Pieter Zeeman

Pieter Zeeman là nhà vật lý người Hà Lan. Ông cùng với Hendrik A. Lorentz được trao Giải Nobel Vật lý năm 1902 nhờ khám phá ra Hiệu ứng Zeeman. Ngoài ra ông còn tích cực nghiên cứu về sự lan truyền ánh sáng trong các môi trường chuyển động như nước, thạch anh và flint.

Pieter Zeeman sinh ngày 25 tháng 5 năm 1865 tại Zonnemaire, một ngôi làng nhỏ trên đảo Schouwen, Zeeland, Hà Lan. Sau khi hoàn thành chương trình trung học tại quê nhà, ông đã đến Delft trong hai năm để học tiếng cổ điển. Zeeman trọ tại nhà của Tiến sĩ J.W. Lely và được gặp gỡ với Kamerlingh Onnes. Đây là hai người đã giúp ông khai mở tiềm năng nghiên cứu khoa học của mình. Năm 1883, ông đã có thể mô tả và vẽ chính xác về cực quang. Quan sát của ông sau đó đã được đăng trên tạp chí Nature.

Năm 1885, Zeeman thi đỗ vào Đại học Leiden. Ông chủ yếu theo học cơ học của Kamerlingh Onnes và vật lý thực nghiệm của Hendrik A. Lorentz. Đến năm 1890, ông trở thành trợ lý của Lorentz, và được tham gia vào một chương trình nghiên cứu sâu rộng bao gồm nghiên cứu về Hiệu ứng Kerr – nền tảng quan trọng cho công trình vĩ đại tương lai của ông. Ông lấy bằng Tiến sĩ vào năm 1893, sau đó đến Viện nghiên cứu F. Kohlrausch tại Strasbourg, nơi ông làm việc dưới sự hướng dẫn của E. Cohn. Zeeman trở lại Leiden vào năm 1894 và trở thành giảng viên ngoại khóa từ năm 1895 đến 1897.

SỰ NGHIỆP LẪY LỪNG

Vươn lên và thành công

Năm 1897, chỉ một năm sau khám phá vĩ đại về sự tách đôi các vạch phổ dưới tác động của từ trường, Zeeman được mời làm giảng viên tại Đại học Amsterdam. Đến năm 1908, ông được chọn làm người kế nhiệm, đồng thời đảm nhiệm vị trí Giám đốc Phòng thí nghiệm Vật lý thay cho nhà vật lý Johannes Diderik van der Waals – người sắp nghỉ hưu ở tuổi 70.

Năm 1923, một phòng thí nghiệm mới được xây dựng đặc biệt dành cho Zeeman, với một khối bê tông nặng 250.000 kg được đặt cách ly khỏi mặt sàn để tạo nền tảng lý tưởng cho các thí nghiệm không bị rung động. Phòng thí nghiệm này hiện được biết đến với tên gọi Phòng thí nghiệm Zeeman thuộc Đại học Amsterdam. Nhiều nhà khoa học nổi tiếng thế giới đã đến thăm Zeeman hoặc làm việc cùng ông tại đây trong một thời gian.

Phòng thí nghiệm Zeeman ở thời điểm hiện tại (nguồn: wikipedia)

Hiệu ứng Zeeman

Nghiên cứu chính của Zeeman luôn liên quan đến các hiện tượng quang học. Luận văn đầu tiên của ông, “Mesures relatives du phénomène de Kerr” (Các phép đo tương đối của Hiệu ứng Kerr), được viết vào năm 1892, đã được Hiệp hội Khoa học Hà Lan ở Haarlem trao tặng Huy chương Vàng. Tại Strasbourg, ông nghiên cứu sự lan truyền và hấp thụ sóng điện từ trong chất lỏng.

Tuy nhiên, công trình chính của ông là nghiên cứu về ảnh hưởng của từ trường lên bản chất của bức xạ ánh sáng, bắt đầu vào mùa hè năm 1896. Lúc đó, Zeeman biết được phòng thí nghiệm của mình có một trong những mạng Rowland có độ phân giải cao nhất của Henry Augustus Rowland – một gương quang phổ ảnh tiên tiến. Trước đây, Zeeman đã đọc bài báo của James Clerk Maxwell mô tả những nỗ lực không thành công của Michael Faraday trong việc tác động ánh sáng bằng từ trường. Zeeman tự hỏi liệu các kỹ thuật quang phổ mới có thể thành công trong việc khám phá những nỗ lực trước đó đã thất bại.

Zeeman thực hiện thí nghiệm với Natri. Ông thấy rằng: khi được chiếu sáng bởi một khe hở hình dạng khe, mạng sẽ tạo ra một dãy dài các ảnh khe tương ứng với các bước sóng khác nhau. Ông đặt một miếng amiăng thấm nước muối vào ngọn lửa đèn Bunsen tại nguồn của mạng và lập tức có thể dễ dàng nhìn thấy hai vạch cho phát xạ ánh sáng natri. Bật từ trường 10 kilogauss xung quanh ngọn lửa, ông quan sát thấy các ảnh của natri hơi mở rộng. Khi chuyển sang sử dụng cadmium tại nguồn, Zeeman quan sát thấy các ảnh bị tách đôi khi từ trường được kích hoạt. Sự tách đôi này có thể được phân tích bằng lý thuyết electron mới của Hendrik Lorentz.

Minh hoạ hiệu ứng Zeeman (nguồn: pas.rochester.edu)

Sau khi được công bố, Hiệu ứng Zeeman ngay lập tức được đánh giá cao bởi thực tế là hiện tượng này không chỉ xác nhận kết luận lý thuyết của Lorentz về trạng thái phân cực của ánh sáng do ngọn lửa phát ra, mà còn chứng minh bản chất âm của các hạt dao động, cũng như tỷ lệ cao bất ngờ giữa điện tích và khối lượng của chúng (e/m). Do đó, khi J.J. Thomson khám phá ra sự tồn tại của các electron tự do dưới dạng tia cathode vào năm sau, bản chất âm và tỷ lệ e/m của các hạt đã giúp xác định bản chất giống nhau giữa electron và các hạt ánh sáng dao động.

Ngày càng nhiều các quan sát được thực hiện bởi những nhà nghiên cứu khác về việc sử dụng các chất khác nhau làm nguồn phát sáng – không phải tất cả đều có thể giải thích bằng lý thuyết ban đầu của Lorentz (Hiệu ứng Zeeman bất thường chỉ có thể được giải thích đầy đủ sau này, với sự ra đời của lý thuyết nguyên tử Bohr, cơ học lượng tử sóng và khái niệm spin của electron) – đã được ông tập hợp lại trong cuốn sách “Researches in Magneto-Optics” (Nghiên cứu về Quang học Từ) (London 1913, bản dịch tiếng Đức năm 1914).

Giải thưởng

Khám phá về Hiệu ứng Zeeman đã giúp ông cùng người thầy của mình là Hendrik Lorentz giành được Giải Nobel Vật lý 1902. Ngoài ra, nghiên cứu này cũng đã được trình bày trước Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Hà Lan – thông qua H. Kamerlingh Onnes (1896) và J.D. van der Waals (1897) – dưới dạng các bài báo có tựa đề “Over den Invloed eener Magnetisatie op den Aard van het door een Stof uitgezonden Licht” (Về ảnh hưởng của từ tính đến bản chất của ánh sáng do một chất phát ra) và “Over Doubletten en Tripletten in het Spectrum teweeggebracht door Uitwendige Magnetische Krachten” (Về các cặp và bộ ba trong quang phổ gây ra bởi các lực từ tính bên ngoài).

Ngoài những thành tựu khoa học đáng kinh ngạc, Pieter Zeeman còn nhận được vô số giải thưởng và vinh dự quốc tế. Ông là Tiến sĩ danh dự của các trường Đại học Göttingen, Oxford, Philadelphia, Strasbourg, Liège, Ghent, Glasgow, Brussels và Paris; thành viên hoặc thành viên danh dự của nhiều Viện hàn lâm uy tín, bao gồm cả danh hiệu hiếm có Associé Etranger của Viện Hàn lâm Khoa học Paris; thành viên và Chủ tịch Ủy ban Cân đo Quốc tế (Commission Internationale des Poids et Mesures) tại Paris.Ngoài ra, ông còn được bổ nhiệm làm thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Hà Lan năm 1898, ông giữ chức vụ thư ký của Phân ban Vật lý – Toán học từ năm 1912 đến năm 1920. Bên cạnh đó, Zeeman cũng được trao tặng nhiều giải thưởng danh giá khác, chẳng hạn như: Huân chương Rumford của Hội Hoàng gia London, Giải thưởng Wilde của Viện Hàn lâm Khoa học Paris, Giải thưởng Baumgartner-Preis của Viện Hàn lâm Khoa học Vienna, Huân chương Matteucci của Hiệp hội Khoa học Italia, Huân chương Franklin của Viện Franklin Philadelphia, Huân chương Henry Draper của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Washington,…

Ứng dụng của Hiệu ứng Zeeman

Hiệu ứng Zeeman không chỉ làm sáng tỏ nhiều điều về cơ chế bức xạ ánh sáng và bản chất của vật chất và điện, mà tầm quan trọng to lớn của nó còn nằm ở việc cho đến ngày nay, nó vẫn là phương tiện tối thượng để tiết lộ cấu trúc bên trong của nguyên tử và bản chất cũng như hành vi của các thành phần của nó. Ngoài ra, Hiệu ứng Zeeman vẫn đóng vai trò là phép kiểm tra cuối cùng trong bất kỳ lý thuyết nguyên tử mới nào.

Hiệu ứng Zeeman đã giúp các nhà vật lý xác định các mức năng lượng trong nguyên tử và xác định chúng theo mô men động lượng góc. Nó cũng cung cấp một phương tiện hiệu quả để nghiên cứu hạt nhân nguyên tử và các hiện tượng như cộng hưởng paramagnetic electron (Electron Paramagnetic Resonance). Trong thiên văn học, hiệu ứng Zeeman được sử dụng để đo từ trường của Mặt trời và các sao khác.

Ứng dụng của Hiệu ứng Zeeman trong việc quan sát các khu vực hình thành sao (nguồn: Frontiers)

CUỘC SỐNG CÁ NHÂN VÀ NHỮNG NGÀY CUỐI ĐỜI

Ngoài lĩnh vực nghiên cứu, Zeeman còn rất quan tâm đến văn học và sân khấu. Là một người hiếu khách, ông thường mời cộng sự và học trò đến dùng bữa tối tại nhà mình.

Zeeman kết hôn với Johanna Elisabeth Lebret vào năm 1895 và có một con trai và ba con gái. Trong những năm cuối cùng làm giáo sư, sức khỏe của ông giảm sút. Ông qua đời sau một thời gian ngắn lâm bệnh vào ngày 9 tháng 10 năm 1943.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

The Nopel Prize

Britannica

Wikipedia