Heike Kamerlingh Onnes, de heer van het absolute nulpunt
Midden in de zomer, op 10 juli 1908 was het in Leiden zo koud als het nog
nooit ergens geweest was. In het fysisch laboratorium waren een aantal
technici onder leiding van Heike Kamerlingh Onnes in de weer. Leidingen,
pompen, druk- en temperatuurmeters werden voortdurend in de gaten
gehouden. In een speciaal ontworpen toestel werd helium rondgepompt. Om
kwart voor zes 's morgens waren ze begonnen. Kamerlingh Onnes hoopte met
het toestel de temperatuur zo laag te krijgen dat het gasvormige helium
zou condenseren. De thermometer was gestaag gezakt, maar bij 269 graden
onder nul bleef hij steken...
Omstreeks half acht 's avonds kwam professor
Schreinemakers eens kijken hoe het experiment van zijn collega verliep.
Hij bekeek het toestel en merkte op dat het was 'alsof de thermometer al
in de vloeistof stond.' Kamerlingh Onnes in zijn verslag van die
gedenkwaardige dag: 'Inderdaad bleek dit het geval. .... Het
vloeistofoppervlak werd door spiegeling van licht spoedig zeer duidelijk
zichtbaar gemaakt en wel ontwijfelbaar, omdat het duidelijk doorboord werd
door de twee draadjes van het thermo-element. .... Toen het oppervlak
eenmaal gezien was werd het niet meer uit het oog verloren. Het stond
messcherp tegen de glazen wand.' Door het vloeibare helium onder verlaagde
druk te laten verdampen zakte de temperatuur nog verder. Daar was het om
begonnen. Heike Kamerlingh Onnes -de heer van het absolute nulpunt zoals
hij later op het internationale koudecongres genoemd zou worden- wilde in
zijn laboratorium onderzoek kunnen doen bij extreem lage temperatuur. Nu
hij de beschikking had over vloeibaar helium waren de mogelijkheden
daarvoor aanzienlijk uitgebreid.
Jeugd
Heike Kamerlingh Onnes werd op 21 september 1853 in Groningen geboren als
oudste zoon van Harm Kamerlingh Onnes en Anna Coers. Zijn vader was een
welgestelde fabrikant. Zijn moeder, de dochter van een architect, bracht
een dichterlijk en kunstzinnig element in. Het gezin met vijf kinderen
ademde een sfeer van verfijnde culturele opvoeding. Broer Menso zou later
kunstschilder worden. Heike zelf interesseerde zich in zijn jeugd voor
poëzie. Als vanzelfsprekend stuurde Harm zijn oudste zoon naar de Hogere
Burger School in zijn geboortestad. De HBS bestond als onderwijstype nog
maar kort.
In 1863 had de koning de door Thorbecke ingediende wet
bekrachtigd waarin het middelbaar onderwijs opnieuw geregeld werd. De HBS
was bedoeld als een op de maatschappij ingestelde school die het
technische en leidinggevende kader moest leveren voor de handel en de
nijverheid. Daarvoor was goede kennis van de moderne talen nodig en van de
exacte vakken. Met hoge salarissen wist men bekwame docenten aan te
trekken. Bijvoorbeeld de latere hoogleraren Van der Waals en Van Bemmelen.
Van Bemmelen was ook enige tijd directeur van de school waar Heike op zat.
Hoewel uitdrukkelijk niet zo bedoeld was de HBS de beste vooropleiding
voor een studie in de geneeskunde of in de natuurwetenschappen. Door de
bemoeienis van Johannes Bosscha, hoogleraar wis en natuurkunde én
inspecteur van het middelbaar onderwijs, beschikte elke HBS over
prakticumzalen voor natuurkunde en scheikunde die zeer goed uitgerust
waren. Het was daar dat Heike zijn eerste metingen en experimenten leerde
uitvoeren.
Zijn interesse werd gewekt en hij besloot toelatingsexamen voor
de universiteit te doen. Zijn bezorgdheid over de uitslag daarvan was
miniem. Hij was slechts benieuwd hoe goed hij het er vanaf zou brengen.
Toen hij zijn cijferlijst ontvangen had schreef hij in een brief: 'Het
examen -om op dit gewichtige punt terug te komen- is juist zo uitgevallen
als ik het tevoren berekend had.' En waar de resultaten, met name bij de
talen, toch wat minder waren troostte hij zich met de gedachte dat hij het
er veel beter van af heeft gebracht dan zijn vrienden. In 1870 begon hij met
zijn studie wis- en natuurkunde aan de universiteit van Groningen.
Student wis- en natuurkunde
De jongeheer Kamerlingh Onnes was een uitstekende student. In zijn eerste
studiejaar deed hij mee aan een prijsvraag van de Universiteit van
Utrecht. Zijn inzending werd met de 'gouden penning' bekroond. De
Utrechtse hoogleraar F.C. Donders gaf hem de raad naar Duitsland te gaan.
Na zijn kandidaatsexamen (summa cum laude) vertrok hij voor drie semesters
naar Heidelberg. Bij de natuurkundige Kirchhoff werd hij als beste student
uitgekozen om enige tijd als assistent te werken.
In april 1873 keerde hij
terug naar Groningen waar hij in juni 1876 'met den eersten graad'
afstudeerde. Een resultaat dat hij behalve aan zijn grote verstandelijke
vermogens ook te danken had aan zijn nauwgezette manier van werken. Uit de
begeleidende brief bij een verslag over het ijken van gasthermometers:
'Waarde professor, Heden avond zal ik de thermometers afzenden terwijl gij
in dezen brief antwoord op uwen vragen zult vinden. Dat de vergelijking
eenigzins langen tijd in beslag genomen heeft vlei ik mij door hare
juistheid goed te maken. De thermometers zijn onder en microscoop
gecalibreerd en elke bepaling is het gemiddelde van ongeveer vijf
proeven.' Bij zijn aantekeningen bevinden zich schetsen van steeds
verfijndere proefopstellingen.
Naast nauwgezetheid en werkkracht beschikte
Kamerlingh Onnes ook over een groot talent voor organisatie. Ook dat kwam
tijdens zijn studie naar voren. Door zijn medestudenten tot rector van het
Groningse Studenten Corps gekozen wist hij de bijna failliete vereniging
"Vindicat atque Polit' weer tot bloei te brengen. Als rector van het corps
werkte hij mee aan het behoud van de universiteit die door bezuinigingen
dreigde te verdwijnen.
In Heidelberg was Kamerlingh Onnes al met slingerproeven bezig geweest.
Dat werd het onderwerp voor zijn promotie. '... de vermaarde slingerproef
van Foucault (is) slecht een bijzonder geval van eene geheele groep van
voor het begrip der betrekkelijke beweging zeer leerzame verschijnselen,
die proefondervindelijk even gemakkelijk en overtuigend de draaiing der
aarde laten bewijzen.' Het onderwerp was oud en daardoor weinig
spectaculair. Het geheel was wel typerend voor zijn manier van werken. De
benodigde toestellen weren met oog voor het kleinste detail door hem zelf
ontworpen. Het theoretisch onderzoek was zeer uitgebreid en de metingen
waren uitermate nauwkeurig. De professoren hoefden zich niet ter
beraadslaging terug te trekken. Op 10 juli 1879 werd Heike Kamerlingh
Onnes de doctorstitel -magna cum laude- verleend.
Hoogleraar
Vanaf 1878 werkte Kamerlingh Onnes op de polytechnische school in Delft
(de latere technische universiteit) als assistent van Johannes Bosscha.
Vanaf 1880 verzorgde hij daar ook colleges. Hij had een nauw contact met
J.D. van der Wals over de molecuultheorie van gassen en vloeistoffen.
In 1882 werd hij, net 29 jaar oud, benoemd tot hoogleraar in Leiden met
als opdracht de experimentele natuurkunde en de meteorologie. Dat was nieuw.
Het was gebruikelijk dat theoretische natuurkunde ook een onderdeel van het
takenpakket was. Het bleek een kolfje naar zijn hand. Kamerlingh Onnes kon
aan zijn levenswerk beginnen.
Uit zijn inaugurele rede, gehouden op 11
november 1882: '(de natuurkunde) kan haar belangrijk aandeel in het denken
en werken der hedendaagsche maatschappij slecht behouden, wanneer zij door
waarnemingen of proefnemingen telkens nieuwe grond aan het onbekende
ontworstelt. ... 'Door meten tot weten' zou ik als zinspreuk boven elk
physisch laboratorium willen schrijven.' Kamerlingh Onnes was bijzonder
geïnteresseerd in de theorieën van Van der Waals over het gedrag van
gassen en vloeistoffen. Om die theorieën experimenteel te bevestigen was
onderzoek van eenvoudige gassen zoals waterstof en helium nodig. Het
probleem was dat juist die gassen pas bij hele lage temperatuur
condenseren. En zo gaat Kamerlingh Onnes op weg naar het absolute nulpunt.
De uitgangspositie was niet hoopgevend. De behuizing van het laboratorium
was krap. De uitrusting was minimaal. Het personeel was beperkt tot twee
assistenten en een amanuensis. Kamerlingh Onnes ging met voortvarendheid
te werk. In de loop van de tijd weet hij voor zijn onderzoekingen meer
middelen te krijgen. Pieter Zeeman, een jongere collega daarover: 'Met een
vleiende opmerking, of door geestigen (heel soms ook scherpen) spot wist
hij wonderen te bereiken. Ook zij die op de hiërargische ladder boven hem
stonden kwamen onder zijn charme, ... en op het laatste oogenblik kon soms
een beslissing nog in een voor Onnes gunstigen zin worden verkregen.'
Toen in 1885 de andere laboratoria verhuisd waren beschikte Kamerlingh Onnes
over vier keer zoveel ruimte als toen hij begon. Een slimme zet was ook de
oprichting van de 'Vereniging tot Bevordering van de Opleiding tot
Instrumentenmaker'in 1890. Het vak van instrumentenmaker werd doorgaans in
de praktijk geleerd. Het was niet gemakkelijk om aan goed personeel te
komen. Met de oprichting van de Leidse instrumentenmakersschool sloeg
Kamerlingh Onnes meerdere vliegen in een klap. De beste leerlingen liet
hij meehelpen in zijn laboratorium. Voor zijn medewerkers was er een
aanvullende bron van inkomsten. De Leidse school had internationale faam.
De leerlingen waren na hun opleiding verzekerd van een baan. Vanuit alle
laboratoria ter wereld werd hen werk aangeboden.
Warmteleer
Aanvankelijk was Kamerlingh Onnes geen pionier. Lucht en waterstof waren
lang voordat hij er in slaagde al door anderen vloeibaar gemaakt. (In
respectievelijk 1877 en 1898.) Maar in 1906 beschikte Kamerlingh Onnes
over een toestel dat enige liters vloeibare waterstof per uur kon maken.
Hij was de eerste die het koude onderzoek op een haast industriële schaal
aanpakte.
Zijn rechterhand daarbij was de technicus en bedrijfchef(!) van
het laboratorium G.J. Flim. Flim was een buitengewoon handige knutselaar
die samen met de glasblazer O. Kesselring het grootste aandeel had in de
bouw van de toestellen om gassen vloeibaar te maken. De werking van zo'n
liquefactor is betrekkelijk eenvoudig. Wie zijn fietsband oppompt kan
merken dat de pomp zelf daarbij warm wordt terwijl lucht die bij het
ventiel ontsnapt altijd koud aanvoelt. Een gas dat samengeperst wordt
stijgt in temperatuur. Gas dat aan de druk ontsnapt, dat wil zeggen
plotseling uitzet, koelt af.
Als je nu het relatief warme samengeperste
gas afkoelt, dan zal het bij de snelle uitzetting nog kouder worden. Door
dit proces met hetzelfde gas te herhalen koelt het steeds verder af. Het
gas wordt alsmaar kouder en kan tenslotte condenseren. Daarvoor is het wel
nodig dat het beneden de voor elk gas verschillende zogeheten kritieke
temperatuur komt. Door de tegenstelling warm koud en de inventiviteit
waarmee juist aan een koude ruimte warmte onttrokken wordt is het een leuk
onderwerp. De koelkast werkt volgens hetzelfde principe. Het warme rooster
aan de achterkant koelt aan de buitenlucht af waardoor het in de koelkast
kouder wordt.
'Zíjn ontdekking van de supergeleiding'
Kamerlingh Onnes was een autoritair bestuurder. Hij was de baas van het
laboratorium en de onderzoekslijn werd uitsluitend door hem bepaald. Zijn
assistenten beschouwde hij niet als jongere collega's en zeker niet als
zelfstandige onderzoekers. Typerend is de affaire rond de supergeleiding.
Door de produktie van vloeibare helium was het mogelijk om elektrische
weerstanden te meten dicht bij het absolute nulpunt. Het was bekend dat
temperatuurverschillen invloed hebben op de weerstand van een metalen
draad. Over hoe de weerstand zich zou gedragen bij extreem lage
temperaturen bestond echter verschil van mening.
De theorie van Kelvin voorspelde een daling van de weerstand. De theorie
van Lenard voorspelde juist een stijging. Kamerlingh Onnes belastte G. Holst
met de uitvoering van het onderzoek. Het was moeilijk om metalen te krijgen die
zuiver genoeg waren. Sporen verontreinigingen in goud en zilver bleken het
experiment zo te beïnvloeden dat de resultaten moeilijk te interpreteren
waren. Holst probeerde het -in opdracht van Kamerlingh Onnes- met kwik.
Groot was zijn verbazing toen bleek dat bij 269 graden onder nul de
elektrische weerstand plotseling sterk daalde, ja zelfs verdween! Hij
overtuigde zich ervan dat hij geen vergissing gemaakt had en bracht zijn
baas van het merkwaardige verschijnsel op de hoogte. Kamerlingh Onnes
vertelde vervolgens op 27 mei 1911 in de Koninklijke Akademie van
Wetenschappen in Amsterdam over 'zijn' ontdekking. Hij was het die ervoor
gezorgd had dat het mogelijk was om bij zulke lage temperaturen metingen
te doen. Hij had ook opdracht gegeven om de weerstand van kwik te bepalen.
Elke competente natuurkundige zou daarbij de verschijnselen van
supergeleiding ontdekt hebben. De ontdekking was daarmee niet zozeer de
verdienste van Holst als wel van Kamerlingh Onnes. Holst moest zich
tevreden stellen met een vriendelijk bedankje voor zijn assistentie; de
eer van de ontdekking was voor zijn baas. Naar huidige maatstaven was dit
een zeer laakbare handelswijze. Voor Kamerlingh Onnes was het
vanzelfsprekend. In latere publikaties heeft hij overigens wel meer nadruk
gelegd op de rol van Holst bij de ontdekking van de supergeleiding.
Standsgevoel en gastvrijheid
Kamerlingh Onnes had ook een sterk standsgevoel. Toen Flim hem vertelde
dat hij zijn zoon naar de HBS wilde sturen raadde hij dat sterk af. Voor
zo iemand was een technische opleiding veel geschikter dan een opleiding
die toegang gaf tot de universiteit. Je moest niet proberen door te
dringen tot kringen waar je niet thuis hoorde. Flim hield voet bij stuk.
Zijn zoon studeerde later medicijnen en werd huisarts in Leiden. Mevrouw
Kamerlingh Onnes zou flauwgevallen zijn toen ze hoorde dat hij met de
dochter van een professor ging trouwen.
Kamerlingh Onnes eiste veel van zijn technici. Invoering van de vrije
zaterdagmiddag -op de meeste kantoren en fabrieken al gebruikelijk-
weigerde hij pertinent. Louis Ouwerkerk, in 1915 op het laboratorium
gekomen vertelde:' Je werd om en bij nieuwjaar op zijn kamer geroepen, je
dacht dat je opslag zou krijgen en vond dat je dat ook wel verdiende. Hij
stuurde je weg zonder een cent en toch was je erg tevreden.'
Tevreden waren ook de collega's aan wie Kamerlingh Onnes veelvuldig toestemming gaf
om in zijn laboratorium te werken. Het 'kyrogeen laboratorium' in Leiden
was jarenlang de enige plaats waar op grotere schaal proeven bij zulke
lage temperaturen gedaan konden worden. Ruim 15 jaar was Onnes de enige
die over vloeibare helium beschikte. Marie Curie, Jean en Henri Becquerel
en vele anderen maakten van zijn gastvrijheid gebruik. Vaak kregen ze
onderdak aangeboden in zijn eigen huis "Ter Wetering' aan de Haagweg. De
"Communications from the Physical laboratory at the University of Leiden'
werd een veel geciteerd tijdschrift.
Kamerlingh Onnes kreeg verschillende wetenschappelijke onderscheidingen
waaronder de nobelprijs voor natuurkunde in 1913. Zijn bestuurlijke
dadendrang wierp internationaal vruchten af door de oprichting van de
Association Internationale du Froid in 1909.
In 1924 ging hij met emiraat,maar hij bleef een trouwe bezoeker van zijn laboratorium. Na een kort
ziekbed stierf hij op 21 februari 1926. Volgens zijn vrouw was dat '..het
eerste verdriet dat hij me aandoet.' Vier dagen later werd hij in het
familiegraf in Voorschoten begraven.
|