Heike Kamerlingh Onnes

Heike Kamerlingh Onnes

21. 9. 1853–21. 2. 1926

Nizozemský fyzik a průkopník fyziky nízkých teplot. Roku 1908 jako první zkapalnil hélium a 8. dubna 1911 při měření rtuti objevil supravodivost. V roce 1913 obdržel Nobelovu cenu za fyziku.

Nizozemský fyzik Heike Kamerlingh Onnes se narodil 21. září 1853 v Groningenu jako nejstarší ze tří dětí. Otec Harm Kamerlingh Onnes vlastnil cihelnu poblíž Groningenu, matka Anna Gerdina Coers pocházela z Arnhemu a byla dcerou architekta. Mladší bratr Menso Kamerlingh Onnes (1860–1925) se stal známým malířem a sestra Jenny se provdala za malíře Florise Verstera. Heike v roce 1887 uzavřel sňatek s Marií Adrianou Wilhelminou Elisabeth Bijleveld a měli jednoho syna Alberta.

Studia a cesta k doktorátu

V roce 1870 začal Kamerlingh Onnes studovat na Univerzitě v Groningenu a v listopadu 1871 získal stupeň candidaats (≈ B.Sc.). V letech 1871–1873 strávil tři semestry v Heidelbergu, kde pracoval v laboratoři Roberta Bunsena a navštěvoval také výuku Gustava Kirchhoffa. Pobyt v Heidelbergu mu umožnila Seminarpreis (cena za seminární práci).

Podpis H. Kamerlingh Onnese
Kamerlingh Onnesův podpis

V dubnu 1873 se Kamerlingh Onnes vrátil do Groningenu pod školitelem Rudolfem Adriaanem Meesem. V červnu 1876 složil doktorskou zkoušku, v roce 1878 získal stupeň doctoraal (≈ M.Sc.) a 10. července 1879 obhájil disertaci Nieuwe bewijzen voor de aswenteling der aarde (Nové důkazy o axiální rotaci Země) summa cum laude. Téma disertace mu zadal Kirchhoff.

Delft a setkání s van der Waalsem

V letech 1878–1882 byl Kamerlingh Onnes asistentem Johannese Bosschy, ředitele Polytechnické školy v Delftu; v letech 1881–1882 ho zastupoval jako přednášející. V Delftu se Kamerlingh Onnes seznámil s prací Johannese van der Waalse o chování plynů a kapalin a jeho stavovou rovnicí (1873). Tato práce zásadně ovlivnila Onnesův výzkum a přivedla ho k systematickému zkapalňování plynů.

Leidenská kryogenní laboratoř

V roce 1882 byl Kamerlingh Onnes jmenován profesorem experimentální fyziky na Univerzitě v Leidenu, kde setrval až do roku 1923. Zde vybudoval proslulou kryogenní laboratoř, která se stala světovým centrem výzkumu nízkých teplot. Jeho heslem bylo „Door meten tot weten“ (Měřením k poznání) – výstižně charakterizující jeho experimentální přístup. Onnes vyvíjel kaskádní chladicí soustavu, v níž několik stupňů chlazení a expanze postupně umožnilo zkapalňovat plyny s nižšími body varu až po hélium.

Zkapalnění hélia (1908)

Dne 10. července 1908 se Kamerlingh Onnesovi podařilo jako prvnímu na světě zkapalnit hélium, čímž dosáhl teploty přibližně 4,2 K (−268,95 °C) při tlaku blízkém atmosférickému. Hélium bylo posledním tzv. „permanentním plynem“, který do té doby odolával zkapalnění. Použil Jouleův–Thomsonův jev a předchlazení kapalným vodíkem. Po snížení tlaku nad kapalným heliem se později přiblížil k 1 K, což byla jedna z nejnižších teplot dosažených na Zemi v tehdejší době. Tento úspěch otevřel cestu k výzkumu fyzikálních vlastností látek při teplotách blízkých absolutní nule.

Objev supravodivosti (1911)

Dne 8. dubna 1911 učinil Kamerlingh Onnes epochální objev. Při měření elektrického odporu rtuti při velmi nízkých teplotách zjistil, že odpor při teplotách řádu několika kelvinů skokově klesl na prakticky neměřitelnou hodnotu. Tento jev později dostal označení supravodivost. Později v letech 1912–1913 prokázal supravodivost i u dalších kovů – cínu (Tc = 3,7 K) a olova (Tc = 7,2 K).

Onnes také objevil základní limity supravodivosti: kritickou teplotu (Tc), nad níž supravodivost zaniká, kritické magnetické pole (Hc) a kritický proud, jejichž překročení supravodivost rovněž porušuje. Tyto charakteristiky jsou klíčové pro praktické využití supravodičů dodnes.

Kamerlingh Onnes v praxi

Kapalné hélium se stalo základním chladivem pro oblast teplot kolem 4 K. Díky němu bylo možné měřit vlastnosti kovů, plynů a magnetických materiálů v podmínkách, které před rokem 1908 nebyly experimentálně dostupné.

Supravodivost má praktický význam všude tam, kde je třeba vést proud bez ztrát a vytvářet silná magnetická pole. Moderní aplikace navazující na Onnesův objev zahrnují supravodivé magnety v magnetické rezonanci, částicové urychlovače, citlivé magnetometry a výzkum kvantových jevů v pevných látkách.

Doktorandi a odkaz

Mezi Onnesovými doktorandy patří významní fyzici:

Ocenění a uznání

Kamerlingh Onnes vytvořil experimentální základ fyziky velmi nízkých teplot. Zkapalnění hélia umožnilo výzkum látek v blízkosti absolutní nuly a objev supravodivosti otevřel nové odvětví fyziky pevných látek.

Heike Kamerlingh Onnes zemřel 21. února 1926 v Leidenu ve věku 72 let. Jeho kryogenní laboratoř pokračovala v práci a byla základem moderní fyziky nízkých teplot.

Kamerlingh Onnesův hrob
Kamerlingh Onnesův hrob – Nederlands Hervormd Kerkhof Dorpskerk, Voorschoten
Zdroj: Wikipedia

Časté otázky

Jak Kamerlingh Onnes zkapalnil hélium?
Vybudoval výkonnou kryogenní aparaturu s postupným předchlazováním a expanzí plynu. Klíčové bylo předchlazení héliového plynu kapalným vodíkem a následné využití Jouleova–Thomsonova jevu. Dne 10. července 1908 tak získal kapalné hélium o teplotě přibližně 4,2 K.
Co je supravodivost a proč byl její objev překvapením?
Supravodivost je stav, v němž elektrický odpor materiálu pod kritickou teplotou klesne na prakticky neměřitelnou hodnotu. Onnes při měření rtuti neočekával ostrý přechod; klasická fyzika neuměla náhlé vymizení odporu vysvětlit. Mikroskopické vysvětlení přinesla až teorie BCS v roce 1957.
Proč byl pro Onnesovu práci důležitý van der Waals?
Van der Waalsova stavová rovnice a princip korespondujících stavů poskytly teoretický rámec pro popis plynů a kapalin. Kamerlingh Onnes se s jeho prací seznámil v Delftu a využil ji při systematickém výzkumu zkapalňování plynů.
Co znamená kritická teplota Tc?
Kritická teplota Tc je teplota, pod níž se materiál stává supravodičem. U klasických supravodičů měřených Onnesem šlo o teploty několika kelvinů, například přibližně 4,2 K u rtuti, 3,7 K u cínu a 7,2 K u olova.

Další informace

Časté překlepy: Kamerling Onnes, Kammerlingh Onnes, Camerling Onnes.

Pojmenováno po Kamerlinghovi Onnesovi

Související