Alfred Landé

Alfred Landé (født 13. desember 1888 i Elberfeld i Rheinland, død 30. oktober 1976 i Columbus, Ohio) var en tysk-amerikansk fysiker. Han arbeidet med atomfysikk i Tyskland i tiden under og etter første verdenskrig og gjorde seg bemerket for sine bidrag til forklaringen av den anomale Zeeman-effekten ved innføringen av Landés g-faktor. Dette la grunnlaget for oppdagelsen av det kvantemekaniske spinnet til elektronet og Paulis eksklusjonsprinsipp i kvantemekanikken.

Biografi
Etter en oppvekst preget av interesse i musikk og naturvitenskap, begynte han i 1908 å studere fysikk ved universitetet i Marburg. Bare etter et par semester der fortsatte han i München som på den tiden hadde en ledende posisjon i fysikk under ledelse av Wilhelm Röntgen og Arnold Sommerfeld. Disse studiene ble fortsatt i Göttingen hvor han bestemte seg for å konsentrere seg om teoretisk fysikk etter å ha fulgt forelesninger av den nyansatte Max Born. I 1913 begynte han der som «Hauslehrer» i fysikk for den berømte matematiker David Hilbert og kom dermed godt i kontakt med det akademiske liv i denne universitetsbyen. Året etter mottok han sin doktorgrad etter å ha skrevet en avhandling under Sommerfelds veiledning.

Ved utbruddet av første verdenskrig i 1914 ble han knyttet til Røde Kors-tjeneste ved Østfronten. Senere lyktes han å bli  overført til en militær «Artillerieprüfungskommission» i Berlin hvor Born var stasjonert etter å ha blitt ansatt ved universitetet der. Dermed kunne han til en viss grad også følge opp sin interesse for mer teoretisk fysikk. 

Etter krigens slutt i 1919 fikk han en stilling ved den progressive Odenwaldschule for jenter og gutter utenfor Frankfurt hvor han underviste i matematikk og musikk. Samtidig hadde Born blitt ansatt ved universitetet i Frankfurt hvor Landé gjennomførte sin Habilitation. Han fikk dermed tillatelse til å forelese der som «Privatdozent», noe som han gjorde en gang i uken. Men dette ga han så lite inntekt at han beholdt stillingen ved internatskolen.  

I denne perioden begynte han å arbeide med den anomale Zeeman-effekten og publiserte sine første resultat i 1921. To år senere utledet han et matemetisk uttrykk for g-faktoren som forklarte de fleste observasjoner av effekten og ga han stor anerkjennelse. I mellomtiden hadde han blitt utnevnt til professor «Extraordinarius» ved Universitetet i Tübingen hvor Zeeman-effekten var blitt eksperimentelt undersøkt av Friedrich Paschen og hans gruppe der.

Landé ble i Tübingen til 1929 da han ble invitert til å gi en serie med forelesninger i høstsemesteret ved Ohio State University i Columbus. Han hadde allerede da opplevd de første problemene på grunn av en voksende nazisme i Tyskland. Da han etter et nytt opphold i Columbus i 1930–1931 fikk tilbud om å bli der, aksepterte han det med glede. På denne tiden begynte flere andre akademikere med jødisk bakgrunn å finne seg arbeid i utlandet. Han hadde giftet seg i 1922 og fikk familien med seg til USA. Sin andre sønn fikk de samme år som de slo seg ned der. Landé ble amerikansk statsborger i 1937.

Tilbake i Tyskland fikk andre medlemmer av hans familie enda større vanskeligheter med nazistene. Hans far flyktet til Sveits hvor han døde, mens hans søster ble hjulpet over til USA. Han hadde en yngre bror som valgte å forbli i Tyskland, noe som medførte at han ble drept.

Under den nye fasen av sitt liv i Columbus konsentrerte Landé seg om undervisning og skriving av lærebøker. Han arbeidet stort sett alene og etter hvert stadig mer om hvordan kvantemekanikken skulle forstås og gjøres mer realistisk. Han døde der i 1976.

Vitenskapelige bidrag

Under det uformelle samarbeidet med Max Born i Berlin på slutten av første verdenskrig, hadde de kommet frem til at Bohrs atommodell med alle elektronene i ett og samme plan ikke var i overensstemmelse med hva man visste om egenskapene til fastestoffer og krystaller som var Borns spesialitet. Landé begynte dermed å undersøke modeller for atomer hvor elektronene beveget seg i lukkete ellipsebaner som kunne ligge i forskjellige plan. Det enkleste atomet av denne sorten var helium som hadde to elektroner som Bohr hadde plassert på motsatt side av hverandre i en innerste bane. Hvis de derimot beveget seg i forskjellige plan, vil dreieimpulsen til atomet bestå av en sum av to dreieimpulser pekende i forskjellige retninger. På den måten ble Landé konfrontert med oppgaven å finne ut  hvordan en slik total dreieimpuls kan bli kvantisert. Sommerfeld var også opptatt av dette spørsmålet. Arbeidet med heliumatomet lå til grunn for hans Habilitation sommeren 1919.

Gjennom året som fulgte skrev Landé en serie med arbeider om slike tredimensjonale atommodeller (Würfelatome) med spesiell tanke på egenskapene til karbon og neon. Friedrich Paschen hadde de beste målingene av spektrallinjene til neon som Landé prøvde å forklare. På den måten kom han i kontakt med denne eksperimentelle gruppen i Tübingen.

Den anomale Zeeman-effekten
Disse arbeidene interessert også Niels Bohr i København. Landé ble derfor invitert dit høsten 1920 og ble der klar over betydningen av den anomale Zeeman-effekten for forståelsen av atomet. Dette ble også understreket av Sommerfeld i et arbeid som ble publisert på samme tid. Omtrent et halvt år senere våren 1921 lyktes Landé å sammenfatte alle data for den anomale Zeeman-effekten ved å innføre en multiplikativ korreksjon til den vanlige energiformelen for et atom i et magnetfelt. Denne korreksjonen er siden blitt omtalt som Landés g-faktor. Ut fra de enkle resultatene han da hadde, kunne han forutsi størrelsen på den anomale effekten for spektrallinjer som ennå ikke var eksperimentelt undersøkt av gruppen til Paschen. Hans forutsigelser viste seg å stemme med det resultat at Landé ble tilbudt en fast stilling ved universitetet i Tübingen som han tiltrådte i 1922.

Året etter i 1923 kunne Landé presentere en modell for atomet som gjorde det mulig å utlede et generelt uttrykk for g-faktoren som en funksjon av kvantetallene til en atomær tilstand. Denne kalles en Rumpfmodell som best kan oversettes med en atomær «restmodell» da Rumpf betegner resten av atomet når man ser bort fra ett eller flere valenselektronet som er ansvarlige for utsendelse av lys og kobling til magnetfeltet. En slik «atomrest» består da av atomkjernen pluss alle elektronene i de indre atomskallene. På den tiden Landé utledet sin formel var elektronets spinn ikke kjent, men ble forsøkt forklart ved dreieimpulsen til dette restatomet. Den totale dreieimpulsen til atomet består da av summen av dreieimpulsen til atomresten og valenselektronene. Landé karakteriserte dens størrelse med det indre kvantetallet j  til Sommerfeld. Hvordan dreieimpulser skulle adderes kjente han fra sine tidligere arbeider i forbindelse med heliumatomet. Denne atommodellen blir derfor også omtalt som Landés vektormodell og benyttes fremdeles for å visualisere en mer korrekt kvantemekanisk beskrivelse av atomet. 

I denne modellen vil bevegelsen til valenselektrone skape et indre magnetfelt i atomet som virker på spinnet til atomresten. Dette gir opphav til en spinn-banekobling som Landé viste ga en oppsplitting av energinivåene  på en regelmessig måte som i dag kalles  Landés intervallregell og som kan påvises i mange atomer. Det er denne indre oppsplittingen som kompliserer den videre oppsplittingen som skyldes et ytre magnetfelt og gir den anomale Zeeman-effekten.

Resultatene til  Landé vakte stor oppmerksomhet og var grunnlaget for  at Wolfgang Pauli i 1924 kunne formulere eksklusjonsprinsippet. I 1925 ble det klart at spinnet til atomresten i virkeligheten var et egenspinn til hvert enkelt elektron. Samme året formulerte Werner Heisenberg den nye kvantemekanikken som åpnet opp for moderne atomfysikk. Det viste seg at Landé ikke kunne bidra mer av like stor betydning til den videre utvikling av dette feltet.

Referanser

Litteratur
 J. Mehra and H. Rechenberg, The Historical Development of Quantum Theory, Springer-Verlag, New York (1982). ISBN 0-387-95174-1.
 P. Forman, Alfred Landé and the anomalous Zeeman Effect, 1919-1921,  Historical Studies in the Physical Sciences 2, 153–261 (1970).

Eksterne lenker
 American Institute of Physics,  Alfred Landé, Oral History interview (1962).
 A.O. Barut, Alfred Landé 1888-1976, biografi, Goethe-Universität, Frankfurt am Main.

Personer fra Wuppertal
Tyske fysikere
Fysikere fra USA
Tyskere fra første verdenskrig
Tyske migranter til USA