Physiknobelpreis 1913: Heike Kamerlingh Onnes

Physiknobelpreis 1913: Heike Kamerlingh Onnes

 

Der Niederländer wurde für seine Arbeiten über die Eigenschaften von Körpern bei niedrigen Temperaturen und seine Darstellung von flüssigem Helium geehrt.

 

 Biografie

 

Heike Kamerlingh Onnes, * Groningen (Niederlande) 21. 9. 1853, ✝ Leiden (Niederlande) 21. 2. 1926; seit 1882 Professor für Experimentalphysik und Direktor des Physikalischen Laboratoriums der Universität Leiden, gemeinsam mit dem theoretischen Physiker Hendrik Antoon Lorentz prägte er die Leidener Universität zur Zeit des Jahrhundertwechsels als Zentrum physikalischer Forschung.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Die gesamte Materie unserer Welt besteht aus Atomen und Molekülen, die Anziehungskräfte aufeinander ausüben, aufgrund derer feste, flüssige und gasförmige Körper zusammenhalten. Die Ausprägung des Zusammenhalts hängt von diesem Aggregatzustand ab, denn ob Kräften von außerhalb eines solchen Aggregats ein Widerstand entgegengehalten wird und in welchem Ausmaß dies geschieht, ist bei festen Körpern, Flüssigkeiten oder Gasen verschieden. Sind diese Kräfte geeignet, das Volumen oder die Gestalt zu ändern, so widerstehen ihnen feste Körper sehr, während Flüssigkeiten den Gestaltänderungen kaum, den Volumenänderungen aber noch beträchtlich trotzen. Der Gaszustand leistet beiden Veränderungen keinen Widerstand mehr, denn hier sind die Moleküle frei beweglich. Je schneller sie sich bewegen, desto wärmer ist das Gas; wird ein Gas abgekühlt, so werden die Moleküle träge; überschreitet der Kühlprozess die Siedetemperatur des Gases, so wird es flüssig, und bei weiterer Abkühlung gefriert die Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur zum Festkörper.

 

 Gastheorie und quantitative Untersuchungen

 

Die molekularen Abläufe waren vor dem 20. Jahrhundert weitgehend unbekannt; Naturforscher versuchten, das Verhalten der Gase zu verstehen. Im 17. Jahrhundert fanden der Engländer Robert Boyle und der Franzose Edme Mariotte das nach ihnen benannte Gesetz: Bei konstanter Temperatur des Gases bleibt auch das Produkt aus Druck und Volumen konstant. Bei Änderungen des Drucks muss also eine umgekehrt proportionale Volumenänderung eintreten und umgekehrt.

 

Dieses Gesetz berücksichtigt natürlich nicht die Erkenntnisse aus dem 19. Jahrhundert, dass die Gase aus einzelnen Molekülen bestehen, die jeweils für sich selbst einen gewissen Raum beanspruchen und aufeinander Kräfte ausüben.

 

Diese Kräfte wurden nach dem Amsterdamer Physikprofessor Johannes Diderik van der Waals (Nobelpreis 1910) benannt, der 1873 eine das Verhalten realer Gase mathematisch beschreibende Zustandsgleichung und 1880 das »Gesetz der korrespondierenden Zustände« aufstellte, nach dem alle realen Gase, abhängig von Druck, Volumen und Temperatur, gleiches Verhalten zeigen.

 

Im Jahr 1878 lernte Kamerlingh Onnes van der Waals kennen, dessen Gastheorie quantitativanalytisch und mathematisch exakt zu bestätigen er als Programm seiner künftigen Forschungen ansah.

 

Um sein Ziel zu erreichen, musste Kamerlingh Onnes einen Weg finden, von der Wärmebewegung der Gasmoleküle abstrahieren zu können. Im Experiment musste er die Gase dazu abkühlen. Wenn die Temperatur eines Gases tief genug fällt, bewirken die Kräfte, dass die Moleküle näher zueinander rücken; bei der so genannten kritischen Temperatur geht der Körper dann vom gasförmigen Aggregatzustand in den flüssigen über. Unter der Voraussetzung, dass das Volumen des Gases konstant bleibt, können solche Temperatursenkungen nach dem Boyle-Mariotte-Gesetz durch Druckerhöhung erreicht werden; für jedes Gas existiert dann ein Druck, bei dem es flüssig wird.

 

Um Gase auf eine Temperatur abkühlen zu können, die es kurz vor dem Übergang in den Flüssigkeitszustand hält, errichtete Kamerlingh Onnes in Leiden ein Tieftemperaturlabor. 1932 wurde es nach ihm benannt.

 

Nach einer auf den Deutschen Carl von Linde zurückgehenden Kühlmethode wird Gas unter hohem Druck durch Leitungen geführt und dabei durch Wärmeaustausch abgekühlt. Bei einer anderen Methode lässt man das zuvor zusammengepresste Gas sich plötzlich ausdehnen, woraufhin die Temperatur sinkt.

 

Kleinere Mengen von Sauerstoff und Stickstoff hatten schon 1877 der französische Physiker Louis Paul Cailletet und der Schweizer Wissenschaftler Raoul Pierre Pictet verflüssigt, und dem schottischen Chemiker James Dewar glückte 1898 sogar die Verflüssigung von etwas Wasserstoff. Doch Kamerlingh Onnes war für seine Experimente auf größere Mengen verflüssigter Gase angewiesen.

 

Eine in seinem Labor durchführbare Kaskadenmethode war sehr erfolgreich: Ein erstes Gas kühlte Kamerlingh Onnes bis zu dessen relativ hoher Verflüssigungstemperatur ab, um es danach expandieren zu lassen. Den bei der Verdunstung der Flüssigkeit entstehenden Dampf nutzte er, um ein anderes Gas niedrigerer Kondensationstemperatur zu kühlen. Auf diese Weise verflüssigte er nacheinander Methylchlorid bei 21 °C, mit 5 atm (Atmosphärendruck), Ethylen bei -87 °C, mit 3 atm, Sauerstoff bei -145 °C, mit 17 atm und Luft bei -193 °C, mit 1 atm.

 

 Heliumverflüssigung

 

Bis 1907 waren fast alle Gase verflüssigt und Temperaturen bis zu -259 °C erreicht worden. Bis auf 14 °C war man an den absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) herangekommen, aber es gab noch ein Gas, das sich der Verflüssigung bisher verweigert hatte. Helium, ein Edelgas, das man von seiner Existenz in der Sonne her kannte, war erst 1895 von William Ramsay (Nobelpreis 1904) in der Atmosphäre, nämlich in Uranpecherz, entdeckt worden; doch an seiner Verflüssigung hatten sich viele Experimentatoren vergebens versucht. Die allgemeine Annahme, dass dem Forscher hier Grenzen gesetzt seien, konnte Kamerlingh Onnes dann am 10. Juli 1908 widerlegen, denn an diesem Tag ging Heliumgas in seinem »Kryo-Labor« bei 4,2 Kelvin (-268,8 °C) in den flüssigen Zustand über. Dem Experiment wohnten einige Forscher, darunter van der Waals, bei. Niemand kannte die Verflüssigungstemperatur des Heliums, und so bemerkten sie diesen erstmaligen Übergang nicht. Dass die Temperatur bei 4,2 Kelvin (kritischer Druck zwischen 2 und 3 Atmosphärendruck) verweilte, verwunderte die Beobachter, aber erst als einer die Vermutung äußerte, das Helium könne ja schon flüssig, vielleicht nur schlecht erkennbar sein, beleuchtete Kamerlingh Onnes das Auffanggefäß und konnte dann seinem Freund van der Waals tatsächlich erstes kondensiertes, hell glänzendes Helium zeigen.

 

Bei der systematischen Untersuchung des neu erschlossenen Temperaturbereichs beobachtete Kamerlingh Onnes 1911, dass der elektrische Widerstand in Quecksilberfäden bei Heliumverflüssigungstemperatur plötzlich verschwindet. Dieses von ihm »Supraleitung« genannte Phänomen wurde 1957 von John Bardeen, Leon Neil Cooper und John Robert Schrieffer theoretisch erklärt (Nobelpreis 1972). Dass Lanthan-Barium-Kupferoxid schon bei der »hohen« Temperatur von -238 °C ein »Supraleiter« ist, wiesen schließlich 1987 Karl Alexander Müller und Johannes Georg Bednorz nach (Nobelpreis 1987).

 

R. Seising