Gespleten licht

Honderd jaar geleden merkte Pieter Zeeman dat een magneet inwerkt op een lichtbron. Volgens de legende kwam H.A. Lorentz direct met een theoretische verklaring. In werkelijkheid kwam hij pas maanden later kijken en zat met het effect in zijn maag.

Van 5 t/m 9 augustus organiseert het Van der Waals-Zeeman laboratorium van de Universiteit van Amsterdam de 15e International Conference on Atomic Physics. Inlichtingen: 020 5256334. Ter gelegenheid van honderd jaar Zeeman-effect is in Universiteitsmuseum De Agnietenkapel, Oudezijds Voorburgwal 231, een kleine tentoonstelling ingericht. T/m 13 sept, ma t/m vr 9-17u, toegang ƒ 2,50.

Augustus 1896 ontdekte Pieter Zeeman (1865-1943) in het Natuurkundig Laboratorium te Leiden dat je met een magneet een lichtbron kunt beïnvloeden: het Zeeman-effect. In het duister van werkkamer H, halverwege de begane grond aan de Steenschuur, hield hij een in keukenzout gedrenkt stuk asbest tussen de polen van een elektromagneet in een vlam. Toen hij het natriumlicht in zijn kleuren ontleedde en met een loep bekeek, zag hij twee gele spectraallijnen die zich verbreedden zodra de magneet werd ingeschakeld. De ontdekking effende de weg voor de studie van het inwendige van het atoom en leverde in 1902 Zeeman en Lorentz, die het effect met zijn elektriciteitstheorie had verklaard, een Nobelprijs op.

Zeeman was gefascineerd door licht. In de vijfde klas van de HBS observeerde hij aan de voorjaarshemel het Noorderlicht en toonde zijn natuurkundeleraar een tekening, zo belangwekkend dat het tijdschrift Nature haar afdrukte - met de complimenten voor de nauwkeurige waarnemingen van “Prof. Zeeman, in zijn observatorium te Zonnemaire”. De Zeeuwse predikantenzoon was een geboren experimentator. De vraag of het licht van een vlam verandert onder invloed van magnetisme, had hem al bezig gehouden tijdens zijn promotie-onderzoek. Er viel toen niets te zien. En daarmee bevond Zeeman zich in goed gezelschap. Ook Michael Faraday, de grootste experimentator van de negentiende eeuw, had op het eind van zijn leven tevergeefs naar een magnetische invloed op een lichtgevende vlam gezocht. Zijn laatste dagboeknotitie van 12 maart 1862: “Not the slightest effect on the polarized or unpolarized ray was observed.” Faraday faalde om dezelfde reden als Zeeman: een ontoereikend instrumentarium. Om het effect te kunnen waarnemen, moest het licht, sterker dan op dat moment mogelijk was, in zijn samenstellende kleuren (spectraallijnen) worden gesplitst. De gebruikte prisma's en tralies (plaatjes zuiver glas waarin met een diamanten spits een serie evenwijdige krassen was getrokken) hadden een te gering oplossend vermogen.

Niet bekend

Kruitschip

Met die 'uitstekende hulpmiddelen' doelde hij vooral op het tralie van Rowland dat het Leidse laboratorium pas had aangeschaft. Dat was een holle metalen spiegel met een kromtestraal van 10 Engelse voeten waarop 14.438 krassen per inch waren getrokken, elk 5 cm lang en op precies gelijke afstanden.

Toen Zeeman zijn effect vond, zat Kamerlingh Onnes in Zwitserland. De hoogleraar-directeur bezat een zwakke gezondheid en benutte de augustusmaand traditiegetrouw om in de Alpen op adem te komen. Dat Zeeman bij zijn hernieuwde poging juist de vakantie koos, is geen toeval. Het resultaat van zijn proeven liet zich niet voorspellen en Kamerlingh Onnes hield niet van 'vrij' onderzoek dat lopende, op goede gronden ondernomen meetprogramma's in gevaar kon brengen. Bovendien lag Onnes' hart niet bij magneto-optisch onderzoek, maar bij thermodynamische metingen bij lage temperatuur. En juist daar speelde een crisis omdat op last van het Leidse gemeentebestuur, dat zich herinnerde dat op steenworpafstand van het laboratorium eens een kruitschip lag afgemeerd, het koude-onderzoek vanwege de aanwezigheid van 'ontplofbare toestellen' stil lag. Pas in 1898 zou de Raad van State de ban opheffen.

Kamerlingh Onnes kwam niet eerder dan vrijdag 30 oktober in werkkamer H poolshoogte nemen. Dat was de dag voor hij in Amsterdam, op een bijeenkomst van de Akademie van Wetenschappen, namens Zeeman er de eerste mededeling over zou doen. Over die mededeling zou J.D. van der Waals Jr. ter gelegenheid van Zeemans emeritaat opmerken dat de lezer de indruk krijgt “dat niet de experimentator zelf aan het woord is, maar een enigszins onwelwillend criticus, die er niet zozeer op uit is, de proeven op hun juiste waarde te schatten, en er de gevolgen van na te gaan, dan wel zich in geen geval zich iets op de mouw te laten spelden.”

En inderdaad: Zeeman was de eerste om toe te geven dat ook dichtheids- en temperatuurveranderingen in de vlam de verbreding van de natriumlijnen konden hebben veroorzaakt: het aanzetten van de Ruhmkorffmagneet, die 30 ampère trok en 10.000 gauss haalde (het aardmagnetische veld heeft een sterkte van 0,47 gauss), beïnvloedde de vorm van de lichtgevende vlam zichtbaar. Er volgde een periode van moeizaam experimenteren met watergekoelde porseleinen buisjes waarin stukjes natrium werden verhit. Met vallen en opstaan wist Zeeman zijn proef te perfectioneren en gaandeweg werd duidelijk dat van een toevallige mismeting geen sprake kon zijn.

Lorentz, bij wie Zeeman in 1890 assistent was geweest, hoorde van het effect tijdens de Akademiezitting van zaterdag 1 november. Direct zag hij in dat zijn elektriciteitstheorie een verklaring bood. Die gaf een beschrijving van de wisselwerking tussen trillende geladen deeltjes binnen het atoom (die Lorentz hardnekkig 'ionen' noemde, later bleek het om elektronen te gaan) en het door het atoom uitgezonden licht. Toen Zeeman zijn leermeester kort daarop opzocht, was de conclusie dat zo'n 'ion' in het magnetische veld een extra kracht voelde die een verandering in trillingstijd met zich meebracht. Experimenteel uitte dit zich in verbreding van de natriumlijnen, nauwkeuriger observatie bracht splitsing aan het licht.

Naast de splitsing voorspelde Lorentz dat licht afkomstig van de randen van de verbrede lijn gepolariseerd moest zijn. Uit Zeemans aantekenboekjes, bewaard in het Rijksarchief in Noord-Holland, blijkt dat hij vanaf 10 november voorbereidingen trof om ook dat effect aan te tonen. Op 23 november slaagde hij. De volgende morgen kwam Lorentz kijken, die, zo noteert Zeeman in zijn philosophisch dagboek, de proef “een meevaller” noemt en “een direct bewijs voor 't bestaan van ionen”. De zaterdag daarop volgde deel II van de mededeling aan de Akademie, opnieuw namens Kamerlingh Onnes.

Waarom niet namens Lorentz? Waarom was Lorentz geen mede-auteur? Een mogelijke verklaring is dat het Zeeman-effect, toegepast op Lorentz' elektriciteitstheorie, een 'ion'-massa (of -lading) opleverde die hem slecht uitkwam. Uit de verbreding van de natriumlijnen, bij een magnetisch veld van 10.000 gauss door Zeeman vastgesteld op 1/40ste van hun onderlinge afstand, volgde een verhouding tussen de lading e en de massa m van het 'ion' ter grootte van 10 miljoen - voor een eerste bepaling niet slecht. Een overhaaste analyse van polarisatiemetingen wees uit dat het om positieve deeltjes ging, een fout die Zeeman enkele maanden later zou herstellen. Eind 1896, toen de 'ionen' nog niet als elektronen waren geïdentificeerd, betekende Zeemans uitkomst van e/m òf een absurd kleine massa, òf een absurd grote lading. Lorentz had moeite met dit onverwacht grote getal: het kon zijn theorie van de atoombouw in moeilijkheden brengen.

Duivelskunstenaar

Intussen was Zeeman tot lector benoemd in Amsterdam. Op het laboratorium van Van der Waals aan de Plantage Muidergracht moest Zeeman zich tevreden stellen met een opstelling op een bovenverdieping die allesbehalve trillingsvrij was. Ook had hij er geen tralie van Rowland, zoals in Leiden. Daarom reisde hij begin 1897 naar Groningen om in het laboratorium van Haga tot een nauwkeuriger bepaling van e/m te komen: 17,8 miljoen. Pas in 1923 kwam er een bescheiden nieuw laboratorium, naast het oude, dat wel aan de eisen voldeed. Toch wist Zeeman, door gebruik te maken van de indigo cadmiumlijn, als eerste experimenteel aan de tonen dat de lijnverbreding in werkelijkheid lijnsplitsing is, afhankelijk van de kijkrichting in tweeën (doubletten) of drieën (tripletten). Alles in overeenstemming met de theorie van Lorentz, waar Zeeman zeer aan hechtte. Waargenomen afwijkingen schreef hij liever toe aan storende invloeden dan er fundamentele ontdekkingen in te herkennen: een duidelijk geval van de wet van de remmende voorsprong.

Maar die ene keer, toen hij zich in zijn vermoeden had vastgebeten en zich een experimenteel duivelskunstenaar had betoond, was voldoende voor een plaats in het pantheon van de natuurkunde. Geen ontdekking zonder monument. Een kwart eeuw Zeeman-effect leverde in Amsterdam een metalen gedenkraam op en in Leiden, ter plaatse van werkkamer H, een Jugendstil glas-in-lood drieluik. Het Zeemanlaboratorium is in 1991 gesloten, het roemruchte Kamerlingh Onnes laboratorium zal komend voorjaar volgen. Het gedenkraam is gered, gaarne zuinig zijn op het glas.

Met dank aan prof.dr. P.F.A. Klinkenberg.