Kamerlingh Onnes

Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) is een Nederlandse natuurkundige en heeft vooral bekendheid gekregen door zijn onderzoek van stoffen bij lage temperaturen. Voor het vloeibaar maken van helium werd aan Kamerlingh Onnes in 1913 de Nobelprijs toegekend. In het door hem gestichte laboratorium in Leiden ontdekte hij in 1911 het verschijnsel van de supergeleiding. Dit verschijnsel houdt in dat een elektrische stroom in sommige materialen bij voldoende lage temperaturen geen weerstand meer ondervindt. Pas veel later vond men hiervoor een theoretische verklaring. Heike Kamerlingh Onnes werd 21 september 1853 in Groningen geboren als zoon van een industrieel. In 1870 liet hij zich inschrijven aan de Rijksuniversiteit Groningen. In maart 1871 won hij een prijsvraag die was uitgeschreven door de universiteit Utrecht. Kamerlingh Onnes ging na zijn kandidaatsexamen, dat hij 'summa cum laude' aflegde, naar Heidelberg en studeerde daar een jaar bij G.R. Kirchhoff en R.W. Bunsen. Na zijn doctoraal examen in 1873 in Groningen werd Kamerlingh Onnes in 1878 assistent aan de Polytechnische School te Delft. Hier werd de basis gelegd voor zijn latere successen als experimentator. Geïnspireerd door de theorieën van J.D. van der Waals over gassen in het bijzonder de toestandsvergelijking in 1873 en de wet der overeenstemmende toestanden in 1880 verrichtte hij na zijn promotie tot doctor in de wis- en natuurkunde in 1879 moleculair-theoretische studies. Deze leidden onder meer tot een in 1912 samen met W.H. Keesom geschreven publicatie, welke een zeer belangrijke bijdrage tot de thermodynamica zou blijken te zijn. In 1882 werd hij hoogleraar in de experimentele fysica en de meteorologie in Leiden en gekozen tot lid van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen in 1883. In Leiden werd duidelijk over welk een organisatietalent en doorzettingsvermogen de jonge hoogleraar beschikte. Onder zijn leiding werd het Natuurkundig Laboratorium gereorganiseerd. Ook richtte hij het Cryogeen Laboratorium in, waar het gedrag van stoffen bij zeer lage temperaturen wordt onderzocht. Hoe belangrijk hij een goede technische begeleiding van fysische proeven achtte, blijkt uit zijn aandeel in de oprichting van een opleiding voor meester-instrumentmakers en glasblazers, in de wandeling instrumentmakersschool genoemd. Door het vloeibaar maken van helium in 1908 en de ontdekking van het verschijnsel supergeleiding in 1911 werd Leiden het centrum van lagetemperatuurfysica. In 1913 ontving Kamerlingh Onnes voor zijn onderzoek aan stoffen bij lage temperaturen de Nobelprijs. Kamerlingh Onnes overleed in Leiden op 21 februari 1926. Kamerlingh Onnes koesterde bij het begin van zijn hoogleraarschap al geruime tijd de wens experimenten te verrichten bij zeer lage temperaturen, onder meer om de theoretische beschouwingen van Van der Waals te toetsen. Daarvoor diende hij te beschikken over grote hoeveelheden vloeistoffen met een bij atmosferische druk zeer lage temperatuur, waarvoor een eigen cryogeen ofwel ijskoud laboratorium nodig was. Na Martinus van Marum (1750-1837), die ammoniak vloeibaar had gemaakt, hadden velen, onder wie Michael Faraday (1791-1867), zich beziggehouden met het tot de vloeistoffase dwingen van gassen. Daarbij werden steeds lagere temperaturen bereikt. In 1895 was het Carl von Linde (1842-1934) gelukt lucht vloeibaar te maken en in 1898 had James Dewar (1842-1923), juist voor Kamerlingh Onnes, waterstof (-253° C) in de vloeistoffase gebracht. Na een aantal mislukte pogingen slaagde Kamerlingh Onnes er in 1908 in helium vloeibaar te maken (-269° C). Dat was technisch een zeer grote prestatie. Het bevestigde tevens Van der Waals theorieën, op grond waarvan Kamerlingh Onnes had berekend door vergelijking van helium met waterstof dat het kookpunt van helium onder -267° C moest liggen. Door helium onder verlaagde druk snel te laten verdampen werd het mogelijk temperaturen te bereiken tot -272° C in 1910. Dat is slechts één graad boven het absolute nulpunt. Na 1908 kwam vloeibaar helium spoedig in relatief grote hoeveelheden beschikbaar. Het werd nu mogelijk eigenschappen van andere stoffen bij extreem lage temperaturen te onderzoeken. Tot de experimenten die na 1908 uitgevoerd werden, behoorden metingen van de elektrische weerstand van metalen. Omtrent het gedrag van de weerstand bij lage temperaturen waren de meningen zeer verdeeld. Het was bekend dat het transport van elektriciteit in metalen door middel van elektronen plaatsvindt, en men nam aan dat de weerstand die de elektronen ondervinden, een gevolg was van het trillen der metaalionen. Door het afnemen van deze trillingen bij temperatuurverlaging moest volgens sommigen de weerstand eveneens afnemen. Anderen veronderstelden echter dat de weerstand juist zou toenemen wegens de geringere beweeglijkheid van de elektronen bij lage temperaturen. Bij routinemetingen in 1911 vond Kamerlingh Onnes dat de weerstanden van platina en goud bij temperaturen beneden -269° C inderdaad lager waren dan ooit daarvoor gemeten. Bij kwik, lood en tin verdween de weerstand zelfs volledig. Bij deze temperaturen bleken deze metalen zich te gedragen als ideale geleiders ofwel weerstandloze geleiders en werden daarom later supergeleiders genoemd. Dat de weerstand van een supergeleider inderdaad nul is, werd door hem aangetoond door het magneetveld te meten van een kortgesloten spoel, waarin een stroom was opgewekt. De sterkte van dit magneetveld bleek bij het verstrijken van de tijd niet af te nemen, hetgeen alleen mogelijk is als ook de sterkte van de stroom in de spoel constant blijft en de weerstand in de spoel gelijk is aan nul. Kamerlingh Onnes sprak in dit verband over een persisterende stroom. Bij latere metingen vond hij dat de supergeleidende werking verdwijnt als de supergeleider in een magneetveld wordt gebracht dat sterker is dan een bepaalde drempelwaarde. In de jaren na 1911 werden regelmatig metingen verricht aan deze zogenaamde drempelvelden waarbij een sterke temperatuurafhankelijkheid optrad. Het verschijnsel supergeleiding bleef tot lang na zijn overlijden een volkomen raadsel. Een acceptabele theoretische verklaring werd pas in 1957 gegeven door John Bardeen (geb. 1908), Leon N. Cooper (geb. 1930) en John R. Schrieffer (geb. 1931), die hiervoor gezamenlijk de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1972 ontvingen.