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HEIKE KAMERLINGH ONNES und die Supraleitung. Lebensdaten: 1853 - 1926. Die Tieftemperaturphysik oder Kryogenik hat unter den vielen kommerziellen Entwicklungen den Gefrierschrank, Düngemittel, Lötlampen und Raketentriebwerk hervorgebracht. Daneben aber gewann man durch da Studium bestimmter Substanzen bei Temperaturen unter -100 °C grundlegende Erkenntnisse über die Eigenschaften der Materie und des Elektromagnetismus. Die Supraleitung las Verschwinden des elektrischen Widerstands bei sehr tiefen Temperaturen, hatte technologische und theoretische Folgen. Ihre Entdeckung (1911) war der Höhepunkt im Schaffen des niederländischen Physikers Heike Kamerlingh Onnes. Der »Gentleman des absoluten Nullpunkts«, wie er genannt wurde, war ein ausgezeichneter Experimentator, Nobelpreisträger und Leiter eines einflußreichen Labors in Leiden. Heike Kamerlingh Onnes wurde am 21. September 1853 in Groningen geboren. Seine Mutter Anna Gerdina Coers war die Tochter eines Architekten, sein Vater Harm Kamerlingh Onnes Fliesenfabrikant. Ab 1870 studierte Heike Kamerlingh Onnes an der Universität Groningen Physik und Mathematik und gewann für seine Forschungen mehrere Preise. Es folgte ein Aufenthalt in Deutschland, wo er an der Universität Heidelberg unter Robert Bunsen und GUSTAV KIRCHHOFF studierte, bevor er zum Abschluß seiner akademischen Ausbildung nach Groningen zurückkehrte. 1879 erhielt er seinen Doktor summa cum laude, seine Dissertation mit dem Titel »Neue Beweise für die Axialrotation der Erde« war noch von Kirchhoff angeregt worden. Bereits im Jahr zuvor hatte er an der Polytechnischen Schule in Delft zu lehren begonnen. Anfang des 19. Jahrhunderts hatten Forscher entdeckt, daß Gase auf Druck- und Temperaturveränderungen in unvorhergesehener Weise reagieren. So hatte MICHAEL FARADAY herausgefunden, daß Chlor und Kohlendioxid verflüssigt werden konnten. Mit der Verbesserung der Analyseverfahren waren Wissenschaftler in der Lage, kleine Mengen von flüssigem Sauerstoff herzustellen. Ende des 19. Jahrhunderts fielen diese neuen Forschungen zur Tieftemperaturphysik mit den modernen Theorien der Thermodynamik und den neuen Modellen zu den Atomen und Molekülen zusammen. Gleichzeitig versuchte man, neue Methoden der Kühllagerung zu entwerfen. Ende der 70er Jahre wandte Kamerlingh Onnes sein Interesse den Gastheorien und kritischen Temperaturen zu, die sein älterer Kollege an der Polytechnischen Schule Johannes van der Waals entwickelt hatte. Van der Waals hatte ein »Gesetz der korrespondierenden Zustände« vor_ geschlagen, das Kamerlingh Onnes beweisen wollte. Das Gesetz basierte auf der Annahme, daß alle Gase bestimmte Eigenschaften aufweisen und sich in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Volumen gleich verhalten. Wegen der großen Bedeutung für die Grundlagenforschung war Kamerlingh Onnes von dem Gedanken fasziniert. Neben der Zielsetzung, praktische Anwendungen zu finden, hoffte er auch, wie er später sagte, »den Schleier wegzuziehen, den die Wärmebewegung bei Normaltemperatur über die Innenwelt der Atome und Elektronen legt.« Dazu war es nötig, Gase auf die tiefstmögliche Temperatur zu bringen -an den Punkt, an dem sie in den flüssigen Zustand übergehen. Als er 1882 von Delft an die Universität Leiden wechselte und dort Professor für Physik wurde, richtete er sich ein Labor ein, das gezielt auf diesen Zweck ausgerichtet war. Zu der Zeit waren zwei Techniken zur Kühlung von Gasen entwickelt worden, die Kamerlingh Onnes bei seinen frühen Forschungen angewandt hatte. Bei der einen, von Carl Linde entworfenen Methode wurde auf das Gas Druck ausgeübt und schließlich durch ein Leitungssystem gepreßt, was einen Wärmeaustausch zur Folge hatte, wodurch sich das Gas allmählich abkühlte. Bei der anderen Methode komprimierte man das Gas und ließ es anschließend plötzlich expandieren. 1892 hatte Kamerlingh Onnes einen Apparat entworfen, der sich einer »Kaskadenmethode« zur progressiven Abkühlung bediente. Die ersten Gase, mit denen er arbeitete, waren Sauerstoff und Luft, schließlich war sein Apparat in der Lage, in der Stunde vierzehn Liter flüssige Luft zu gewinnen - eine blaßblaue Flüssigkeit. Die dazu nötige Apparatur allerdings war überaus komplex, schwer herzustellen und mühsam zu betreiben. 1901 richtete er eine eigene Schule zur Ausbildung von Glasbläsern und Instrumentenbauern ein, um die besonderen Flakons und Röhren- und Pumpensysteme zu erhalten, die er benötigte. Über einen Zeitraum von zwei Jahrzehnten hatte Kamerlingh Onnes »wissenschaftliche Vorgehensweisen und zuverlässige technische Methoden in die Tieftemperaturphysik eingeführt«, schreibt Emilio Segre'. Mit der Weiterentwicklung der Kryogenik erkannte man, daß es für jedes Gas eine bestimmte Temperatur gibt, bei der es sich verflüssigt. Wasserstoff, einer der hartnäckigsten Fälle, wurde 1898 vom schottischen Wissenschaftler James Dewar verflüssigt, konnte aber erst acht Jahre später in , Kamerlingh Onnes' Labor in Leiden in größeren Mengen hergestellt werden. Bis 1907 hatte man alle bekannten Gase verflüssigt. Die einzige Ausnahme stellte Helium dar, das leichteste Gas, das erst bei vier Grad über dem absoluten Nullpunkt flüssig wird. 1908 schließlich erreichte Kamerlingh Onnes dieses wichtige Ziel. Flüssiges Helium ist vollkommen klar; als sich der Meniskus - die gekrümmte Oberfläche einer Flüssigkeit in einer aufrechtstehenden Röhre - bildete, bemerkte Kamerlingh Onnes dies erst, als ihn ein Besucher in seinem Labor darauf hinwies. »Mit dieser Verflüssigung«, schreibt J. van den Handel, »tat sich für die Forschung eine ganz neue Temperaturregion auf, ein Feld, auf dem Kamerlingh Onnes bis zu seinem Ruhestand der absolute Herrscher war.« Seine Forschungsergebnisse wurden regelmäßig im Ausland veröffentlicht, und niemanden überraschte es, als er 1913 für seine kryogenischen Forschungen den Nobelpreis für Physik erhielt. Die Entdeckung, für die er auch heute noch bekannt ist, stammt allerdings aus dem Jahr 1911. Bei Experimenten mit Quecksilber stellte er fest, daß bei einer Temperatur von 4,2 Kelvin (etwa -269 °C) der elektrische Widerstand plötzlich auf Null abfällt. Bei Zinn, Blei und anderen Metallen kam. Der absolute Nullpunkt ist der Anfangspunkt der thermodynamischen Temperaturskala (Kelvin-Skala). Jacques Charles hatte Ende des 18. Jahrhunderts herausgefunden, daß sich Gas um 1/273 seines Volumens zusammenzieht, wenn es von 1°C auf 0 °C abgekühlt wird. Folglich liegt der absolute Nullpunkt (null Kelvin) bei -273 °C. er zu ähnlichen Ergebnissen. Er konnte das Phänomen zwar nicht erklären, war sich aber über die Bedeutung vollkommen im klaren und ordnete dem fehlenden elektrischen Widerstand eine neue Zustandsform der Materie zu, die er als Supraleiehigkeit bezeichnete. Da sie sich durch die klassische Mechanik nicht erklären läßt, dauerte es bis 1957 bis JOHN BARDEEN, Leon Cooper und John Schrieffe; eine quantenelektrodynamische Theorie dazu entwickelten Die Suche nach Materialien, die auch bei höheren Tempel raturen supraleitend sind, hat in den letzten Jahren für viel Aufsehen gesorgt. Anwendungsgebiete dieser Materialien sind die Medizin und die Kernenergie. Seit einigen Jahren sind bereits sogenannte SQUIDS (supraleitende QuantenInterferenz-Instrumente) im Gebrauch, die im bescheidenen Rahmen bei der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden. Kamerlingh Onnes war ein engagierter Wissenschaftler, der sich bemühte, seine Forschungsergebnisse auch technisch umzusetzen - Nahrungsmittellagerung, Eisproduktion waren die Anwendungsgebiete, die auf seine Forschungen zurückgriffen. Er war mit Elizabeth Bijleveld verheiratet, mit der er einen Sohn hatte. Trotz seiner chronisch schlechten Gesundheit war er ein aktiver, energischer Mensch. Kamerlingh Onnes starb am 21. Februar 1926 in Leiden. Als er 1882 seine Professur in Leiden antrat, war seine Antrittsvorlesung überschrieben mit dem Titel »Die Bedeutung der quantitativen Forschung in der Physik.« Und wenn es nach ihm ginge, so sagte er damals, würde über jedem Eingang zu einem Physiklabor das Motto stehen: Door meten tot weten. Durch Messen zum Wissen. |
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