Logo DBNL
De Vlaamsche Gids. Jaargang 5 (1909)

De Vlaamsche Gids. Jaargang 5

(1909)– [tijdschrift] Vlaamsche Gids, De–rechtenstatus Gedeeltelijk auteursrechtelijk beschermd

Vorige Volgende

Een Blik op de geschiedenis der verdichting der permanente gassen.

Niet zonder trots hebben wij Vlamingen vernomen, dat de grootste gebeurtenis die zich sedert verscheidene jaren op het gebied der Natuurkunde heeft voorgedaan, nl. de vloeibaarmaking van het helium, geschied is op Nederlandschen bodem. Maar onwillekeurig drong zich daarbij aan onzen geest de bedroevende, en voor ons beschamende vergelijking op, tusschen den toestand der kultuur in Nederland en in Vlaanderen. Daar, de Nederlandsche gedachte, vrij van elken dwang, zegepraal op zegepraal vierend, ontwikkeld tot een trap van bloei welke voor dien van geen ander volk achteruit moet staan; - hier, onmogelijkheid voor onze jeugd zich naar eigen aard te ontwikkelen; de Fransche beschaving slaafsch nagevolgd en vergood, de Vlaamsche intellektueelen strijdend tegen onwil en bekrompenheid omhoog, tegen onwetende onverschilligheid omlaag. Maar juist daarom doet elke overwinning der Nederlandsche wetenschap ons Vlamingen goed aan 't harte. Want zóo wordt aan Vlaamsch-België door voorbeelden bewezen, hoe mannen die in het Nederlandsch zijn opgeleid geworden, die in het Nederlandsch hebben gedacht en om zoo te zeggen geleefd, zich even hoog hebben kunnen verheffen en evenveel hebben tot stand gebracht als de uitstekendste geleerden der groote kultuurvolkeren van Europa. En aldus wordt het zoo vaak tegen ons uitgebaat, en ongelukkig in België nog zeer verspreid vooroordeel, als zou onze taal onbruikbaar zijn als een werktuig van beschaving, vernietigd. Zoo zal het laatste wapen worden verbrijzeld in de handen van hen, die ons weigeren hooger onderwijs in eigen taal. En wanneer een Nederlandsche Hoogeschool in Vlaamsch-België zal verrezen zijn, dan zullen wij dankbaar gedenken, dat wij ze niet zouden hebben

bekomen indien we niet waren gerugsteund geweest door het werk der Nederlandsche geleerden(1).

De verdichting tot een vloeistof van het heliumgas is de vrucht geweest van een langen en onverpoosden voorarbeid, die sedert tal van jaren ondernomen werd en met taaie volharding is doorgezet geworden door een hoogleeraar der Leidsche Universiteit, Hendrik Kamerlingh Onnes. Nadat, sedert de ontdekking van dat gas, verschillende experimentatoren vruchtelooze pogingen hadden aangewend om het tot den vloeibaren toestand te herleiden, heeft eindelijk het wederspannig element voor de stelselmatige aanvallen van Kamerlingh Onnes moeten zwichten. Deze overwinning, die niet het gevolg is geweest van een gelukkig toeval, maar van wel uitgeplande en systematisch voortschrijdende proeven, zal de roem blijven van het door Kamerlingh Onnes gestichte kryogeen laboratorium van Leiden.

Het overvoeren van ammoniakgas in den vloeibaren toestand, door Van Marum in 1799, was de aanvang van een reeks bewerkingen van denzelfden aard, die zich in het tijdvak eener eeuw over alle bekende gassen zou uitstrekken. Van Marum verdichtte het ammoniakgas bij gewone temperatuur, door bloote samendrukking. Kort daarop verdichtten Fourcroy en Vauquelin hetzelfde gas onder gewonen druk, door eenvoudige afkoeling. Er openbaarden zich dus aan de natuurkundigen twee wegen, waarlangs de vloeibaarmaking van gassen te bereiken was: aan de eene zijde, het gas aan een genoegzaam hooge drukking te onderwerpen; aan de andere, het te brengen op een voldoende lage temperatuur. En het scheen aldus, dat ieder dezer twee wegen afzonderlijk tot het doel kon voeren. Het was verder een zeer natuurlijke overweging, dat het voordeelig moest wezen, beide methoden gelijktijdig toe te passen; en proefnemingen in die richting bleven ook niet lang uit. Michael Faraday, die in 1823 de eerste reeks stelselmatige onderzoekingen op het gebied der vloeibaarmaking van gassen begon, waarop in 1845 een andere reeks volgde, slaagde er op die wijze in, chloor, zwaveligzuur, koolzuur en meer andere gassen te verdichten, en er zelfs door nog verdere afkoeling een zeker aantal in den vasten toestand te doen overgaan.

De groote koude, welke voor het slagen van dergelijke bewerkingen vereischt was, werd te dien tijde door middel van afkoelende mengsels verkregen. Men weet wat daaronder wordt verstaan; iedereen kent het mengsel van keukenzout en ijs, dat in het dagelijksch leven vaak zijn toepassing vindt. Wanneer genoemde stoffen samengevoegd worden, dan smelten ze beide, en men bekomt een vloeistof die kouder is dan haar oorspronkelijke bestanddeelen. Meer andere dergelijke mengsels zijn bekend, die als min of meer werkzame koelbaden kunnen dienst doen. En het koudste mengsel, dat ten tijde van Faradays proeven, en zelfs nog jaren later, bekend was, was dat van vast koolzuur en ethylaether (mengsel van Thilorier), dat, wanneer men het onder de klok der luchtpomp een snelle verdamping deed ondergaan, de reeds buitengewoon lage temperatuur van - 110°C. bereikte.

Afkoeling zijner gassen tot op dezen koudegraad, en gelijktijdige samenpersing tot op 50 atmosferen, waren de middelen, door

Faraday in zijn tweede reeks onderzoekingen gebruikt. In deze voorwaarden boden waterstof, zuurstof, stikstof, kooloxiede, stikoxiede en moerasgas (methaan) weerstand aan elke poging tot verdichting. Krachtigere middelen dienden dus op deze zes gassen aangewend; doch men had spoedig met onoverkomelijke moeilijkheden te kampen. Wel kon men met behulp der hydraulische pers zeer hooge drukkingen bereiken, doch onder - 115°C. (door Natterer met vloeibaar en vast stikoxyduul bekomen) wist men de temperatuur niet te doen dalen. Het bestaan dezer grens aan de laagste beschikbare temperaturen, was een groot euvel, waarin men trachtte te voorzien door verhooging van de drukking, daarbij uitgaande van de meening, dat beide wegen ter bereiking van den vloeibaren toestand der gassen even doelmatig waren.

Zeer spoedig ondervond men, dat men zich daarin waarschijnlijk vergiste, ofwel dat er gassen bestonden, die in geen voorwaarden de vloeibare gedaante konden aannemen. Inderdaad deed J. Natterer reeds in 1845 blijken, dat drukkingen, klimmende tot verscheidene duizendtallen van atmosferen (3600 atm.), geen de minste verdichting der voornoemde gassen voor gevolg hadden, ofschoon hun soortelijk gewicht (dat van waterstof uitgezonderd) daarbij veel grooter werd dan het soortelijk gewicht van gewoon water. Alhoewel Faraday geneigd was, zulks toe te schrijven aan de ontoereikendheid der afkoeling (en aldus had Faraday een voorgevoel van hetgeen later de kritische toestand is genoemd geworden), besloten de natuurkundigen bijna eenparig uit deze feiten, dat sommige gassen als vloeistoffen volstrekt onbestaanbaar zijn. De gassen werden dienvolgens in koërciebele en permanente ingedeeld. Als permanent golden de zes hoogervermelde.

In 1869 echter toonde Andrews aan, dat koolzuurgas, boven de temperatuur 31°C., zich niet laat verdichten, hoe hoog men de drukking ook opvoere; maar wanneer het gas tot beneden 31°C. is afgekoeld, is er steeds een waarde te vinden voor de drukking, waarbij het in den vloeibaren toestand overgaat. Deze temperatuur van 31°C. noemde Andrews de kritische temperatuur van koolzuur. Ziedaar dus een niet-permanent gas, dat zich boven een gewisse temperatuur als een permanent gas gedraagt. Er was maar éen stap noodig,

om deze gevolgtrekking op andere stoffen uit te breiden; en weldra was voor een aantal gassen en dampen aangetoond, dat zij boven zekere - kritische - temperaturen, uitsluitend den gasvormigen toestand aannemen. En weldra verhief de ervaring het tot een algemeenen regel, dat elke stof haar kritische temperatuur bezit, of liever dat er voor iedere stof een welbepaalde toestand - de kritische toestand - bestaat, in denwelken vloeistof en damp zich, bij gelijkheid van temperatuur, druk, en ook dichtheid, met elkander in evenwicht bevinden. Om den kritischen toestand te kenschetsen, zijn derhalve drie grootheden aan te geven: de kritische temperatuur, de kritische drukking en de kritische dichtheid.

Bevindt zich dus een gas boven zijn kritische temperatuur, en perst men het eenvoudig samen, dan zal het weliswaar een hoog soortelijk gewicht kunnen aannemen, zoodanig dat het dichter wordt dan de vloeistof die het in andere omstandigheden levert; zijn viskositeit kan daarbij ook zeer groot worden; doch het zal toch steeds een gas blijven, d.w.z. een lichaam, begaafd met al de grondeigenschappen der gewone gassen: onmogelijkheid van het bestaan eener vrije oppervlakte; onbeperkte uitzetting bij vermindering van druk of bij verhooging van temperatuur; en, in geval van een mengsel, gelijkmatige diffusie volgens de wet van Dalton, die leert dat ieder gas van het mengsel geheel de beschikbare ruimte inneemt, alsof het alleen aanwezig was.

Het kritisch punt van ammoniakgas ligt bij 131°C., hetgeen verklaart hoe Van Marum dit bij de gewone temperatuur door samendrukking kon verdichten. Maar de kritische temperatuur van waterstof is later gebleken - 238°C. te zijn, zoodat alle pogingen tot verdichting bij - 110°C. onvermijdelijk moesten falen.

De ontdekking van Andrews bewees, hoe verkeerd het was te gelooven, dat drukverhooging en afkoeling even zeker tot de vloeibaarmaking der gassen moeten leiden. Het bleek nu, dat afkoeling de hoofdfaktor is; dat eerst de temperatuur van het gas beneden het kritisch punt moet gebracht worden, en dat alsdan de aan te wenden druk nog slechts afhangt van den graad der afkoeling. En van dat oogenblik af ging het vraagstuk van de vloeibaarmaking der permanente gassen parallel loopen met het vraagstuk der bereiking van lagere en

lagere temperaturen. In dit laatste problema gingen de theoretische moeilijkheden en de hinderpalen der praktische oplossing zich voortaan verschuilen.

Inmiddels was aangetoond geworden, dat wanneer een samengeperst gas van zijn drukking wordt bevrijd, zijn uitzetting over 't algemeen gepaard gaat met een daling zijner temperatuur. Geschiedt de ontspanning van het gas zonder dat het uitwendigen arbeid (b.v. het voortstuwen van een belasten zuiger, als in de stoomwerktuigen) verricht, dan draagt deze afkoeling den naam van Joule-Kelvineffekt.

Dit gaf derhalve een middel aan de hand, om een gas verder af te koelen dan doenlijk was met een koudmakend mengsel, en op deze wijze mocht men hopen, beneden de kritische temperaturen der permanente gassen te dalen.

De afkoeling van gassen beneden - 110°C. door toepassing van het Joule-Kelvineffekt, geschiedde voor de eerste maal in 1877. Gelijktijdig deden zulks L. Cailletet en Raoul Pictet. De eerste gebruikte een zeer eenvoudige methode, waarin het gas, eerst samengedrukt en al of niet door middel van een koudmakend mengsel afgekoeld, zich plotseling ontspande. Hij slaagde er in, op die wijze in methaan, kooloxiede, zuurstof, stikstof en lucht een min of meer dikken nevel te doen ontstaan, en bemerkte zelfs een vloeibaren aanslag op de wanden van de buis, waarin deze nevel zich vormde(1). Pictet bekwam een dunnen straal vloeibare zuurstof. Hij arbeidde met een methode, die heden nog wordt toegepast in de meeste processen van gassenverdichting. De voorafgaandelijke afkoeling der te verdichten zuurstof werd niet met een koelmengsel verkregen, doch met behulp van achtereenvolgens vloeibaargemaakte gassen, die onder gereduceerden druk werden verdampt. Zoo liet men in de eerste plaats vloeibaar zwaveligzuur koken, waarbij de temperatuur op - 70°C. daalde; en de aldus veroorzaakte koude werd tot de vloeibaarmaking van koolzuurgas benuttigd, terwijl de ontsnappende damp van het kokende zwaveligzuur gedurig opnieuw werd verdicht. Het vloeibaar koolzuur werd op zijn beurt verdampt, en deed de temperatuur tot op - 130°C. zinken; zoo werd de te verdichten zuurstof tot op deze temperatuur afgekoeld,

terwijl het verdampte koolzuur immer weer door middel van vloeibaar zwaveligzuur tot vloeistof werd herschapen. De ontspanning der tot op - 130°C. afgekoelde zuurstof verwekte vervolgens het verdere dalen der temperatuur van dit gas, totdat het zich eindelijk ver genoeg beneden het kritisch punt bevond en vloeibaar werd. Er waren dus in de methode van Pictet twee kringloopen voorhanden, de eene van zwaveligzuur, de andere van koolzuur, waardoor de noodige afkoeling trapsgewijze werd verkregen; en van daar de naam van kaskademethode, waarmede deze arbeidswijze later is bestempeld geworden.

Het was bij de proeven van Cailletet en Pictet weliswaar niet mogelijk, aanmerkelijke hoeveelheden vloeistof te bekomen, noch de gevormde vloeistof eenigen tijd te behouden en te bestudeeren; doch uit een principieel oogpunt waren deze proeven van groot gewicht, daar zij het bestaan van volstrekt permanente gassen uiterst twijfelachtig maakten.

Doch voor verschillende doeleinden was het noodzakelijk, eenigszins groote hoeveelheden vloeistof gedurende een min of meer langen tijd te kunnen behandelen. Aan de taak, zulks te verwezenlijken, spanden zich vooral Pictet, Kamerlingh Onnes, Wroblewski en Olszewski(1) met goed gevolg. Doch de kaskademethode werd in dat opzicht weldra ver overtroffen door een door Linde (en ook onafhankelijk van dezen door Hampson) in 1895 uitgedachte methode, welke op het reeds vermelde beginsel van Joule-Kelvin is gesteund. De voor de vloeibaarmaking vereischte afkoeling wordt uitsluitend door herhaalde ontspanning van het voorafgaandelijk sterk saamgeperste gas verkregen. In de machine van Linde wordt een hoeveelheid droge lucht in een kompressor gezogen, tot op ca. 200 atmosferen saamgeperst, door een slang geleid en daarna tot op ongeveer 16 atmosferen ontspannen. De hierdoor bewerkte afkoeling reikt natuurlijk voor de verdichting der lucht niet toe; doch de aldus gewonnen koude lucht stroomt langs een tweede slang, die de eerste omgeeft, naar den kompressor terug, en koelt aldus een nieuwe hoeveelheid lucht, die middelerwijl door de eerste slang aankomt, af; zoodat deze laatste lucht zich bij haar ontspanning tot een lagere temperatuur afkoelt, dan met

de eerste hoeveelheid het geval was. Door de voortgezette werking dezer dubbele strooming geraakt de lucht eindelijk op een temperatuur waarbij ze bij de eindspanning van 16 atmosferen vloeibaar wordt(1).

Door het proces van Linde-Hampson werd het bereiden van vloeibare lucht, op groote schaal, mogelijk gemaakt. Doch het bezit van een dergelijke vloeistof ware van weinig nut geweest, indien men geen middel had bezeten om ze een aanzienlijken tijd in het laboratorium te bewaren. Een gewone beker kan daartoe niet dienen; immers de vloeistof is zoo vluchtig, dat zij snel aan het koken zou gaan. Deze moeilijkheid ontging Dewar door de uitvinding der vakuumglazen. Deze zijn glazen vaten met dubbele wanden, tusschen dewelke het luchtledige is gemaakt; de warmte der aanrakende omgeving kan de vloeistof in het vat dus niet bereiken dan langs een langen weg door het slecht geleidende glas. Ten einde verder tegen te gaan, dat de stralende warmte der omheining tot in de vloeistof dringe, is de buitenste wand der vakuumglazen verzilverd, en vormt een bijna volmaakten spiegel, die de warmtestralen weerkaatst. Met deze toestellen is het mogelijk, de vloeibare lucht aan koking te onttrekken, en ze dagen lang in een omheining te bewaren, waar de gewone temperatuur heerscht.

In deze betrekkelijk gemakkelijke bereiding en bewaring van vloeibare lucht, bezat men een middel om ontzaglijk lage temperaturen te bereiken. Evenwel gingen de grootste moeilijkheden nu eerst dagen. Want naarmate de temperatuur, die men bezit, lager wordt, wordt het verdere dalen moeilijker en moeilijker; met dien verstande, dat het proefondervindelijk veel gemakkelijker gaat, een lichaam van 0°C. tot op - 1°C. af te koelen, dan bij voorbeeld van - 200°C. tot - 201°C. En zulks vindt zijn oorsprong in den aard der dingen zelf. Er is op de temperatuurladder een punt gelegen, beneden hetwelk geen temperatuur ooit dalen kan; het wordt genoemd het absolute nulpunt en bevindt zich op onzen gewonen thermometer op 273o beneden het vriespunt van water (0°C). Temperaturen onder het absolute nulpunt zijn niet denkbaar. Deze waarheid kan, zonder behulp van een andere hypothesis dan de twee grondbeginselen der thermodynamika, bewezen

worden, en is derhalve een gevolg van gansch onze menschelijke ervaring; maar om haar beteekenis in gewone bewoordingen klaar te maken is het nog het best, zich van de kinetische theorie te bedienen. Volgens deze, zijn alle lichamen opgebouwd uit afzonderlijke uiterst kleine deeltjes, de molekulen, welke elkaar niet aanraken, doch op elkander krachten uitoefenen, die ze te zamen houden en zonder dewelke zij zich in alle richtingen zouden uiteenspreiden. De molekulen op haar beurt zijn aggregaten van weer kleinere deeltjes, de atomen, welke, volgens de huidige begrippen, zelf weer komplexen zijn, en nl. elektrisch geladen deeltjes bevatten, de z.g. elektronen. Molekulen, atomen en elektronen verkeeren in onophoudende beweging, voeren schommelingen uit van verschillenden aard. Aan deze inwendige, door onze zintuigen niet waarneembare beweging, is de temperatuur van een lichaam te danken; en hoe heftiger de innerlijke trillingen, hoe hooger de temperatuur. Een lichaam afkoelen, is dus zijn inwendige beweging stremmen; door achtereenvolgende stremmingen dier beweging brengt men het lichaam op immer lagere temperaturen; doch er bestaat een benedengrens aan die vermindering der inwendige beweging; die grens is de toestand van volstrekte rust aller molekulen, atomen en elektronen. En nu is het klaar, dat het lichaam dan een temperatuur bereikt zal hebben, beneden dewelke het niet meer dalen kan.

En men ziet, dat bij de temperatuur van het absolute nulpunt het lichaam geen warmte meer bevatten zou; want in de kinetische hypothesis is de warmtevoorraad van een lichaam niets anders dan het arbeidsvermogen van zijn inwendige beweging. En het doet zich voor, dat het uitputten van dien voorraad moeilijker wordt, naarmate hij zelf geringer is; m.a.w., het naderen tot het absolute nulpunt wordt moeilijker naarmate men er reeds dichter is bij gekomen. En dit heeft plaats op zoodanig een wijze, dat uit een oogpunt van proefondervindelijke moeilijkheden, het niet achtereenvolgende dalingen van een zelfde aantal graden op den thermometer zijn, die als even moeilijk moeten worden beschouwd, maar wel verlagingen der temperatuur in dezelfde verhouding. En hieruit is het klaar, dat we in het laboratorium nooit het absolute nulpunt kunnen bereiken(1).

En dáar lag voortaan de moeilijkheid der taak om de laatste permanente gassen te verdichten. Drie bleven er nog weerstaan na de ontdekking en in praktijk stelling van het Linde-Hampson proces: het waren waterstof, fluor (dat ondertusschen door Moissan was afgezonderd) en het door Ramsay ontdekte nieuwe gas, helium.

Waterstof weigerde vloeibaar te worden zelfs bij de laagste temperaturen, welke door snelle verdamping van vloeibare lucht of van stikstof te bereiken waren (- 220°C). En de vraag rees dan, of de vloeibaarmaking van waterstof bij deze temperaturen wel in 't geheel mogelijk was door middel der tot dan toe aangewende kaskademethode. M. a.w., men moest uitmaken, of de kritische temperatuur van waterstof al dan niet boven - 220°C. was gelegen.

Om deze vraag te beantwoorden, moest de kritische temperatuur van waterstof bepaald worden zonder het gas op deze temperatuur te brengen. Zulks deden voornamelijk Wroblewski en Kamerlingh Onnes op grond van een nauwkeurige studie van het beloop der isothermen van het gas bij lage temperaturen. De isothermen zijn lijnen, waarop men afleest, hoe de dichtheid van het gas zich onder den invloed van drukveranderingen wijzigt, op een standvastig gehouden temperatuur. Is een gas zeer ver van den kritischen toestand verwijderd, dan is zijn dichtheid evenredig met de drukking waaraan men het onderwerpt bij standvastige temperatuur. Maar naarmate deze temperatuur tot de kritische nadert, wijkt het gas van die eenvoudige wet af, en de studie van deze afwijking laat toe, de kritische temperatuur bij benadering te bepalen.

De konstruktie der isothermen vergt langdurige en zorgvuldige proefnemingen. Wroblewski leidde er voor waterstof uit af, dat dezes kritische temperatuur nabij - 240°C. moest gelegen zijn, zoodat bleek, dat de kaskademethode, welke slechts een temperatuur van - 220°C. liet bereiken, niet tot de vloeibaarmaking van waterstof kon voeren. Men moest dan zijn toevlucht nemen tot de Linde-Hampson methode, met deze wijziging echter, dat het gas een vóorkoeling door middel van een uitwendig koelbad, als vloeibare lucht, onderging(1).

Prof. Kamerlingh Onnes, die zich sedert geruimen tijd met het vraagstuk bezighield, had het op stelselmatige wijze aangevat, en, steunende op een wet ontdekt door zijn landgenoot J.D. van der Waals, onderzocht hij de proefondervindelijke voorwaarden, waarin met goed gevolg waterstof verdicht zou kunnen worden. Middelerwijl was Dewar hem in 1898 met de vloeibaarmaking voor(1). Dezo natuurkundige perste het gas tot op 180 atmosferen samen, koelde het door middel van kokende vloeibare lucht tot op - 205°C. af, en liet het zich dan in een op - 200°C. afgekoeld vakuumglas ontspannen, op welke wijze hij 20 cm3 vloeibare waterstof verkreeg. Na hem bekwamen achtereenvolgens M.W. Travers en Olszewski grootere hoeveelheden vloeistof, en in 1907 werd door Kamerlingh Onnes een inrichting bekend gemaakt, welke, immer met behulp der voornoemde methode, aanzienlijke hoeveelheden vloeibare waterstof leverde (3 tot 4 liter per uur).

Bij den aanvang dezer eeuw, nadat in 1897 ook fluor door Dewar en Moissan tot vloeistof was gemaakt geworden, bleef nog enkel helium over als de laatste vertegenwoordiger van de groep der permanente gassen. En een oogenblik kon men geneigd zijn te gelooven, dat het nooit gelukken zou dit gas, dat zich in andere opzichten reeds van zijn aanverwanten onderscheidde, te verdichten. Immers hadden Olszewski (1895), Dewar (1898), Travers en Jaquerod (1902) zijn vloeibaarmaking met de machtigste hulpmiddelen vruchteloos beproefd, en kwam de eerste in 1905 verklaren, dat hij het gas tot op - 271o 3 afgekoeld had, zonder de geringste aanduiding van een overgang in den vloeibaren toestand. Volgens deze gegevens zou de kritische temperatuur van helium minder dan 2o van het absolute nulpunt verwijderd zijn!

Doch vasthoudend aan zijn oogmerk, en zich niet latende beïnvloeden door deze trouwens onnauwkeurige resultaten, zette Kamer-

lingh Onnes zijn begonnen arbeid voort, en besloot uit de studie der isothermen van het gas bij de temperaturen van 100o, - 217o, -o en - 259°C., dat de kritische temperatuur van helium op ongeveer 5o tot 6°C. boven het absolute nulpunt moest liggen. Eens in het bezit van de isothermen, en daardoor van de kritische grootheden, konden de voorwaarden worden vastgesteld, waarin de vloeibaarmaking kans had te gelukken. De wet van van der Waals, of der overeenstemmende toestanden, maakte zulks mogelijk. Volgens deze wet bieden twee ver schillende stoffen, genomen op temperaturen evenredig met haar kritische temperaturen en bij drukkingen evenredig met haar kritische drukkingen, een zoodanige gelijkenis, dat aan iedere proefneming met de eene stof een gelijkaardige proef met de andere beantwoordt. Van daar dat men dan kon voorzien door welk proces en in welken toestel het helium tot verdichting zou te brengen zijn, indien men een proces en een toestel kende, waarmede een ander eenatomig gas vloeibaar gemaakt kan worden. En zoo voerde de studie der isothermen Kamerlingh Onnes tot de overtuiging, dat het Joule-Kelvineffekt, bij de temperatuur van smeltende waterstof, een afkoeling zou bewerken, welke voldoende zou zijn om het helium door een Linde-Hampsonproces te verdichten.

Het bereiken en instandhouden van het smeltpunt van waterstof was te Leiden mogelijk, sedert dat Kamerlingh Onnes daar over groote hoeveelheden vloeibare waterstof kon beschikken. Bedoelde temperatuur werd bekomen in vier schreden, natuurlijk door de kaskademethode. De Leidsche kaskade bestaat uit de vier cyclussen chloormethyl, ethyleen, vloeibare lucht, vloeibare waterstof. Het te verdichten helium werd daardoor tot op de laagste, met vloeibare waterstof te bereiken temperatuur, afgekoeld, en vervolgens werd het op de aanvankelijke drukking van 100 atmosferen gebrachte gas aan het Linde-Hampsonproces onderworpen.

De proefnemingen boden zeer groote moeilijkheden aan. De gassen der kaskade moeten uiterst zuiver zijn, daar de geringste verontreinigingen door minder vluchtige gassen bij de aangewende temperaturen als rijp nederslaan, en de enge slangen verstoppen, aldus de kringloopen onmogelijk makend. De reinheid van het te verdichten helium dient insgelijks met de uiterste zorg verzekerd, daar zelfs de

aanwezigheid van sporen van minder vluchtige gassen, als waterstof b.v., tot nevelvorming aanleiding geeft. De grootste voorzorgen moeten ook genomen worden tegen ongewenschten warmtetoevoer van buiten, aan het te verdichten gas en aan de koelbaden.

De proefnemingen, welke tot de overwinning voerden, werden den 9en Juli 1908 aangevangen met het bereiden van 75 liter vloeibare lucht. Den volgenden dag begon om 5 uur 45 minuten 's morgens de bereiding, door middel der reeds genoemde kaskade, der tot vóórkoeling van het helium noodige vloeibare waterstof. Om 1 u. 30 m. waren 20 liter dezer vloeistof beschikbaar. Het uit monazietzand gewonnen en zorgvuldig gereinigde helium werd te beginnen van 4 u. 20 m., op den druk van 100 atmosferen, door een slang geleid, welke door vloeibare waterstof werd afgekoeld; het vat waarin deze waterstof zich bevond, was op zijn beurt ter verhindering van uitwendigen warmtetoevoer, in een vakuumglas met vloeibare lucht gedompeld. Om 6 u. 35 m. werd het afgekoelde helium van 100 tot op 40 atmosferen ontspannen; alhoewel de temperatuur daarbij tot op 6o abs. (- 267°C.) daalde, bleef het gasvormig. Doch wanneer men de ontspanning sneller liet geschieden, daalde de temperatuur tot op 5o abs. (- 268°C.), en om 7 u. 30 m. werd in het vakuumglas, waarin het onstpande gas uitstroomde, het vloeistofoppervlak van het verdicht helium gezien. ‘Het stond messcherp tegen den glazen wand(1),’ waardoor het zich onmiddellijk van de vloeibare waterstofonderscheidde, welke in glazen vaten een hollen meniskus vertoont. Door koking onder verminderden druk (1 cm. kwik) daalde de temperatuur der vloeistof tot op ca. 3o abs. (- 270°C.), de laagste temperatuur die tot nog toe is bereikt geworden. Bij deze temperatuur bleef het helium nog immer vloeibaar. Na enkele kwantitatieve bepalingen, werd de proef om 9 u. 40 m. 's avonds, gestaakt. Kamerlingh Onnes heeft het vloeibare helium dus gedurende ongeveer twee uren kunnen behouden.

Helium vormt een kleurlooze, zeer beweeglijke vloeistof, van zeer geringe dichtheid (0.15, tweemaal dichter dan vloeibare waterstof) en met zeer geringe kapillariteit. Haar kritische druk is buitengewoon laag. Zij kookt onder atmosferendruk op ongeveer 4o.5 abs.

(- 268° 5 C.), en is in die voorwaarden slechts elfmaal dichter dan haar damp. Zij is niet gemakkelijk zichtbaar, hetgeen op een kleine waarde van den brekingsindex duidt. Verschillende dezer eigenschappen werden reeds in 1902 door Sir J. Dewar voorspeld.

Deze laatste geleerde, welke, door middel van onder gereduceerden druk sublimeerende vaste waterstof, een koudegraad van - 260°C. (13o abs.) had bekomen, noemde het in 1902 terecht een heldendaad, de vloeibaarmaking van het helium te voldingen. De tempratuursprong van - 260o op - 270°C. staat, als moeilijkheid, gelijk met dien van 0°C. op - 210°C. Het is dus een enorme stap op den weg naar het absolute nulpunt, die door Prof. Kamerlingh Onnes werd gedaan.

Het gebied dat hij aldus veroverd heeft, belooft uiterst vruchtbaar te zijn aan hoogst gewichtige ontdekkingen, en, in schier alle domeinen der natuurwetenschap, mogen we ervan het antwoord verwachten op een aantal vragen van fundamenteel belang, die tot nog toe zonder oplossing zijn gebleven. Indien we bedenken wat de onderzoekingen, eerst met vloeibare lucht, later met vloeibare waterstof, achtereenvolgens geleerd hebben aangaande de algemeene eigenschappen der stof, en hoe ze gevoerd hebben tot de ontdekking van onbekende gassen, dan kunnen we gerust voorspellen, dat proefnemingen met vloeibaar helium nog menig raadselachtig punt zullen ophelderen, nog menige schijnbare uitzondering op de algemeene wetten der Natuur zullen doen verdwijnen. Niet alleen in de natuurkunde, maar ook in de astrophysika, de scheikunde, de biologie, en de studie van het noorderlicht zullen ongetwijfeld de resultaten ruimschoots de moeite en de kosten van de proefnemingen loonen.

Het arbeidsveld, dat door de vloeibaarmaking van het helium in het bereik der geleerden is gebracht, is dus zeer uitgestrekt. Doch thans is de weg ons afgesneden om nog nader bij het absolute nulpunt te geraken. Immers, op de temperatuur van vloeibaar helium blijft geen der ons bekende stoffen gasvormig. Om nog merkelijk lager dan - 270°C. op de temperatuurskala te dalen, zou eerst een nieuw gas gevonden moeten worden, nog vluchtiger dan het helium, en waarvan de verdichting ons een nieuwe schrede vooruit zou brengen naar den onbereikbaren pool der koude.

En er bestaat wel een geringe kans, een dergelijk gas te ontdekken. Er schijnen in het Heelal minstens nog twee gassen te bestaan, welke op onze planeet nog niet werden aangetroffen; doch het welbekende voorbeeld der ontdekking van het helium op aarde(1) moet ons de neiging tot wanhoop verbieden. In het spektrum der korona, die als een witte glorie rond de Zon wordt gezien bij totale verduisteringen, ontwaart men een groene streep (golflengte 5316.8), welke met geen der strepen der ons bekende elementen overeenstemt. We moeten haar dus toeschrijven aan een zeer ijl gas, dat op de Zon voorhanden is, en dat, trots de sterke zwaartekracht die aan de oppervlakte van dat hemellichaam heerscht, zich tot op onmetelijke hoogten boven hetzelfde verheft. Aan dat hypothetisch gas heeft men den naam van koronium gegeven. In het spektrum der gasvormige nevelvlekken doen zich, benevens de lijnen van waterstof en helium, twee groene strepen voor (bij de golflengten van 5007.06 en 4959.02), welke tot nog toe insgelijks in de spektra van geen aardsche stoffen konden waargenomen worden. Men leidt er uit af, dat in de nevelvlekken minstens één onbekend gas aanwezig is, dat men nebulium heeft geheeten, en dat zeer vluchtig moet zijn, aangezien de temperatuur in de buitenste lagen der nevelvlekken waarschijnlijk zeer dicht bij het absolute nulpunt ligt.

Indien echter koronium en nebulium, - aangenomen dat ze bestaan, - zich ooit op aarde hebben bevonden, is het waarschijnlijk dat zij, sedert onheugelijke tijden, uit hoofde hunner geringe dichtheid en der groote gemiddelde snelheid hunner molekulen, onzen dampkring bijna volkomen verlaten hebben. Als men zelfs aanneemt, dat uiterst kleine hoeveelheden dezer gassen, aan andere hemellichamen ontsnapt, van buiten in de atmosfeer der aarde binnendringen, dan zullen zij toch niet dan in infinitesimale mate met onze lucht kunnen zijn vermengd. Maar de moed dient daarom niet opgegeven. Wanneer men

een heliumhoudend mengsel van gassen, als lucht, in vloeibare waterstof dompelt, dan vriezen al de minder vluchtige gassen uit, en men kan aldus helium in een mengsel nawijzen, waarin het slechts in de verhouding van 1/1000 voorhanden is. Door het uitvriezen van groote hoeveelheden dampkringslucht door middel van vloeibaar helium, zou het a priori niet onmogelijk zijn, in de atmosfeer nog vluchtigere gassen dan het helium te ontdekken.

Wat de nakende tijd ons voorbehoudt, zal niemand wagen te voorzeggen. Maar de studie der lage temperaturen treedt met de vloeibaarmaking van het laatste permanente gas een beslissende phase in. De toekomst gaat zwanger van grootsche ontdekkingen. In den nacht, die het gebied nog omhult, dat ons van het volstrekte nulpunt scheidt, daagt hier en daar een lichtpunt op, dat onzen geest aantrekt met een onweerstaanbare kracht. Geen opofferingen zal men te zwaar achten om de duisternis op te klaren. Want de menschheid met al haar gebreken heeft toch iets edels in zich, die onbedwingbare zucht naar waarheid, die schuilt in elk menschelijk hart.

 

Januari, 1909.

 

C. De Jans.


Vorige Volgende

Over dit hoofdstuk/artikel

auteurs


datums