Pieter Zeeman war ein niederländischer Experimentalphysiker, nach dem einer der bekanntesten Effekte der Physik benannt ist. 1896 beobachtete er, dass sich das Licht, das eine Flamme aussendet, verändert, wenn man sie in ein starkes Magnetfeld bringt: Die scharfen Farblinien im Spektrum des Lichts verbreitern sich oder spalten sich in mehrere Linien auf. Dieser Zeeman-Effekt lieferte einen der ersten Hinweise darauf, dass Licht von winzigen elektrisch geladenen Teilchen im Inneren der Atome ausgesandt wird. Heute nutzen ihn Astronomen, um Magnetfelder auf der Sonne und auf fernen Sternen zu messen. Für diese Arbeit erhielt Zeeman 1902 gemeinsam mit seinem Lehrer Hendrik Antoon Lorentz den Nobelpreis für Physik. Pieter Zeeman wurde am 25. Mai 1865 in Zonnemaire auf der Insel Schouwen-Duiveland in der Provinz Zeeland geboren und starb am 9. Oktober 1943 in Amsterdam.
Jugend in Zeeland
Zeeman war der Sohn eines Pfarrers der niederländisch-reformierten Kirche. Er wuchs in einem kleinen Dorf auf und besuchte die höhere Schule in Zierikzee. Schon als Schüler interessierte er sich für Naturbeobachtungen. 1883, mit 18 Jahren, sah er ein Polarlicht, das in den Niederlanden selten zu sehen ist, und schickte eine Beschreibung mit Zeichnung an die britische Fachzeitschrift Nature, die sie veröffentlichte. Um die für ein Universitätsstudium nötigen alten Sprachen zu lernen, ging er anschließend nach Delft, wo er Unterricht bei einem Gymnasiallehrer nahm und in dessen Haus den jungen Heike Kamerlingh Onnes kennenlernte.
Studium in Leiden
1885 begann Zeeman an der Universität Leiden Physik zu studieren. Leiden war damals eines der führenden Zentren der Physik in Europa. Dort lehrten Hendrik Antoon Lorentz, einer der großen theoretischen Physiker seiner Zeit, und Heike Kamerlingh Onnes, der später das Helium verflüssigte und die Supraleitung entdeckte. Zeeman wurde Assistent bei Lorentz und arbeitete im Labor von Kamerlingh Onnes. 1893 wurde er mit einer Arbeit über den sogenannten Kerr-Effekt promoviert, also über die Frage, wie sich Licht verändert, wenn es an einer magnetisierten Oberfläche reflektiert wird. Anschließend verbrachte er einige Zeit in Straßburg und kehrte dann als Privatdozent nach Leiden zurück.
Zeeman heiratete 1895 Johanna Elisabeth Lebret. Das Paar bekam vier Kinder.
Die Entdeckung von 1896
Um zu verstehen, was Zeeman entdeckte, hilft ein Blick auf das Licht einer Flamme. Streut man Kochsalz in eine Gasflamme, leuchtet sie gelb. Zerlegt man dieses Licht mit einem Prisma oder einem optischen Gitter in seine Farben, so sieht man kein durchgehendes Farbband, sondern wenige scharfe Linien an ganz bestimmten Stellen. Jedes chemische Element hat ein eigenes Muster solcher Spektrallinien, wie einen Fingerabdruck. Beim Natrium aus dem Kochsalz sind es vor allem zwei eng benachbarte gelbe Linien.
Schon Michael Faraday hatte vermutet, dass ein Magnetfeld diese Linien beeinflussen könnte, fand mit seinen Mitteln aber nichts. Zeeman wiederholte den Versuch im Sommer 1896 mit einem starken Elektromagneten und einem sehr feinen Beugungsgitter, das Spektrallinien extrem genau trennen konnte. Als er den Magneten einschaltete, wurden die Natriumlinien merklich breiter. Schaltete er ihn ab, wurden sie wieder schmal. Eine Erwärmung der Flamme oder andere Störungen schloss er durch sorgfältige Kontrollversuche aus.
Über die Umstände der Entdeckung wird eine Anekdote erzählt, deren Einzelheiten unsicher sind: Kamerlingh Onnes soll Zeeman die Fortsetzung der Versuche untersagt haben, und Zeeman soll sie trotzdem durchgeführt haben. Belegt ist, dass er die Ergebnisse im Herbst 1896 der Königlichen Akademie der Wissenschaften in Amsterdam vorlegte.
Lorentz und das Elektron
Lorentz erkannte sofort die Tragweite der Beobachtung. Er hatte eine Theorie entwickelt, nach der Licht von kleinen geladenen Teilchen erzeugt wird, die in den Atomen schwingen. Ein Magnetfeld müsste deren Bewegung verändern, und das ausgesandte Licht müsste sich dadurch in drei Linien aufspalten, die zudem auf bestimmte Weise polarisiert sein sollten. Zeeman konnte diese Vorhersagen mit verbesserten Messungen, unter anderem an Cadmium, bestätigen.
Aus der Stärke der Aufspaltung ließ sich außerdem berechnen, wie groß das Verhältnis von Ladung zu Masse dieser schwingenden Teilchen ist. Das Ergebnis zeigte, dass die Teilchen negativ geladen und etwa tausendmal leichter als ein Wasserstoffatom sein mussten. Wenige Monate später, 1897, ermittelte der Brite Joseph John Thomson an Kathodenstrahlen einen ganz ähnlichen Wert und gilt seither als Entdecker des Elektrons. Der Zeeman-Effekt war damit einer der frühesten Hinweise darauf, dass Elektronen Bestandteile der Atome sind.
Der Nobelpreis
1902 erhielten Lorentz und Zeeman gemeinsam den Nobelpreis für Physik. Es war erst die zweite Vergabe des Preises überhaupt. Die Schwedische Akademie würdigte sinngemäß die außerordentlichen Verdienste, die sie sich durch ihre Untersuchungen über den Einfluss des Magnetismus auf Strahlungserscheinungen erworben hatten. Damit wurden Theorie und Experiment gleichermaßen ausgezeichnet, ein Lehrer und sein früherer Assistent.
Der anomale Zeeman-Effekt
Bald zeigte sich allerdings, dass die Sache komplizierter war. Bei vielen Spektrallinien spaltete das Magnetfeld das Licht nicht in drei, sondern in vier, sechs oder noch mehr Linien auf. Dieser sogenannte anomale Zeeman-Effekt passte nicht zu Lorentz‘ Theorie und blieb jahrzehntelang ein Rätsel. Erst die Quantenmechanik und die Entdeckung des Elektronenspins Mitte der 1920er Jahre konnten ihn erklären. Der Effekt, den Zeeman 1896 gefunden hatte, wurde so zu einem wichtigen Prüfstein für die neue Atomphysik.
Professor in Amsterdam
1897 wechselte Zeeman an die Universität Amsterdam, wo er 1900 zum Professor ernannt wurde. Nach mehreren Jahren in beengten Räumen erhielt er 1923 ein neues Laboratorium, das besonders erschütterungsfrei gebaut war, um empfindliche optische Messungen zu ermöglichen. Es wird heute nach ihm benannt. Neben der Spektroskopie untersuchte Zeeman die Ausbreitung von Licht in bewegtem Wasser und bestätigte damit Vorhersagen, die mit der Relativitätstheorie in Einklang standen.
Zeeman wurde Mitglied zahlreicher wissenschaftlicher Akademien und erhielt viele Ehrungen. 1935 wurde er emeritiert. Er starb im Oktober 1943 in Amsterdam, während die Niederlande von deutschen Truppen besetzt waren.
Der Effekt in der Astronomie
Seine größte praktische Bedeutung entfaltete der Zeeman-Effekt in der Astronomie. 1908 nutzte der amerikanische Astronom George Ellery Hale ihn, um nachzuweisen, dass Sonnenflecken starke Magnetfelder besitzen. Seitdem messen Forschende mit dieser Methode Magnetfelder auf der Sonne, auf anderen Sternen und in interstellaren Gaswolken. Auch in Laboren und in der Medizintechnik spielt der Effekt eine Rolle, etwa bei bestimmten Verfahren der Atomabsorptionsspektroskopie, mit denen sich Spuren von Metallen in Proben bestimmen lassen.
Das Prinzip dahinter lässt sich vereinfacht so beschreiben: Ein Magnetfeld verschiebt die Energie bestimmter Zustände der Elektronen in einem Atom ein wenig nach oben oder unten. Weil die Farbe des ausgesandten Lichts von diesen Energien abhängt, entstehen statt einer Linie mehrere eng benachbarte Linien. Je stärker das Magnetfeld ist, desto weiter liegen sie auseinander. Misst man den Abstand, kennt man die Stärke des Feldes, und zwar auch dann, wenn die Lichtquelle Millionen Kilometer oder sogar Lichtjahre entfernt ist. Auch die Kernspinresonanz, die Grundlage der Magnetresonanztomographie in Krankenhäusern, beruht auf einem eng verwandten Prinzip, bei dem allerdings die magnetischen Eigenschaften von Atomkernen statt von Elektronen genutzt werden.
Einordnung
Pieter Zeeman war kein Theoretiker, sondern ein sorgfältiger Experimentator, der dort genauer hinsah, wo andere aufgegeben hatten. Seine Beobachtung einer scheinbar winzigen Verbreiterung von Spektrallinien öffnete einen Weg in das Innere der Atome. Wenn Sie heute lesen, dass das Magnetfeld eines fernen Sterns gemessen wurde, steckt meist sein Effekt dahinter.
Stand: 29.10.2026