Kamerlingh-Onnes Heike

fot. Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN

Kamerlingh-Onnes

[kạ:mərlıŋk ọnəs]

Heike, ur. 21 IX 1853, Groningen, zm. 21 II 1926, Lejda,

fizyk holenderski.

Urodził się 21 IX 1853 w Groningen. Heike urodził się w zamożnej rodzinie. Jego ojciec był producentem płytek ceramicznych. Heike uczył się w lokalnych szkołach, studia 1870 także rozpoczął na uniwersytecie w Groningen. Studiował tam matematykę i fizykę. Za prace w dziedzinie wiązań chemicznych został uhonorowany dwiema nagrodami i już 1871 uzyskał stopień kandydata nauk. W tymże roku popłynął do Heidelbergu, by na tamtejszym uniwersytecie studiować pod kierunkiem Gustava Kirchhoffa i Roberta Bunsena. Po powrocie (1873) dokończył studia w Groningen i 1876 otrzymał tytuł doktora. Pracował (także jako wykładowca) na politechnice w Delft. W 1882 przeniósł się na uniwersytet w Lejdzie, gdzie kierował wydziałem fizyki eksperymentalnej; w latach 1892–1923 był profesorem tego uniwersytetu. W 1894 założył w Lejdzie słynne laboratorium kriogeniczne, które stało się światowym centrum fizyki niskich temperatur. Kamerlingh-Onnes był członkiem wielu akademii nauk i towarzystw naukowych, m.in. Towarzystwa Królewskiego w Londynie i Królewskiej Akademii Nauk w Amsterdamie. Za badania właściwości materii w najniższych temperaturach, które doprowadziły m.in. do otrzymania ciekłego helu w 1913 otrzymał Nagrodę Nobla. Pod kierunkiem Kamerlingh-Onnesa prowadzono również prace m.in. z zakresu termodynamiki, promieniotwórczości, obserwacje zjawisk optycznych, magnetycznych i elektrycznych, a także badania fluorescencji i fosforescencji.

W 1887 Heike Kamerlingh-Onnes ożenił się; miał jednego syna, Alberta. Uczony zmarł 21 II 1926 w Lejdzie.

Blisko zera bezwzględnego

Przebywając w Deft Kamerlingh-Onnes, zetknął się z holenderskim fizykiem Johannesem D. van der Waalsem (1837–1923). Dyskusje z Waalsem skłoniły go do zajęcia się problemem właściwości materii w szerokim zakresie temperatur, zwłaszcza temperatur niskich. Do uzyskania niskich temperatur wykorzystywał opracowaną przez jednego z pionierów techniki niskich temperatur, szkockiego chemika i fizyka Jamesa Dewara (1842–1923) kaskadową metodę chłodzenia gazów. W 1908 udało mu się skroplić hel. Aby tego dokonać, musiał uzyskać temperaturę −268,98°C (4,2 K). Symetryczne otoczenie jądra helu przez 2 elektrony powoduje, że siły wzajemnego oddziaływania między atomami są bardzo słabe, dlatego skroplenie helu jest trudne — jego temperatura skraplania jest najniższa ze wszystkich gazów.

Kamerlingh-Onnes był pierwszym uczonym, który otrzymał temperatury bliskie zera bezwzględnego.

Odkrycie nadprzewodnictwa

Kamerlingh-Onnes prowadził badania dotyczące zachowania się przewodników elektryczności w niskich temperaturach. Istniała hipoteza, że opór elektryczny maleje wraz ze zmniejszaniem się wartości temperatury, w pewnej temperaturze osiąga minimum, a po jego przekroczeniu rośnie. Kamerlingh-Onnes usiłował doświadczalnie potwierdzić istnienie i określić punkt minimum oporu elektrycznego. Do oziębiania wykorzystywał skroplony hel. Badaniom poddawał platynę, a później złoto. Zauważył, że ich opór w miarę obniżania temperatury malał, a następnie ustalał się. Ponieważ obawiał się, że wyniki mogą być nieprawdziwe na skutek obecności zanieczyszczeń w tych metalach, w następnych doświadczeniach użył rtęci, którą łatwo mógł uzyskać w postaci bardzo czystego metalu. W maju 1911 zauważył, że w temperaturze 4,2 K opór elektryczny rtęci nagle zanika. Występowanie tego zjawiska stwierdził następnie w kilku innych metalach – ołowiu, cynie, glinie. (Powtórzone doświadczenia ze złotem i platyną nie dały podobnych rezultatów). Odkryte zjawisko Kamerlingh-Onnes nazwał supraprzewodnictwem, nieco później przyjęto termin nadprzewodnictwo.

Już 1913 wykorzystał je — zbudował pierwszy elektromagnes nadprzewodnikowy. Przez wiele lat podejmowano próby teoretycznego wyjaśnienia nadprzewodnictwa. Rosyjscy fizycy Witalij Ginzburg i Lew Landau 1950 opracowali fenomenologiczną teorię tego zjawiska (rozwiniętą później przez A. Abrikosowa i L. Gorkowa, tzw. teorię GLAG), opisującą makroskopowe właściwości nadprzewodników, ale dopiero w 1957 podano mikroskopową teorię nadprzewodnictwa. Opracowali ją fizycy amerykańscy: John Bardeen, Leon Cooper i John Robert Schrieffer (od ich nazwisk nadano jej nazwę: teoria BCS).

Ciała stałe, dla których obserwuje się zanik oporu elektrycznego po oziębieniu ich do pewnej temperatury, niższej od tzw. temperatury krytycznej nazywa się nadprzewodnikami. W 1986 Niemiec Johannes Georg Bednorz i Szwajcar Karl Alexander Müller otrzymali tlenek baru, lantanu i miedzi dla którego ta temperatura wynosiła 30 K (dla wcześniej poznanych nadprzewodników metalicznych była mniejsza od dwudziestu kilku K). Odkrycie to wywołało lawinowy rozwój poszukiwań nadprzewodników o wysokich temperaturach krytycznych, które nazwano nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi.

Nadprzewodnictwo znalazło zastosowanie przede wszystkim w elektromagnesach nadprzewodnikowych do wytwarzania silnych pól magnetycznych oraz w urządzeniach zwanych SQUID — czułych magnetometrach, stosowanych w różnych dziedzinach nauki i techniki, np. w geologii, a także w diagnostyce medycznej do pomiaru bardzo słabych zmian pola magnetycznego wywołanych np. bioprądami w organach ludzkich, jak serce, mózg czy nawet oko. (Wykorzystuje się w nich nadprzewodniki wysokotemperaturowe pracujące w temperaturze 77 K.)