zeeman je odabran kao njegov nasljednik, a u isto vrijeme je bio i direktor [[laboratorij]]a fizike. Godine [[1923]]. samo za njega izgrađen je novi [[laboratorij]] težine od četvrtine milijuna [[kilogram]]a kao prikladna podloga za pokuse bez [[vibracije|vibracija]]. Taj institut je danas poznat kao Zeemanov laboratorij Sveučilišta u Amsterdamu.
Zeemanov talent za prirodnu znanost prvi put je postao očit [[1883]]., dok je još uvijek pohađao srednju školu. Jasno je opisao i nacrtao [[Polarna svjetlost|polarnu svjetlost]] - koja se onda jasno mogla vidjeti u njegovoj zemlji. Urednik časopisa ''Nature'' hvalio je pomna zapažanja profesora Zeemana u njegovom opservatoriju u Zonnemaireu.
Glavna tema Zeemanova istraživanja se uvijek ticala [[optika|optičkih]] pojava. U Strasbourgu je proučavao širenje i apsorpciju električnih valova u tekućinama. Glavni rad mu je bio proučavanje utjecaja [[magnetizam|magnetizma]] radijacije svjetlosti u prirodi. Otkriće takozvanog [[Zeemanov učinak|Zeemanovog učinka]], za koji je dobio [[Nobelova nagrada za fiziku|Nobelovu nagradu]] [[1902]]., u jednom je ne samo potvrdio Lorentzov teorijski zaključak s obzirom na stanje [[Polarizirana svjetlost|polarizacije svjetla]] koju emitira [[plamen]], nego je i pokazao negativnu prirodu oscilirajućih čestica, kao i neočekivano visoki omjer njihovog [[naboj]]a i [[masa|mase]] (''e/m'').
Kad je sljedeće godine [[Joseph John Thomson|J. J. Thomson]] otkrio postojanje slobodnih [[elektron]]a u obliku [[Katodno zračenje|katodnih zraka]], identitet elektrona i oscilirajućih čestica svjetla se mogao ustanoviti iz negativne prirode i ''e/m'' omjera čestica. Takozvani iskrivljeni Zeemanov učinak se mogao tek kasnije objasniti, jer je porastao broj istraživača koji su proučavali učinke korištenja raznih tvari kao emitera svjetla, a koji se nisu dali objasniti Lorentzovom teorijom.
Ne samo da je Zeemanov učinak bacio novo svjetlo na mehanizam zračenja svjetla i na prirodu tvari i [[elektricitet]]a, nego njegova velika važnost leži u činjenici da čak i do današnjeg dana ona nudi krajnje sredstvo za otkrivanje strukture [[atom]]a i prirode i ponašanja njegovih komponenti. Još uvijek služi kao konačni test u svakoj novoj teoriji atoma.
Zeeman je vrlo skoro i izrazio mišljenje da bi se moglo potvrditi postojanje jakih [[magnetsko polje|magnetskih polja]] na površini [[Sunce|Sunca]] (što je vrlo tipično za Zeemana proširavanje koncepata fizike u stvarnost nebeskih tijela), što je kasnije i potvrđeno [[fotografija|fotografijama]] koje su pokazivale da na [[Spektar (fizika)|spektralne linije]] solarnih vrtloga utječu magnetska polja.
Zeeman je radio i na [[Dopplerov efekt|Dopplerovom učinku]] i [[Kanalne zrake|kanalnim zrakama]] (laboratorijski testovi). Drugo polje proučavanja bilo je širenje svjetla u medijima u kretanju. Izvan svog polja istraživanja, Zeeman je pokazivao mnogo interesa za [[književnost]] i [[kazalište]]. Bio je vrlo ugodan domaćin i volio je pozivati suradnike i učenike na večere u svojem domu, čemu je obično prethodio učeni razgovor u njegovoj radnoj sobi, što se nastavilo okupljanjem u obiteljskom krugu.
== Magnetski momenti i normalni Zeemanov učinak ==
{{Glavni|Magnetski moment|Zeemanov učinak}}
Klasična teorija magnetskih momenata pošla je od [[Hans Christian Ørsted|Oerstedova]] otkrića da [[električna struja|električne struje]] proizvode oko sebe [[magnetsko polje|magnetska polja]]. Zatvorena električna struja djeluje kao [[magnet]]. Magnetski moment, stvoren vrtnjom [[elektricitet]]a, sukladan (proporcionalan) je umnošku jakosti s površinom koju struja omeđuje. Ova važna klasična spoznaja može se primijeniti i na gibanje [[elektron]]a oko [[atomska jezgra|atomske jezgre]]. I elektron stvara "zatvorenu struju" pa djeluje kao magnet. Magnetski moment je određen [[moment]]om impulsa. Između magnetskog momenta i impulsa vrtnje postoji odnos:
:<math> \mu = \frac{e}{2 \cdot m \cdot c} \cdot p \cdot \phi </math>
Ovaj klasični izraz preuzela je i [[Kvantna mehanika|kvantna teorija]]. No ovdje [[impuls]] vrtnje ne može poprimiti sve vrijednosti, nego samo [[Diskretan|diskretne]] ''n<sub>φ</sub>∙h''/2∙π. Uvrstimo li to u gornju jednadžbu, dobivamo:
:<math> \mu = n_\phi \cdot \frac{e \cdot h}{4 \cdot \pi \cdot m \cdot c} </math>
gdje je: ''n<sub>φ</sub>'' = 1, 2, 3, ….
U kvantnoj teoriji magnetski su momenti jednaki cijelom broju osnovne jedinice:
:<math> \mu_B = \frac{e \cdot h}{4 \cdot \pi \cdot m \cdot c} = -\, 9,274 \cdot 10^{-24}\ \mbox{A} \cdot \mbox{m}^2 </math>
Ovaj elementarni magnetski moment zove se Bohrov magneton. Iskustvo pokazuje da [[atom]]ima zaista pripadaju magnetski momenti tih veličina. Bohrov magneton jedna je od temeljnih [[Fizikalne konstante|prirodnih konstanti]].
Magnetski momenti atoma dolaze do izražaja kad ih stavimo u vanjsko [[magnetsko polje]]. Razmotrimo sada kako se mijenjaju energetski nivoi atoma u magnetskom polju. Vanjsko [[magnetsko polje]] možemo smatrati u području [[atom]]a konstantnim. U magnetskom polju ''H'' ima atom [[potencijalna energija|potencijalnu energiju]]:
:<math> E_{pot} = -\, \mu \cdot H \cdot \cos (\mu, H) </math>
Potencijalna energija atoma zavisi od smjera magnetskog momenta prema vanjskom magnetskom polju. Može li to biti bilo koji smjer? Kad bi to bilo tako, potencijalna bi energija atoma poprimila kontinuirane vrijednosti između - ''μ∙H'' i + ''μ∙H''. Ta kontinuiranost morala bi se očitovati i u [[Spektar (fizika)|atomskom spektru]]. No to se protivi činjenicama. Atomski spektri ostaju oštri [[Linijski spektar|linijski spektri]] i u magnetskom polju. Moramo, dakle, pretpostaviti da se magnetski momenti atoma postavljaju samo u određenim, diskretnim smjerovima prema magnetskom polju.
Tvrdimo, a to se može izvesti iz kvantnih uvjeta [[Arnold Sommerfeld|Sommerfelda]] i [[Charles Thomson Rees Wilson|Wilsona]], da se staza elektrona može prema vanjskom magnetskom polju samo tako orijentirati da projekcija njegova momenta impulsa ''M<sub>H</sub>'' i magnetskog momenta bude opet ista diskretna veličina:
:<math> M_H = \frac{m \cdot h}{2 \cdot \pi} </math>
:<math> \mu_H = \frac{e}{2 \cdot m_e \cdot c} \cdot m \cdot \frac{h}{2 \cdot \pi} </math>
Da izbjegnemo zabunu, dodali smo masi elektrona indeks ''e''; ''m'' se zove [[Kvantni brojevi|magnetski kvantni broj]] i može poprimiti cijele brojeve od + ''n<sub>φ</sub>'' do - ''n<sub>φ</sub>'':
:m = - ''n<sub>φ</sub>'', - ''n<sub>φ</sub>'' + 1… , - 1, 0, + 1, … ''n<sub>φ</sub>'' - 1, ''n<sub>φ</sub>''
Zadnje dvije jednadžbe su temelj kvantne teorije atoma. Moment impulsa je [[vektor]] koji stoji okomito na ravninu gibanja. Dok nema vanjskog magnetskog polja, može ravnina gibanja elektrona ležati po volji u prostoru. No, kad stavimo atom u magnetsko polje, ravnina gibanja mora se tako postaviti da je projekcija momenta impulsa u smjeru polja opet jednaka cijelom broju od ''h''/2∙π. U kvantnoj teoriji nisu [[kvant]]izirani samo impulsi vrtnje nego i njihove projekcije u smjeru magnetskog polja.
Promotrit ćemo sada posebne slučajeve, gdje impuls vrtnje ''p'' ima redom vrijednosti ''h''/2∙π, 2∙''h''/2∙π, 3∙''h''/2∙π, … Magnetsko polje ima stalan smjer. Obično se uzima da je to smjer odozdo prema gore:
* ''n<sub>φ</sub>'' = 1. Moment impulsa može se postaviti samo paralelno, antiparalelno i okomito prema smjeru magnetskog polja. Magnetski kvantni broj ''m'' poprima vrijednosti + 1, - 1 i 0.
* ''n<sub>φ</sub>'' = 2. Kao i prije, moment impulsa može se postaviti samo paralelno, antiparalelno i okomito. Magnetski kvantni broj ''m'' poprima vrijednosti + 2, - 2 i 0. No, pored toga može moment impulsa stajati gore i dolje pod kutom od 60° prema magnetskom polju. Tada je cos ''φ'' = 1/2, pa je projekcija momenta impulsa jednaka ''h''/2∙π. U tim slučajevima ima magnetski kvantni broj ''m'' vrijednosti + 1 i - 1.
* ''n<sub>φ</sub>'' = 3. Moguće je 7 orijentacija: cos (''p<sub>φ</sub>, H'') = ± 1, ± 2/3, ± 1/3 i 0.
Općenito je moguć paralelan, antiparalelan i okomit smjer momenta impulsa s obzirom na vanjsko polje. Ako je kvantni broj vrtnje veći od 1, tad su još mogući i smjerovi kod kojih je [[kosinus]] kuta jednak omjeru između dva cijela broja:
:<math> \cos (\mu, H) = \frac{m}{n_\phi} </math>
Što kaže iskustvo o tome? Već prije postanka kvantne mehanike našao je P. Zeeman da se spektralne linije u magnetskom polju cijepaju na više komponenata. Razmotrimo neku spektralnu liniju. Njena [[frekvencija]] je dana [[Bohrov model atoma|Bohrovim postulatom]]:
:<math> h \cdot \nu = E' - E'' </math>
gdje je: ''E' '' - [[energija]] početnog stanja, ''E"'' - energija konačnog stanja. Za vrijeme emisije neka djeluje na atom jaki magnet. Tad pridolazi svakom energetskom nivou još magnetska energija: ''μ∙H''∙cos(''μ, H''), što možemo dalje pisati: ''μ<sub>B</sub>∙H''. Prema tome vidimo da atomu u magnetskom polju pridolazi potencijalna energija:
:<math> E_{pot} = - \, \mu_B \cdot H \cdot m </math>
gdje je: ''m'' = 0, ± 1, ± 2, ± 3, …
Pri kvantnom prijelazu atoma može se magnetski kvantni broj promijeniti za 1 ili 0. Energija emitiranog kvanta svjetlosti ([[foton]]a) jednaka je, dakle:
:<math> h \cdot \nu = E' - E'' - \mu_B \cdot H \cdot \Delta m </math>
gdje je: ''Δm'' = 0, + 1, - 1
Frekvencija emitirane spektralne linije pod djelovanjem magnetskog polja jednaka je:
:<math> \nu = \frac{E' - E''}{h} - \frac{\mu_B \cdot H}{h} \cdot \Delta m </math>
Označimo frekvenciju nesmetane linije sa ''ν<sub>0</sub>'' i uvrstimo za Bohrov magneton prethodni izraz. Tad dobivamo za spektar u magnetskom polju izraz:
:<math> \nu = \nu_0 - \frac{e \cdot H}{4 \cdot \pi \cdot m_e \cdot c} \cdot \Delta m </math>
Mjesto jedne spektralne linije imamo tri. Jedna linija, ''Δm'' = 0, leži na mjestu prvobitne linije, druge dvije su za ''e∙H/4∙π∙me∙c'' pomaknute nalijevo ili nadesno, već prema tome da li je ''Δm'' = - 1 ili ''Δm'' = + 1. Te tri linije našao je P. Zeeman 1896. Pojava triju linija mjesto jedne u magnetskom polju zove se '''normalnim Zeemanovim učinkom''' ili efektom. [[Zeemanov učinak]] očito pokazuje [[Diskretan|diskretnost]] u orijentacijama magnetskih momenata.
Cijepanje spektralnih linija u magnetskom polju iznosi:
:<math> \Delta \nu = \pm \frac{e \cdot H}{4 \cdot \pi \cdot m_e \cdot c} = \pm 1,4 \cdot 10^{6}\ \mbox{H} \cdot \mbox{s}^-1 </math>
Razmak između lijeve i desne linije je to veći što je magnetsko polje jače. Cijepanje je svakako malo, dok djeluju nornalna magnetska polja. Mjerenja daju točno pomak frekvencije, koji smo teorijski proračunali.
Ovdje je važno napomenuti da klasična teorija daje za pomak spektralnih linija u magnetskom polju isto što i kvantna. Promjena frekvencije slaže se s [[Larmorova precesija|Larmorovom frekvencijom]].
Po Larmorovu teoremu, elektronskom sustavu u megnetskom polju pridolazi jednolika [[vrtnja]] ([[rotacija]]) s frekvencijom ''ν<sub>L</sub>'' = - (''e∙H''/4∙π∙''m<sub>e</sub>∙c''). Već prema tome da li se elektroni okreću oko magnetskih silnica u pozitivnom ili negativnom smjeru, frekvencija će se elektrona povećati ili umanjiti za Larmorovu frekvenciju. Oni elektroni koji titraju linearno u smjeru magnetskih silnica neće, naravno, uopće promijeniti frekvencije. Općenito možemo svako [[titranje]] elektrona rastaviti u ta tri tipična titranja, pa prema tome dobivamo po klasičnoj teoriji u [[Emisijski spektar|emisijskom]] ili [[Apsorpcijska spektroskopija|apsorpcijskom spektru]] tri linije. Zeemanov nalaz bio je u prvo vrijeme shvaćen kao velik uspjeh [[Hendrik Antoon Lorentz|Lorentzove elektronske teorije]]. Danas znamo da klasična teorija ne može objasniti emisije ni apsorpcije. Uzrok da se kvantna jednadžba ipak podudara s klasičnom Larmorovom frekvencijom leži u tome što je iz te jednadžbe ispala [[Planckova konstanta]]. Kvantna teorija je tu na neki način skrivena. Prema načelu korespodencije prelazi kvantna teorija u klasičnu kad konstanta ''h'' teži k nuli. Ovdje se mora kvantna jednadžba podudarati s klasičnom, jer se u njoj kod tog graničnog prijelaza ništa ne mijenja.
Pomoću [[Načelo korespondencije|načela korespodencije]] možemo vrlo dobro shvatiti izborna pravila koja vrijede za emisiju svjetlosti. U klasičnom modelu Zeemanovog učinka imamo 3 frekvencije. Očito je da nesmetano linearno titranje u smjeru polja korespondira prijelazu ''Δm'' = 0, pri kojemu se frekvencija ne mijenja. Oba klasična kružna ili cirkularna titranja, pri kojima se frekvencija mijenja za ''ν<sub>L</sub>'', korespondiraju prijelazima ''Δm'' = + 1 i -1. Drugi prijelazi u kvantnoj teoriji nisu mogući, jer za njih nema klasičnog analogona.
Klasični model daje također točnu sliku o [[Polarizirana svjetlost|polarizaciji emitirane svjetlosti]]. Prema trima različitim titranjima elektrona imamo linearno, lijevo i desno polariziranu svjetlost. Kvantnom skoku ''Δm'' = 0 odgovara linearno polarizirana svjetlost u smjeru polja, kvantnim skokovima ''Δm'' = + 1 i -1 kružna (cirkularna) polarizacija oko magnetskih silnica. Linearno polarizirane emisijske linije označuju se kao π komponente, a kružno (cirkularno) polarizirane kao σ komponente.
Vidjeli smo da klasični [[dipol]] ne zrači energije u smjeru svoje osi. Kad mjerimo [[Svjetlosna jakost|jakost (intenzitet) svjetlosti]] u osi dipola, ne primjećujemo ništa. Isto tako i kod Zeemanovog učinka, kad gledamo svjetlost [[Longitudinalan val|longitudinalno]], to jest u liniji paralelnoj s magnetskim poljem, opažamo samo dvije spektralne linije, naime kružno (cirkularno) polarizirane. Naprotiv, kad gledamo [[Transverzalni val|transverzalno]], okomito na smjer polja, opažamo sve tri linije. <ref> [[Ivan Supek]]: "Nova fizika", Školska knjiga Zagreb, 1966.</ref>
== Izvori ==
{{izvori}}
== Vanjske poveznice ==
Line 42 ⟶ 143:
{{Nobelova nagrada za fiziku}}
{{GLAVNIRASPORED:Zeeman, Pieter}}
[[Kategorija:Nizozemski fizičari]]
| |||