Logo DBNL
Heike Kamerlingh Onnes. Een biografie (2005)

Heike Kamerlingh Onnes. Een biografie

(2005)–Dirk van Delft–rechtenstatus Auteursrechtelijk beschermd

De man van het absolute nulpunt


Vorige Volgende

15 De Lorentz-serie

Op 22 april 1897 kwamen in het Natuurkundig Laboratorium in Leiden een kleine honderd leraren van hbs'en en gymnasia bijeen voor een studiedag. Op het programma stonden een college van Lorentz over ‘elektriciteitsleer’, een theorie van het elektromagnetisme op basis van de wisselwerking tussen geladen deeltjes en de ether, en demonstraties met toelichting bij de proefopstellingen in het laboratorium. In zijn ‘inleidende toespraak’1 in een uitpuilende collegezaal onderscheidde Onnes twee hoofdgroepen van experimenteel onderzoek. ‘Behoef ik de drijfkrachten, die ze deden ontstaan, nog te noemen,’ hield de hoogleraar-directeur zijn gehoor voor,

of hebt gij niet zelf reeds boven deze beide seriën de namen van twee landgenooten ingevuld, en opgemerkt dat het laboratorium in dienst is gesteld, eenerzijds van de moleculaire theorie van Van der Waals, anderzijds van de electromagnetische theoriën, aan wier ontwikkeling door Lorentz zulk een belangrijk aandeel is genomen.2

De Lorentz-serie, het Leidse magneto-optisch onderzoek uit de periode 1882-1904 (en met als hoogtepunt de ontdekking van het Zeeman-effect in 1896), is altijd een wat ondergeschoven kindje geweest. Het Natuurkundig Laboratorium van Kamerlingh Onnes wordt in de eerste plaats geassocieerd met vloeibaar helium en supergeleiding, en niet met magneto-optische onderzoekingen. Toch hadden die tot de eeuwwisseling de overhand boven het cryogene werk. Het magneto-optische onderzoek aan het Steenschuur sloot nauw aan bij Lorentz' microbenadering met in de hoofdrol bewegende geladen deeltjes: de ‘ionen’ - in 1897 werd duidelijk dat het om elektronen ging. Daarmee liep Lorentz voorop. Zijn tijdgenoten, de Britten (met uitzondering van Joseph Larmor) in het bijzonder, volhardden in een macroscopische aanpak, waarin bij het uitrekenen van de elektromagnetische effecten geen plaats was voor moleculen, atomen of ionen.3

Aan de Communications from the Laboratory of Physics of the University of Leiden, in hoofdzaak vertalingen in het Engels van mededelingen die Onnes

namens zijn leerlingen in de Akademie had gedaan (in 1883 werd hij lid, zie hoofdstuk 22), is het aanvankelijke overwicht van de Lorentz-serie goed af te lezen. Onnes begon de Communications om het Leidse experimentele werk buiten de landsgrenzen onder de aandacht te brengen. De Archives Néerlandaises des Sciences Exactes et Naturelles, sinds 1868 jaarlijks uitgegeven door de Hollandsche Maatschappij der Wetenschappen, waren er vooral voor overzichtsartikelen, niet voor experimentele mededelingen die gebaat waren bij snelle internationale verspreiding. In een tijd dat in de fysica het Duits nog de belangrijkste wetenschapstaal was (de Annalen der Physik und Chemie, sinds 1876 inclusief Beiblätter met korte samenvattingen, was het toptijdschrift van toen) getuigde de keuze van Onnes voor het Engels van een vooruitziende blik.

Aflevering één van de Communications, over het promotieonderzoek van Remmelt Sissingh, kwam uit in 1885. Het tijdschrift verscheen met onregelmatige tussenpozen, vanaf 1899 inclusief Supplements met breder georiënteerde en bijzondere artikelen. Onnes stuurde specifieke afleveringen naar collega's die daar belang in stelden en zette ruilabonnementen op met buitenlandse instituten en bibliotheken. De eerste bundel (no. 1-12) verscheen in 1894 - Onnes' laatste bijdrage (in 1926) was no. 183.

Zoals gezegd, tot de eeuwwisseling viel het meeste Leidse onderzoek onder de noemer ‘Lorentz-serie’. Toen in de zomer van 1900 bij drukkerij IJdo Communication 60 van de persen rolde, stond de teller voor die serie op 31 - ruim meer dan de 20 Communications die tot dan toe met de theorieën van Van der Waals verband hielden (waarover in hoofdstuk 18 meer). Voor de rest betrof het experimentele werk in het Natuurkundig Laboratorium vooral methoden en technieken van onderzoek.

Lorentz als experimentator

Toen Kamerlingh Onnes september 1882 zich aan het Steenschuur meldde, kende hij Lorentz al tien jaar. April 1871 had Van Bemmelen, bij wie eerstejaarsstudent Onnes toen een weekje logeerde om zijn plezier in scheikundeproeven te herwinnen (zie hoofdstuk 3), zijn vroegere leerling met Lorentz (en Haga) in contact gebracht. In de bossen rond Arnhem spraken de jongens over ‘het mooie van de Natuurkunde’4 en een vriendschap voor het leven was geboren. Zomer 1880 stuurde Onnes vanaf 't Waelre een briefje om Lorentz geluk te wensen met zijn verloving met Aletta Kaiser (een nicht van de astronoom). Bij die gelegenheid beeldde hij zich een nieuwe wandeling in: ‘Zonder twijfel zouden wij in onze gesprekken wetenschap-liefde hebben samengeweven - in theorie; gij doet het in praktijk nu alleen en beter.’ En als aanloop naar een vers van Emanuel von Geibel (‘Ich bin der

dunkle Edelstein / Aus tiefen Schacht gewühlet / Du aber bist der Sonnenschein / Darin er Farben spielet’): ‘Wij zouden misschien besproken hebben hoe de bevrediging naar Sehnsucht naar innigheid onze werkkracht verhoogt [...].’5 Het verlangen als katalysator van wetenschap.



illustratie
Hendrik Antoon Lorentz, circa 1895; tekening Jan Veth.


Hendrik Antoon Lorentz, geboren op 18 juli 1853, was zoon van een welgestelde Arnhemse tuinder.6 ‘Hentje’ was een rustig, opgewekt kind dat pas laat leerde praten. Toch gaf hij als kind als blijk van een grote intelligentie: op tienjarige leeftijd kocht hij van zijn zakgeld een logaritmetafel en het duurde niet lang of hij kon ermee overweg. Op de hbs, waar hij bij Herman Haga in de klas zat, werd de liefde voor de natuurkunde gewekt door docent H. van der Stadt. Die liet zijn briljante leerling in een concertzaal ronddraven met een aan een lat bevestigde windmeter, om zo het verband te achterhalen tussen snelheid en wijzeruitslag. Ook al prefereerde Lorentz de theorie, zijn belangstelling voor het experiment in de fysica verloor hij nooit.

In Leiden maakte hij als student diepe indruk. Speciaal voor Lorentz hervatte Kaiser - ‘Ze begrijpen er allen niets van, alleen die eene jongen met die zwarte oogen’7 - een college theoretische astronomie dat hij bij gebrek aan studenten had moeten staken. Na zijn kandidaatsexamen (1871) zette Lorentz in Arnhem (waar hij lesgaf op een avondschool) de studie voort. December 1875 promoveerde hij bij Rijke magna cum laude op het proefschrift Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht. Dat bouwde voort op de theorie van James Clerk Maxwell (zij het in de formulering van

Helmholtz), die het licht in 1865 als een elektromagnetische trilling in de ether had opgevat, en bevatte het programma waar Lorentz als hoogleraar mathematische fysica in 1878 mee aan de gang ging. ‘Volgens de theorie der elektriciteit van Lorentz,’ sprak Kamerlingh Onnes in 1897 tot de verzamelde leraren, ‘worden de lichttrillingen veroorzaakt door kleine geladen deeltjes, licht-ionen, welke bij hunne bewegingen, of electrische trillingen, electrische golven in de wereldether uitzenden.’8

In 1892 publiceerde Lorentz in de Archives Néerlandaises een omvangrijk artikel9 dat als een tussenstap is op te vatten naar wat later zijn ‘elektronentheorie’ is gaan heten. In 1895, twee jaar voor het bezoek van de leraren, had Lorentz zijn inzichten op magneto-optisch gebied neergelegd in de monografie Versuch einer Theorie der electrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern.

Onnes, die Lorentz direct op de hoogte had gesteld van zijn sollicitatie naar de Leidse leerstoel in de experimentele natuurkunde, zocht twee dagen na zijn benoeming, 5 september 1882, zijn nieuwe collega thuis aan de Hooigracht op. Ze spraken over het grote college voor medici en ‘eerstbeginnenden’ dat Onnes van Rijke zou overnemen, maar ook over een ‘kamer’ waar Lorentz zou kunnen experimenteren. Kennelijk lag dit punt gevoelig want op 25 september noteerde Onnes in het dagboekje dat hij de Leidse beginmaanden bijhield: ‘Lorentz: Wil niet terstond aanbod van kamer aanvaarden omdat de laster hier reeds haar netten heeft gespannen over belofte van verdeling van 't laboratorium.’ Die laster zal zijn gevoed door het plan de verzameling instrumenten, de trots van Rijke, naar zolder te verbannen, opdat er beneden meer experimenteerruimte kwam. Onnes besprak een en ander met Bosscha en het idee was op de benedenverdieping ‘een kamer voor [de] assistent [Sissingh] en voor Lorentz' te bestemmen. Half november, toen de oratie achter de rug was en Onnes feitelijk in het Natuurkundig Laboratorium aan de slag ging, was Lorentz akkoord: Aanvrage Lorentz om praktisch te werken.’10

Wat voor proeven had Lorentz op het oog? Juist in deze periode deed hij theoretisch onderzoek naar het Hall-effect en de ermee samenhangende draaiing van het polarisatievlak van licht. Het Hall-effect, in 1879 door Edwin Hall in Baltimore ontdekt, houdt in dat in een blaadje metaal (Hall nam goud) waardoor een elektrische stroom loopt en waarop (dwars op die stroom) een magnetisch veld is gezet, tussen beide zijkanten een spanning komt te staan. Bewegende lading, zo zeggen we nu, ondervindt een Lorentzkracht loodrecht op het vlak van de stroomrichting en het magnetisch veld; de elektrische en de magnetische kracht op het bewegende elektron zijn in evenwicht. Het Hall-effect hing samen met het drie jaar eerder ontdekte

Kerr-effect: terugkaatsing van gepolariseerd licht op een gemagnetiseerde spiegel levert een draaiing van het polarisatievlak op. Lorentz, die zijn bevindingen juni 1883 in de Verslagen van de Akademie publiceerde, kon met zijn theorie - door zijn promovendus W. van Loghem datzelfde jaar nader uitgewerkt11 - de grootte van het Kerr-effect nauwkeurig uitrekenen.12

Lorentz begon in kamer g van het Natuurkundig Laboratorium met een huis-, tuin - en keukenonderzoek naar het functioneren van de aanwezige spectrometer (van het Jamin-type), daarbij regelmatig bijgestaan door Onnes. Begin 1883 sloot hij het af, om over te stappen op een ‘oorspronkelijk onderzoek’: de proef van Kerr voor spiegels van zilver, weekijzer en staal. Het idee was de intensiteit van het Kerr-effect te bepalen door gepolariseerd licht enkele malen tussen twee evenwijdige gemagnetiseerde staalspiegels heen en weer te laten kaatsen. In zijn Akademieartikel van juni 1883 sprak Lorentz van een ‘ruwe meting’. ‘Weldra hoop ik omtrent de resultaten dezer onderzoekingen iets naders te kunnen meêdeelen,’ besloot hij zijn verslag.

Maar tot een publicatie is het niet gekomen en alles wijst erop dat Lorentz' experimentele uitstapje van korte duur is geweest. Maart 1883 werd Onnes ziek en de last van het grote college schoof naar Lorentz - toen de gezondheid van Onnes fragiel bleef zelfs permanent. Aan experimenteren kwam Lorentz niet meer toe en over de proef van Kerr ontfermde Sissingh zich. Wel bleef Lorentz het Leidse optische onderzoek van nabij volgen en in het gedenkboek ter gelegenheid van Onnes' 25-jarig doctoraat (in 1904) zette hij met het hoofdstuk ‘Optische en Magneto-Optische Onderzoekingen’ de vorderingen op dat gebied nog eens op een rij.13

Het Sissinghse faseverschil

Vóór Sissingh aan het Kerr-effect toekwam, moest eerst zijn promotieonderzoek af. Terwijl hij onder Rijke weinig meer had gedaan dan assisteren bij de collegeproeven en het practicum voor de ‘meergevorderden’, startte Sissingh onder het bewind-Onnes direct met het opzetten van een eigen wetenschappelijk onderzoek. Als onderwerp nam hij de terugkaatsing van gepolariseerd licht tegen een metalen spiegel: het startpunt van de Lorentz-serie. Na het opbouwen en uittesten van de proefopstelling werd de winter van 1883-1884 met de metingen begonnen. Maart 1885 promoveerde Sissingh op het proefschrift Metingen over de elliptische polarisatie van het licht.

Hoe ging dat onderzoek in zijn werk en wat was Onnes' rol? Om te beginnen verving Sissingh de spectroscoop van het type Jamin (waarmee Lorentz had gewerkt) door het meer robuuste type Meyerstein, welk toestel Onnes van Bosscha in bruikleen had. Het licht dat op de spiegel viel had één kleur, ‘geplukt’ uit het spectrum dat een prisma van flintglas wierp van een kool-

spitslamp ('s winters) of van zonlicht dat in een heliostaat viel ('s zomers). De spectroscoop was uitgerust met twee nicols, samengestelde plaatjes kalkspaat met de speciale eigenschap dat ze één trillingsrichting van het licht doorlieten. Het ene nicol was polarisator: het maakte van ongepolariseerd licht gepolariseerd licht. Het andere werkte als analysator van het door de spiegel teruggekaatste licht. Immers, zodra de voorkeursrichtingen van twee nicols dwars op elkaar staan, wordt licht niet doorgelaten. Verandering van het polarisatievlak als gevolg van terugkaatsing door een metaalspiegel verraadde zich doordat in die situatie wél licht door de analysator drong, en deze over een bepaalde hoek gedraaid moest worden om de ‘uitdoving’ te herstellen.

Metalen hebben de eigenschap dat ze (mits het trillingsvlak niet in het invalsvlak ligt of daar dwars op staat) bij terugkaatsing lineair gepolariseerd licht omzetten in elliptisch gepolariseerd licht. De eerste soort is te vergelijken met de golf die in een touw loopt wanneer het uiteinde op en neer (of heen en weer) beweegt, de tweede met de golf die ontstaat wanneer het uiteinde (dwars op de richting van het touw) een ellips beschrijft. Het opmeten van die ellips (die is op te vatten als een samenstelling van twee lineaire trillingen van verschillende amplitude en met een faseverschil) gebeurde met een compensator van Babinet. Dit precisie-instrument bestond uit twee parallelle wigvormige kwartsplaatjes, waarvan er één met een micrometerschroef nauwkeurig verstelbaar was zodat de totaaldikte viel te variëren. Omdat de beide componenten van de elliptisch gepolariseerde lichtstraal met verschillende snelheden door het kwarts drongen, was het faseverschil op te heffen via het verstellen van de dikte van de kwartscombinatie: bij een bepaalde stand van de compensator ontstond weer een lineair gepolariseerde trilling met als oriëntatie een as van de ellips.

November 1882 begon Sissingh met het aanpassen en verbeteren van de compensator van Babinet, waarbij Onnes sturend optrad. ‘Het spijt mij zeer dat de compensator u nog steeds zulke parten speelt,’ schreef een herstellende Heike juli 1883 vanuit Zwitserland.14 In dezelfde brief droeg hij Sissingh op voor betere nicols te zorgen. Het vinden van exemplaren die de lichtstralen niet afbogen was nog een hele toer, maar uiteindelijk stond er in kamer g van het Natuurkundig Laboratorium een proefopstelling, inclusief collimator en kijker, die stukken nauwkeuriger was dan degene waarmee Jamin (Parijs) en Quincke (Heidelberg) eerder hadden gewerkt.

Sissinghs meetresultaten bij spiegels van zilver (ook in een onderwater-opstelling) en weekijzer stemden keurig overeen met de theorie van Cauchy, gepubliceerd in 1839. ‘De overeenstemming met de formule is werkelijk bewonderenswaardig,’ jubelde Onnes een zomervakantie later vanuit Soden,

‘en een nieuw bewijs dat de compensator van Babinet een der fijnste meetwerktuigjes is.’15 In afwezigheid van de hoogleraar-directeur ontving Sissingh Gustav Wiedemann, redacteur van de Annalen. Het bezoek bood een mooie kans de nieuwe Leidse fysica onder de aandacht te brengen van iemand die er internationaal toe deed. ‘[H]et zal voor u bijzonder aangenaam geweest zijn,’ schreef Onnes, ‘hem bij den toestel zelf te overtuigen van de degelijkheid van uw werk. Dit verzekert aan uw resultaten tevens de verdiende publiciteit.’16

Lorentz volgde Sissinghs verrichtingen op de voet en kwam soms met experimentele suggesties.17 Maar het door hem voorspelde temperatuureffect in de ‘ellipticiteit’ van de teruggekaatste bundel kon Sissingh niet aantonen. De methode om de spiegel te verhitten (tot 125oC) kwam van Onnes, zoals het hele onderzoek overduidelijk zijn ‘door meten tot weten’-stempel droeg: een meetmethode ontwerpen, met de grootste zorg toestellen construeren, foutenbronnen opsporen en elimineren en aldus de meetnauwkeurigheid maximaal opvoeren. Sissinghs proefschrift was degelijk vakwerk, maar het checken van een theorie uit 1839 kon moeilijk spectaculair heten.

Vanaf 1885 concentreerde het onderzoek binnen de Lorentz-serie zich op de invloed van magnetisme op licht. In 1895 kwam daar het het Hall-effect bij. Het ging bij dit magneto-optische werk om drie effecten. Sissingh, Zeeman en Wind deden in kamer g onderzoek naar het Kerr-effect: draaiing van het polarisatievlak bij terugkaatsing van een lichtbundel op een gemagnetiseerde spiegel. Siertsema onderzocht in kamer c het Faraday-effect: draaiing van het polarisatievlak in een kolom samengeperst gas of vloeistof die zich in een magnetisch veld bevond. En Zeeman ging in kamer 1 na hoe een lichtbron reageerde op een magneetveld: het Zeeman-effect (zie het volgende hoofdstuk). Van dit kwartet Leidse natuurkundigen bleef Siertsema, die in 1894 conservator van het Natuurkundig Laboratorium werd, het langst op zijn post. Zijn benoeming per 1 augustus 1904 tot hoogleraar aan de Polytechnische School te Delft (een jaar later omgedoopt tot Technische Hogeschool) markeerde het eindpunt van de Lorentz-serie.

Na zijn promotie schakelde Sissingh over op het Kerr-effect - een onderzoek dat de magneto-optische theorievorming beslissend zou beïnvloeden ten faveure van een microbenadering. Nadat Lorentz en Van Loghem in 1883 hun Kerr-theorie hadden opgesteld en uitgewerkt, zodat er aan het verschijnsel te rekenen viel, was het onderwerp door een aantal experimentatoren opgepikt. Aanvankelijk werd ook gekeken naar de gebroken lichtstraal die in de magnetische spiegel doordrong. Dat vereiste een experimenteel hoogstandje: een gemagnetiseerde spiegel maken die zo dun was dat hij licht niet alleen terugkaatste maar ook doorliet. Kundt wist in 1884 in

Straatsburg doorschijnende laagjes ijzer, kobalt en nikkel te laten neerslaan op geplatineerd glas en het Kerr-effect op te meten bij zowel de gebroken als de teruggekaatste lichtstraal.18 Nodig was dat niet: volgens Lorentz volstond het om de gespiegelde straal te bestuderen.

Sissingh sloot aan bij het Kerr-werk van P. Kaz. Die was in 1884 bij Van der Waals gepromoveerd op het proefschrift Over de terugkaatsing door het licht door magneten - overigens was van een onderzoeksprogramma in Amsterdam geen sprake en het bleef bij dat ene onderzoek. Ook de Italiaanse experimentator Auguste Righi publiceerde over het onderwerp, in 1887.19 Maar de nauwkeurigheid van dit werk kon niet tippen aan de Leidse metingen.

Omdat Kaz in Amsterdam de polaire reflectie had onderzocht, waarbij het magnetisch veld loodrecht op de metaalspiegel staat, concentreerde Sissingh zich in eerste instantie op het equatoriale geval: de magnetisatie parallel aan de spiegel, in het invalsvlak. In dit experiment viel licht, gepolariseerd in het invalsvlak dan wel loodrecht daarop, op een ijzerspiegel.20 Die spiegel was een vlakgeslepen deel van een ijzeren ring (diameter 10 cm; dikte 6 mm) die met zeven lagen koperdraad was omwikkeld, waar met accu's 15 ampère aan stroom doorheen werd gestuurd. De magnetische veldlijnen, gevangen in het ijzer, liepen evenwijdig aan het spiegelende oppervlak. De draaiing van het polarisatievlak was gering: in het equatoriale geval kwam er door het Kerr-effect een extra component in de teruggekaatste lichttrilling met een amplitude van nog geen promille van de oorspronkelijke trilling (bij polaire reflectie was dat ongeveer 6 promille). Om deze zwakke component via draaiing van de nicols te kunnen uitmeten (afleesnauwkeurigheid: eenderde boogminuut), was wit licht nodig. De compensator van Babinet kon dus niet gebruikt worden.

Bepaling van de amplitude van de magnetische component in het teruggekaatste licht en het faseverschil met de hoofdcomponent vonden plaats bij verschillende invalshoeken. Bij het stellen van de nicols werd zowel een ‘minimummethode’ als een ‘nulmethode’ (de laatste was in 1884 geopperd door Van der Waals) gebruikt. Beide methodes waren complementair. Ter wille van de nauwkeurigheid werd steeds over 200 à 300 afzonderlijke waarnemingen. gemiddeld. Het ging om draaiingen ter grootte van enkele boogminuten. Vier jaar lang heeft Sissingh, naast zijn werkzaamheden als assistent bij het practicum, op de metingen gezwoegd. Monnikenwerk, maar het deed ertoe.

Vergelijking met de theorie van Lorentz en Van Loghem wees uit dat de gemeten amplitudes klopten, maar de fase week telkens met een bedrag van 85o af, ongeacht de invalshoek. Zeeman, die vanaf 1889 bij het meten assis-

teerde (een persoonlijke introductie volgt later) en het onderzoek naar het Kerr-effect in 1890 overnam toen Sissingh aan de Polytechnische School leraar werd, vond bij polaire reflectie van gepolariseerd licht op ijzer en kobalt ook een ‘faseverschil van Sissingh’, onafhankelijk van de invalshoek en met een grootte die per metaal varieerde.21 Het niet-ferromagnetische tellurium, zilver, palladium en platina vertoonden geen effect.

Een groot deel van 1893 werd Zeeman, die toen in Straatsburg bij prof. Emil Cohn onderzoek deed naar de voortplanting van elektrische trillingen in vloeistoffen, vervangen door Cornelus Harm Wind. Die was in Groningen (waar Haga hoogleraar was) afgestudeerd en werd in Leiden eerst Onnes' en vervolgens Lorentz' assistent. Wind bekeek in Leiden in aansluiting op het werk van Zeeman de polaire reflectie op nikkel, en vond ook daar een faseverschil van Sissingh.22 Na Zeemans terugkeer uit Straatsburg vertrok Wind weer naar Groningen. Begin 1894 promoveerde hij bij Haga op de bepaling van lokale variaties in het aardmagnetisme in het gloednieuwe, voor magnetische metingen toegeruste Natuurkundig Laboratorium in Groningen.

Hoe viel dit faseverschil te rijmen met de theorie van Lorentz en Van Loghem? Die had dus ‘gefaald’, zoals Lorentz zelf opmerkte, maar het constante bedrag van de fout zag hij als iets ‘bemoedigends’. In 1892 en 1893 probeerden David Goldhammer (Kazan, Rusland) en Paul Drude (Göttingen) de theorie van het Kerr-effect te repareren - het Sissinghse faseverschil, waaraan volgens Onnes ‘door buitenlanders eerst weinig geloof werd gehecht of weinig gewicht werd toegekend’,23 stond intussen als een huis. Onnes schreef Sissingh in zijn nopjes te zijn met Goldhammers bemoeienissen: ‘Dit is wel zeer animerend.’24 In Cambridge boog J.J. Thomson zich ook al over het verschijnsel (zijn conclusies sloten aan bij die van Drude). De Leidse meetresultaten gaven Goldhammer gelijk, al wilde Drude, die aan een macroscopische benadering vasthield, dat eerst niet toegeven. Beide kemphanen claimden victorie. ‘Es ist sehr merkwürdig, dass Drude nicht zugeben will, sein Theorie bilde einen speciellen Fall der meinigen,’ schreef Goldhammer begin 1893 aan Onnes25 - die hem via Communications en brieven op de hoogte hield van de laatste Leidse resultaten. In een brief aan Sissingh gaf Onnes zijn ongezouten mening: ‘Verder meen ik dat Drude op zijn kop moet hebben!’26 Nadeel van Goldhammers microtheorie was dat deze op tamelijk omslachtige wijze met de Maxwellvergelijkingen omsprong en bovendien op ‘een zuiver mathematische hypothese’27 berustte, zonder duidelijke fysische interpretatie.

Het was Wind, naast experimentator ook een begaafd theoreticus, die, aangemoedigd door Lorentz, het eerst met een fysische theorie kwam die

met de experimentele uitkomsten uit de voeten kon. Hij zocht de verklaring voor het Sissinghse faseverschil in het naast elkaar voorkomen van een ‘verplaatsingsstroom’ en een ‘geleidingsstroom’ die ieder hun eigen invloed van een magnetisch veld ondervonden. Zijn eerste theoretische mededeling werd tijdens de Akademiezitting van september 1894 door Lorentz ingebracht.28 Januari dat jaar had hij via Onnes zijn waarnemingen aan nikkel gepubliceerd.29 Wind stond erop een stukje onder eigen naam te publiceren in plaats van het ‘af te staan’ voor een overzichtsartikel dat Sissingh in de pen had. Onnes kon dat wel billijken: Wind moest in Groningen nog naam maken. Ook vond Onnes het goed dat Wind de term ‘Sissinghs faseverschil’ introduceerde. Dat ‘titeltje’, zo liet hij collega Sissingh (die sinds zijn benoeming in Delft in 1890 hem niet meer met hoogleraar hoefde aan te spreken)30 weten, zou ‘niet het minst eenige prioriteit’ aan de vader van het effect ontnemen.31

December 1896 - inmiddels was Wind in Groningen benoemd tot lector in de mathematische fysica en de fysische chemie - volgde een tweede, diepgravender verhandeling.32 Die gaf niet alleen een sluitende verklaring voor Hall-effect, Kerr-effect en de rotatie van het polarisatievlak in een magnetisch veld, ook verraste Wind met een voor onmogelijk gehouden ‘Wind-effect’. Indien een gepolariseerde lichtstraal op een metalen spiegel viel, met de magnetisatie loodrecht op het invalsvlak, zou er toch een draaiing te zien moeten zijn. Op verzoek van Wind toog Zeeman in Leiden direct aan het werk - om het (minuscule) effect inderdaad te vinden.33

Winds beide theoretische stukken over het Kerr-effect, onder leiding van Lorentz totstandgekomen, verschenen niet in de Communications. Wel kwamen er (samenvattende) vertalingen in de Beiblätter (1895), de Physical Review (1898) en de Archives (1899). Het mocht niet baten. Het empirische Sissinghse faseverschil mocht de overstap van macro- naar microscopisch elektromagnetisme hebben gekatalyseerd, internationaal hadden Wind en Lorentz in de jaren negentig nauwelijks invloed. Het succes van Lorentz' ‘ionen’-theorie bij het verklaren van het Zeeman-effect (zie hoofdstuk 16) bracht in eerste instantie nauwelijks verbetering. Toen Drude in 1900 ‘om’ was en in zijn invloedrijke Lehrbuch der Optik alsnog ‘ionen’ introduceerde, werden in zijn afleiding van het ‘Wind-effect’ Wind noch Lorentz genoemd.34 Het gevolg was dat J.J. Thomson, die zich in 1893 in zijn Notes on recent researches in electricity and magnetism over het Kerr-effect uitliet, in de beroemde editie uit 1911 van de Encyclopaedia Britannica bij het lemma ‘magneto-opticks’ met geen woord over Wind repte.35 Dat de Groninger fysicus in zijn Akademieartikel uit 1894 het had gewaagd op te merken dat sir Thomson zijn conclusie over de verplaatsingsstroom in relatie tot het

Kerr-effect ‘op slechts eene gebrekkige overeenstemming van de theorie met de waarneming’ had gebaseerd, kan van dat doodzwijgen toch moeilijk alleen de reden zijn geweest.

Siertsema, Faraday en Hall

Het was Michael Faraday die in 1845 als eerste ontdekte dat magnetisme inwerkt op licht. In de Royal Institution in Londen liet Faraday een gepolariseerde lichtstraal door een doorboorde poolschoen van een krachtige elektromagneet lopen. Toen de Brit in het magneetveld een stuk glas met loodboride plaatste en daar licht doorheen stuurde, bleek de polarisatierichting te zijn gedraaid.

In Leiden werd deze draaiing nader onderzocht door Lodewijk Hendrik Siertsema, in 1890 in Groningen bij Haga gepromoveerd op bepalingen van brekingsindices. In 1893 kwam hij naar Leiden, waar hij Kuenen eerst als onderwijsassistent opvolgde, en twee jaar later als conservator. In plaats van een doorboorde poolschoen gebruikte Siertsema in kamer c van het Natuurkundig Laboratorium twee achter elkaar geplaatste draadklossen met een totale lengte van 2 meter (aantal windingen 3650; binnendiameter 6 cm; spoelen gevoed met 60 ampère uit een dynamo), waarin de roodkoperen proefbuis met te onderzoeken gas of vloeistof stak. Om opwarming van de elektromagneet te neutraliseren, en zo convectiestromingen in de proefbuis door temperatuurverschillen te voorkomen, zat om de buis een tweede buis waardoor water stroomde. 's Winters, wanneer het kraanwater een stuk kouder was dan de kamertemperatuur, werden de uiteinden van de buis ingepakt met warmte-isolerende watten. Aan die uiteinden zaten messing verlengstukken met daarin de polarisator en de analysator. De houders mochten niet van ijzer zijn omdat anders de sterkte van het magneetveld niet meer eenvoudig viel uit te rekenen. Om ze toch voldoende taaiheid te geven om de hoge druk te weerstaan liet Onnes ze bij de geschutgieterij te 's Gravenhage maken uit homogeen coquillebrons dat bij de fabricage van kanonnen werd toegepast. Het licht in Siertsema's opstelling kwam van een in een ijzeren kast geplaatste koolspitslamp van het type dat de marine in zoeklichten toepaste.

Siertsema begon met gassen: zuurstof, lucht, stikstof, waterstof, stikstofmonoxide en koolzuur. Om het Faraday-effect te vergroten perste hij ze in de proefbuis samen tot maximaal 100 atmosfeer. Zuivere zuurstof was in de handel niet te krijgen en werd via elektrolyse van verdund zwavelzuur (in tien bakken tegelijk) in het laboratorium bereid. De Cailletet-pomp perste het zonder bijmenging van verontreinigingen in de proefbuis - de eerste link tussen de Lorentz-serie en het cryogeen laboratorium. De meetresulta-

ten werden vergeleken met de ‘talrijke formules’ die voor de ‘magnetische draaiingsdispersie’ in omloop waren.36 Met die van Mascart was de overeenstemming het best, maar aan een theoretisch fysische verklaring waagde Siertsema zich niet.

Na de gassen waren de vloeistoffen aan de beurt: suikeroplossingen van uiteenlopende concentratie en druk, water, rood bloedloogzout en vloeibare chloormethyl en stikstofmonoxide (-90oC bij atmosferische druk). Ook vloeibare lucht en vloeibare zuurstof stonden op de rol, zoals Onnes de bezoekende leraren ook vertelde, maar het is er niet van gekomen. Beide laatste stoffen waren in het cryogeen laboratorium (kamer e) in dewarvaten af te tappen en in kamer c, aan de andere kant van de gang, met een perspompje in de proefbuis over te hevelen. Die proefbuis was ditmaal van glas en eboniet, korter en dikker van formaat en voorzien van isolatie om onstuimig koken tegen te gaan. Maar om een ‘volkomen rustige vloeistof, geheel vrij van opstijgende bellen’ te verkrijgen viel niet mee en ook het instellen van de nicols gaf problemen.37

De draaiing van het polarisatievlak bepaalde Siertsema door de analysator zoveel bij te regelen tot de uitdoving hersteld was. Ook bij dit Leidse onderzoek was de nauwkeurigheid veel groter dan eerder door Kundt, Röntgen en Becquerel was gepresteeerd. Omdat de nicols aan de proefbuis vastzaten, werd die in zijn geheel getordeerd. Tot 4o, de maximale verdraaiing in deze experimenten, vormde dat geen probleem. Per kleur licht werd de draaiing van het polarisatievlak via spiegelaflezing opgemeten, resulterend in een dispersiekromme. Violet licht vertoonde een grotere draaiing dan rood.

De resultaten van deze onderzoekingen werden vanaf januari 1895 door Onnes in de Akademie in korte mededelingen gepresenteerd, waarna ze in vertaling hun weg vonden naar de Communications. Een groter overzichtsartikel van Siertsema's werk verscheen in 1899 in de Archives Néerlandaises.38 Ook dat bood weinig meer dan een beschrijving van apparatuur en een vreugdeloze opsomming van meetresultaten. Nieuwe inzichten heeft deze zijtak van de Lorentz-serie niet opgeleverd en hij lijkt vroegtijdig aan technische problemen van cryogene aard ten onder te zijn gegaan. Augustus 1904 vertrok Onnes' rechterhand naar Delft en werd de opstelling ontmanteld.

Ten slotte het Hall-effect. Na al het onderzoek naar het nauw verwante Kerr-effect lag het voor de hand dat ook Hall in Leiden aan bod zou komen. Twee van Onnes' leerlingen hebben zich eraan gewaagd. Adriaan Lebret (een zwager van Zeeman) promoveerde in 1895 op Metingen over het verschijnsel van Hall in bismuth, twee jaar later gevolgd door Metingen over het verschijnsel van Hall en de toename van den weerstand in het magnetisch veld van Ewoud van Everdingen Jr. - geen proefschrift uit het Natuurkundig

Laboratorium of de titel begon met ‘metingen’. Lebret vond na zijn promotie werk bij een ozonfabriek in Schiedam, Van Everdingen bleef nog een paar jaar in Leiden hangen, om in 1902 te vertrekken naar het knmi in De Bilt.

Het Hall-effect, in feite een draaiing van de equipotentiaallijnen in een metaalblaadje in een magnetisch veld, deed zich vooral gelden in bismuth - hoe lager de temperatuur, hoe sterker - en op dat metaal heeft het Leidse onderzoek zich dan ook toegespitst. Teneinde het verschijnsel nauwkeurig te meten en storende warmte-effecten te omzeilen ontwikkelde Lebret een compensatiemethode, die ook door Van Everdingen is toegepast. Het idee was de uitslag van een differentiaalgalvanometer, die het verschil mat tussen de Hall-stroom en een instelbare stroom die van de hoofdstroom was afgeleid, op nul te krijgen. Omdat Hall-stroom en compensatiestroom dezelfde basis hadden, deed de hoofdstroom er zelf niet toe. Bovendien hoefde de hoofdstroom maar even te worden ingeschakeld, zodat er geen noemenswaardige warmteontwikkeling plaatsvond. Alleen de toename van de weerstand in een magnetisch veld bleef bij deze meetmethode als storende factor intact.

Totverrassing van Lebret veranderde de compensatieweerstand van grootte wanneer de richting van de hoofdstroom werd omgekeerd. ‘Wij herinneren ons gaarne,’ aldus Zeeman in het gedenkboek van 1904, ‘hoe Prof. Onnes in zulke oogenblikken onmiddellijk ter hulp snelde en door een kritische opmerking, een bemoedigend woord, een idee, soms door zijne tegenwoordigheid alleen een suggestieven invloed uitoefenend, het onderzoek weer in gang bracht.’39 Wat Lebret ook probeerde, de asymmetrie bleef. De oorzaak bleek te liggen in de veranderde oriëntatie van het bismuthkristal. Het verkrijgen van een geschikt bismuthkristal om blaadjes uit te snijden was nog een hele toer. Toen de zelfgegoten Leidse kristallen en die uit het Königliches Blaufarbenwerk te Oberschlema niet bleken te voldoen wist Onnes - ‘door post en telegraaf in voortdurend verkeer met de buitenwereld’40 - bij zijn collega Perrot, die in Parijs door langzame afkoeling wél homogene bismuthkristallen wist te maken, betere exemplaren los te peuteren.

Van Everdingen heeft bij uiteenlopende sterktes van het magnetisch veld de grootte van het Hall-effect als functie van de temperatuur gemeten. De elektromagneet leende hij van Teylers Museum in Haarlem. In zijn proefschrift was hij aan het lage-temperaturenwerk niet toegekomen omdat in de periode 1895-1898 Onnes in een gevecht om een hinderwetvergunning verwikkeld was (zie hoofdstuk 17), en lopende die procedure lag het cryogeen laboratorium stil. Na de goede afloop waren vloeibare chloormethyl

(-23oC), vloeibare stikstofoxide (-90oC) en zuurstof (-182oC) weer beschikbaar en kon Van Everdingen zijn metingen alsnog verrichten.

In zijn toespraak tot de leraren van 1897 liet Onnes er geen twijfel aan bestaan dat de Lorentz-lijn in toenemende mate gestuurd zou worden door de koude uit het Leidse cryogeen laboratorium.

Dat eindelijk bij het voortzetten van de onderzoekingen van de electromagnetische groep meer en meer aanknopingspunten met de moleculair-theoretische groep zullen worden gevonden, blijkt wel duidelijk in het laatst behandelde onderzoek [het Hall-effect], waarbij de temperatuur de verschijnselen [...] in zoo hooge mate beheerscht.41

Maar zeven jaar later zette de oprukkende koude het magneto-optische onderzoek op dood spoor en het vertrek van Van Everdingen en Siertsema betekende in 1904 het einde van de Lorentz-serie. De balans? Het Leidse laboratorium had zich met metingen van een niet eerder vertoonde nauwkeurigheid internationaal op de kaart gezet en de microscopische theorie was een stuk sterker komen te staan, door het faseverschil van Sissingh én door een ontdekking die nu aan bod komt: het Zeeman-effect.


Vorige Volgende

Over het gehele werk

auteurs


Over dit hoofdstuk/artikel

auteurs