(Heike Kamerlingh Onnes_ odkrywca nadprzewodnictwa).pdf

Heike Kamerlingh Onnes:

odkrywca nadprzewodnictwa

Wyæcig o osigni«cie temperatury bliskiej zera bezwzgl«dnego

niespodziewanie doprowadzi¸ do odkrycia zjawiska

przep¸ywu prdu elektrycznego bez oporu

Rudolf de Bruyn Ouboter

ru elektrycznego Ð to jedno

z najbardziej fascynujcych zja-

wisk przyrody. Dziesi« lat temu pod-

czas konferencji, ktr nazwano ãWood-

stockiem fizykiÓ, setki naukowcw st¸o-

czonych w sali balowej hotelu Hilton

w Nowym Jorku s¸ucha¸o przygotowa-

nych pospiesznie doniesieÄ o nadprze-

wodnictwie w temperaturach znacznie

wyýszych niý dotd stwierdzano. Trzy-

dzieæci lat wczeæniej John Bardeen, Le-

on N. Cooper i John R. Schrieffer opra-

cowali podstawy najlepszego opisu

nadprzewodnictwa. PogoÄ za teori

i syntez materia¸w nadprzewodz-

cych w coraz wyýszych temperaturach

odsun«¸a w zapomnienie prace wspa-

nia¸ego ekperymentatora i odkrywcy

nadprzewodnictwa Ð HeikeÕa Kamer-

lingha Onnesa.

Onnesa fascynowa¸o zimno; zapewne

by¸o mu szczeglnie mi¸o, gdy w¸aænie

w mrony grudniowy dzieÄ 1913 ro-

ku odbiera¸ w Sztokholmie Nagrod«

Nobla w dziedzinie fizyki. Podsta-

wowym celem jego badaÄ by¸ iloæcio-

wy opis w¸aæciwoæci gazw w ekstre-

malnie niskich temperaturach; usi¸ujc

uzyska najniýsze temperatury, odkry¸

nadprzewodnictwo.

Onnes urodzi¸ si« w 1853 roku w Gro-

ningen, w p¸nocno-wschodniej Holan-

dii. Jego ojciec by¸ w¸aæcicielem fabryki

produkujcej dachwki, ale wydaje si«,

ýe artystyczne upodobania matki mia¸y

wi«kszy wp¸yw na rodzin«. Jego brat

i bratanek zostali cenionymi malarza-

mi, siostra poælubi¸a mieszkajcego

w Lejdzie znanego artyst« Florisa Ver-

stera, a sam Onnes prbowa¸ w m¸odo-

æci si¸ jako poeta. ålad rymotwrczych

zami¸owaÄ odnale moýna w s¸owach

widniejcych na drzwiach jego labora-

torium Ð Door meten tot weten (Przez do-

æwiadczenie do wiedzy). Prawdziwe pa-

sje Onnesa mia¸y si« jednak rozpali

wu obrotu Ziemi na ruch krtkiego wa-

had¸a. Podobno na zakoÄczenie obrony

egzaminatorzy bili mu brawo.

W okresie, gdy prace nad doktoratem

mia¸y si« ku koÄcowi, Onnes pozna¸

Johannesa Diderika van der Waalsa,

wwczas profesora fizyki na Uniwer-

sytecie w Amsterdamie. W¸aæciwo-

æci gazw by¸y doæ dobrze znane juý

od koÄca XVII wieku, gdy Robert Boy-

le, uczony pochodzenia angielsko-ir-

landzkiego, wykaza¸, ýe w dowolnej

temperaturze ciænienie gazu jest od-

wrotnie proporcjonalne do jego obj«to-

æci. Rwnanie opisujce w¸aæciwoæci ga-

zu by¸o s¸uszne w przypadku hipotety-

cznego gazu doskona¸ego o pozbawio-

nych rozmiaru i nie oddzia¸ujcych ze

sob czsteczkach. Udoskonalanie tech-

nik pomiarowych doprowadzi¸o jed-

nak fizykw i chemikw do odkrycia

odchyleÄ od zachowania si« gazw

doskona¸ych.

Van der Waals zaj¸ si« opracowa-

niem spjnego opisu gazw rzeczywi-

stych, uwzgl«dniajcego fakt, ýe ich cz-

steczki maj obj«toæ i oddzia¸uj ze

sob. W 1873 roku uda¸o mu si« sfor-

mu¸owa tzw. rwnanie van der Waal-

sa opisujce stan gazu rzeczywistego.

Siedem lat pniej opublikowa¸ odkry-

te przez siebie prawo stanw odpowia-

dajcych sobie: by¸o to jedno rwnanie

opisujce zachowanie wszystkich ga-

zw. Tak wi«c chociaý rozprawa Onne-

sa w dziedzinie mechaniki by¸a wzoro-

wa, jej autora bardziej interesowa¸a

tematyka prac van der Waalsa i bada-

nie w¸aæciwoæci gazw.

dopiero pniej, w pracach dotyczcych

fizyki niskich temperatur.

W 1870 roku Onnes zapisa¸ si« na

Uniwersytet w Groningen, by studio-

wa fizyk«. Rok pniej ten niespokojny

duch przenis¸ si« na Uniwersytet w

Heidelbergu w Niemczech, gdzie stu-

diowa¸ z chemikiem Robertem Bunse-

nem (ktrego nazwisko zna kaýdy, kto

zapala¸ palnik gazowy w szkolnym la-

boratorium) i fizykiem Gustavem Kirch-

hoffem. W 1873 roku Onnes powrci¸

do Groningen, gdzie pi« lat pniej

obroni¸ prac« doktorsk na temat wp¸y-

HEIKE KAMERLINGH ONNES (na stronie obok) wsparty na skonstruowanym przez

siebie urzdzeniu skraplajcym gazowy hel ozi«biony do temperatury bliskiej zera bez-

wzgl«dnego. Szcz«æliwie si« z¸oýy¸o, ýe efektem ubocznym dýenia do uzyskania ekstre-

malnie niskich temperatur by¸o odkrycie zjawiska, ktre nazwa¸ ãnadprzewodnictwemÓ.

W ostatnim dziesi«cioleciu odkryto nadprzewodnictwo w znacznie wyýszej temperatu-

rze, co rozbudzi¸o nadzieje na rozwj rynku urzdzeÄ wykorzystujcych to zjawisko. Na

fotografii powyýej technik zaangaýowany w takie badania sprawdza cewk« zanurzon

w tanim ciek¸ym azocie o temperaturze oko¸o 77 K.

72 å WIAT N AUKI Maj 1997

N adprzewodnictwo Ð brak opo-

APARATURA DO PROCESU KASKADOWEGO skonstruowana przez Onnesa w 1892 roku (a) produkowa¸a 14 l ciek¸ego powietrza

na godzin«. Bez ciek¸ego powietrza nie mog¸aby dzia¸a skraplarka wodoru (b) , udoskonalona przez Onnesa w 1906 roku. Gazowy wo-

dr przep¸ywa¸ przez uk¸ad do naczynia ch¸odzonego ciek¸ym azotem, a nast«pnie do zaworu, przez ktry przechodzc, rozpr«ýa¸

si«, wskutek czego ulega¸ skropleniu. Ciek¸y wodr by¸ gromadzony, a reszta gazu zawracana do kompresora. W 1908 roku Onnes skon-

struowa¸ pierwsz skraplark« helow (c) . Na fotografii z 1911 roku (d) pozuje na jej tle wraz ze swym mentorem, Johannesem Dide-

rikiem van der Waalsem, a 10 lat pniej Ð ze swym g¸wnym asystentem Gerritem Flimem (e).

W 1882 roku Onnes zosta¸ profeso-

rem na Uniwersytecie w Lejdzie. W

owych czasach w badaniach si¸ mecha-

nicznych i elektromagnetycznych z po-

wodzeniem stosowano metody ilo-

æciowe, ale prace nad materi mia¸y

charakter przede wszystkim jakoæcio-

wy. Onnes podj¸ prb« uczynienia

z analizy iloæciowej metody uniwersal-

nej; matematyczna precyzja by¸a istot-

nym elementem prowadzonych przez

niego badaÄ.

twrcw takich urzdzeÄ (Society for the

Promotion of the Training of Instrument

Makers). Wbudowana w struktur« uni-

wersytetu szko¸a kszta¸ci¸a wysoko wy-

kwalifikowanych technikw, w tym rw-

nieý szklarzy, ktrzy produkowali urz-

dzenia dla Onnesa i wielu innych uczo-

nych na ca¸ym æwiecie.

W 1877 roku francuski fizyk Louis P.

Cailletet i, niezaleýnie, Szwajcar Raoul

P. Pictet skroplili tlen i azot. Do tego

czasu wielu uczonych by¸o przeko-

nanych, ýe nie da si« przeprowadzi tych

gazw, a takýe wodoru z fazy gazowej

w ciek¸. (Hel zosta¸ odkryty na Ziemi

w 1895 roku, chociaý wczeæniej z analizy

widmowej wiedziano o jego istnieniu na

S¸oÄcu.) Problemem by¸o uzyskanie nie-

zwykle niskiej temperatury koniecznej

do skroplenia gazu. Cailletet i Pictet

otrzymali ma¸e iloæci cieczy; Onnes do

prowadzenia swych badaÄ potrzebowa¸

jej bardzo duýo.

Do 1892 roku Onnes uruchomi¸ apa-

ratur« o wymaganej wydajnoæci. Jej kon-

strukcj« opar¸ na zasadzie nazwanej

pniej procesem kaskadowym, w kt-

rym uýy¸ kilku gazw o coraz niýszej

temperaturze skraplania. Kaýdy gaz by¸

spr«ýany, ozi«biany do temperatury

skraplania, a nast«pnie rozpr«ýany.

Powstajca podczas parowania cieczy

para ozi«bia¸a nast«pny w szeregu spr«-

ýony gaz. Zaczynajc od chlorku me-

tylowego, ktry kondensuje w tempe-

raturze 21¡C pod ciænieniem 5 atm, On-

nes skropli¸ kolejno etylen (Ð87¡C w

3 atm), tlen (Ð145¡C w 17 atm) i w koÄ-

cu powietrze (Ð193¡C w 1 atm).

Aby skropli wodr, naleýa¸o osi-

gn znacznie niýsz temperatur«, co

wymaga¸o zbudowania bardziej precy-

zyjnej aparatury. Zgodnie z rwnaniem

gazu doskona¸ego jego ciænienie w sta-

¸ej obj«toæci maleje wraz z obniýaniem

temperatury. Teoria przewiduje, ýe ci-

ænienie staje si« rwne zeru w tempera-

turze Ð273.15¡C (w takich warunkach

gaz rzeczywisty by¸by juý ciecz). Ta

temperatura okreæla po¸oýenie zera na

skali Kelvina i jest nazywana tempera-

tur zera bezwzgl«dnego, poniewaý

osigni«cie niýszej temperatury jest

niemoýliwe.

W 1898 roku James Dewar, fizyk

szkocki badajcy zjawiska z zakresu ni-

skich temperatur, zwyci«ýy¸ Onnesa

w wyæcigu o skroplenie wodoru, wyko-

rzystujc efekt termodynamiczny zwa-

ny zjawiskiem JouleÕaÐThomsona: tem-

peratura gazu rozpr«ýajcego si« przez

zawr ulega zmianie, zwykle si« zmniej-

sza. Zjawisko JouleÕaÐThomsona znala-

z¸o zastosowanie w procesie kaskado-

wym; Dewar uczyni¸ z niego zasadni-

cz cz«æ ca¸ego cyklu, gdyý w tempera-

turze poniýej Ð80¡C wodr ozi«bia si«

przy rozpr«ýaniu. (Co ciekawe, w tem-

Kaskada w kierunku ciek¸ego wodoru

Jedynym sposobem sprawdzenia

s¸usznoæci idei van der Waalsa by¸ po-

miar w¸aæciwoæci gazu w ekstremalnych

warunkach. Na przyk¸ad im niýsza jest

temperatura, tym bardziej w¸aæciwoæci

gazu odbiegaj od przewidywaÄ s¸usz-

nych dla gazu doskona¸ego, a staj si«

zgodne z przewidywaniami van der

Waalsa dla gazw rzeczywistych. Ko-

niecznoæ osigni«cia bardzo niskiej tem-

peratury doprowadzi¸a Onnesa do stwo-

rzenia w Lejdzie laboratorium krioge-

nicznego, ktre w 1932 roku zosta¸o na-

zwane jego imieniem. Zapotrzebowanie

na wykwalifikowanych rzemieælnikw

potraficych wytwarza skomplikowa-

n i delikatn aparatur« dla techniki krio-

genicznej zaowocowa¸o powo¸aniem

towarzystwa na rzecz kszta¸cenia wy-

74 å WIAT N AUKI Maj 1997

peraturze powyýej Ð80¡C, podczas roz-

pr«ýania, wodr si« ogrzewa, co wyja-

ænia, dlaczego punkt ten nosi nazw«

temperatury inwersji.) W ten sposb

Dewar ozi«bi¸ wodr do temperatury

Ð253¡C, czyli 20 K.

Urzdzenie Dewara wytwarza¸o nie-

wielkie iloæci ciek¸ego wodoru, ale to

wynalazcy specjalnie nie martwi¸o. Wy-

daje si«, ýe celem Dewara by¸o osigni«-

cie temperatury bliskiej zera bezwzgl«-

dnego, Onnes zaæ dýy¸ do badania

w¸aæciwoæci gazu w niskiej temperatu-

rze. I to on w¸aænie zosta¸ nazwany ãka-

walerem zera bezwzgl«dnegoÓ.

Onnes chcia¸ otrzymywa znacznie

wi«ksze iloæci ciek¸ego wodoru niý De-

war, co wyjaænia, dlaczego skropli¸ ten

gaz dopiero osiem lat pniej. Innym

powodem by¸y obawy mieszkaÄcw

Lejdy. W 1807 roku, podczas okupacji

Holandii przez Napoleona, w centrum

Lejdy wybuch¸ statek z amunicj. Labo-

ratorium Onnesa zbudowano na gru-

zach zniszczonej cz«æci miasta. Pami«

o wybuchu spowodowa¸a, ýe gdy w

1896 roku radni dowiedzieli si« o zgro-

madzonych w laboratorium znacznych

iloæciach spr«ýonego wodoru, gazu bar-

dzo wybuchowego, wpadli w panik«.

Spraw« laboratorium rozpatrywa¸a po-

wo¸ana przez w¸adze komisja, a projekt

skroplenia wodoru zosta¸ wstrzymany

na dwa lata, mimo ýe cz¸onkiem komi-

sji by¸ van der Waals, a Dewar wysto-

sowa¸ apel o wyraýenie zgody na kon-

tynuowanie badaÄ przez Onnesa.

Do 1906 roku zesp¸ Onnesa skon-

struowa¸ urzdzenia wykorzystujce

zjawisko JouleÕa-Thomsona i umoýli-

wiajce wytwarzanie doæ duýych ilo-

æci ciek¸ego wodoru. Gazowy wodr by¸

w skraplarce spr«ýany, przep¸ywa¸

przez obszar ch¸odzony ciek¸ym azo-

tem, a nast«pnie rozpr«ýa¸ si«, och¸a-

dzajc jednoczeænie na tyle, by skrople-

niu uleg¸a przynajmniej jego cz«æ.

Pozosta¸y gaz wychwytywano i ponow-

nie poddawano ca¸ej procedurze. Po-

cztkowo urzdzenie wytwarza¸o 4 l cie-

k¸ego wodoru na godzin«, a po udo-

skonaleniach Ð 13 l.

co gazowego helu. Na szcz«æcie brat On-

nesa by¸ dyrektorem Biura Wywiadu

Handlowego w Amsterdamie i dopro-

wadzi¸ do zakupu duýej iloæci piasku

monacytowego z Karoliny P¸nocnej,

zawierajcego hel. Z jednego transpor-

tu Onnes uzyska¸ 300 l gazowego helu

(pod ciænieniem 1 atm).

Podstaw projektu skroplenia helu

by¸a umiej«tnoæ wytwarzania odpo-

wiednich iloæci ciek¸ego wodoru. On-

nes zaprojektowa¸ nowe urzdzenie,

w ktrym zastosowa¸ ciek¸e powietrze

i ciek¸y wodr jako czynniki ch¸odzce.

I tym razem zjawisko JouleÕaÐThomso-

na mia¸o doprowadzi do pojawienia

si« kilku drogocennych kropli cieczy.

Uk¸ad by¸ gotowy 10 lipca 1908 roku,

a po uniwersytecie szybko roznios¸a si«

wieæ o planowanym doæwiadczeniu.

Ma¸a grupa uczonych obserwowa¸a

przebieg eksperymentu.

Do popo¸udnia przez uk¸ad przep¸y-

wa¸ gazowy hel, wieczorem nadal nie

by¸o cieczy, termometr wciý wskazy-

wa¸ 4.2 K i nie chcia¸ zejæ poniýej tego

poziomu. Fransiscus Schreinemakers,

profesor chemii znajdujcy si« tam przy-

padkiem, wysun¸ przypuszczenie, ýe

by moýe wskazania termometru prze-

sta¸y si« zmniejsza, gdyý ciek¸y hel juý

powsta¸, ale po prostu trudno jest go zo-

baczy. Onnes oæwietli¸ od do¸u naczy-

nie, w ktrym mia¸ gromadzi si« hel.

Nagrod jest hel

W 1895 roku, gdy Onnes i Dewar pr-

bowali skropli wodr, Anglik William

Ramsay odkry¸ na Ziemi hel. Hel jest

najlýejszym z gazw szlachetnych; jego

atomy oddzia¸uj ze sob niezwykle s¸a-

bo, co jest przyczyn wyjtkowo niskiej

temperatury skraplania. Dotychczas

æwi«tym Graalem by¸ wodr, teraz sta¸

si« nim hel. ãPostanowi¸em natychmiast,

ýe moim celem b«dzie pokonanie tego

ostatniego etapuÓ Ð napisa¸ Onnes.

Pierwszym krokiem by¸o uzyskanie

odpowiedniej iloæci odkrytego dopiero

å WIAT N AUKI Maj 1997 75

LORD KELVIN

(1902)

MATTHIESSEN

(1864)

DEWAR

(1904)

TEMPERATURA

0.002

TAL

RT¢

0.001

CYNA

OüîW

KADM

TEMPERATURA (KELWINY)

SPR¢ûARKA CAILLETETA (a) , wynaleziona przez Louisa Cailleteta, ktry skropli¸ tlen i azot, okaza¸a si« nieoceniona dla Onnesa w je-

go badaniach. Poniewaý spr«ýanie i rozpr«ýanie gazu odbywa¸o si« bez strat, urzdzenie przydatne by¸o do pracy z czystymi i drogimi

gazami. Szklana kapilara w kszta¸cie litery W (b) wype¸niona rt«ci uýywana by¸a do pomiaru oporu tego metalu w niskiej temperatu-

rze. Przed doæwiadczeniami Onnesa przewidywana zaleýnoæ oporu metali od temperatury (c) by¸a zupe¸nie rýna od prawdziwej. On-

nes stwierdzi¸ gwa¸towny spadek oporu ozi«bianej rt«ci i kilku innych metali (d) .

Wspomina¸ potem, ýe by¸a to cudowna

chwila, gdy nagle przez szklan æciank«

ujrza¸ ostr jak ný powierzchni« cie-

czy; z nadmiaru szcz«æcia nie by¸ w sta-

nie pokaza tego van der Waalsowi.

Zmniejszajc ciænienie, Onnes obniýy¸

temperatur« do 1.7 K, jak na owe czasy

niewiarygodnie blisko zera bezwzgl«d-

nego. Pomiaru tak niskiej temperatury

dokonywano za pomoc helowego ter-

mometru gazowego. (W sta¸ej obj«toæci

i pod niskim ciænieniem gazowy hel za-

chowuje si« prawie tak jak hipotetyczny

gaz doskona¸y, co umoýliwia pomiar

temperatury: ciænienie pomnoýone przez

obj«toæ jest proporcjonalne do tempe-

ratury; moýna j wi«c wyznaczy, mie-

rzc ciænienie przy zadanej obj«toæci.)

ýaniem temperatury. Gorco jednak

dyskutowano o tym, co dzieje si« z opo-

rem w temperaturze bliskiej zera bez-

wzgl«dnego. Lord Kelvin sdzi¸, ýe

przep¸yw elektronw, ktry Ð jak na to

wskazywa¸ malejcy opr Ð najwidocz-

niej poprawia¸ si« w coraz niýszej tem-

peraturze, moýe usta z powodu ãza-

mroýeniaÓ elektronw. Opr w tem-

peraturze zera bezwzgl«dnego by¸by

wwczas nieskoÄczony. Inni Ð w tym

takýe Onnes i Dewar Ð przypuszczali,

ýe opr b«dzie wciý mala¸ zgodnie z

zaleýnoæci pot«gow i zaniknie w tem-

peraturze zera bezwzgl«dnego. (W 1905

roku Niemiec Walther H. Nernst wyka-

za¸, ýe prawa termodynamiki nie po-

zwalaj na uzyskanie temperatury zera

bezwzgl«dnego w ýadnym doæwiadcze-

niu. Dzi«ki uýyciu rzadko wyst«pujce-

go izotopu helu 3 osigni«to tempera-

tur« 0.3 K, a wykorzystanie zjawiska

demagnetyzacji atomw umoýliwi¸o

osigni«cie nawet 0.00001 K.) To, co si«

okaza¸o, by¸o naprawd« niezwyk¸e, a z

uwagi na wczesny stan wiedzy o ma-

terii w skali atomowej Ð zupe¸nie nie do

przewidzenia.

Onnes zdecydowa¸ si« na badania rt«-

ci, gdyý niedoskona¸oæci struktury sta-

¸ych metali mog¸y zaburza przep¸yw

prdu i utrudnia interpretacj« wyni-

kw. Wielokrotnie destylowa¸ rt« w

temperaturze pokojowej, aby przygoto-

wa bardzo czyst prbk« do pomiarw

w niskiej temperaturze. Wreszcie rt«

zosta¸a umieszczona w szklanej kapila-

rze w kszta¸cie litery U, zamkni«tej na

obu koÄcach elektrodami umoýliwiaj-

cymi przep¸yw prdu. Ostatecznie ozi«-

biona i zestalona rt« utworzy¸a drut.

Onnes i jego wsp¸pracownicy zaobser-

wowali oczekiwane zmniejszanie si«

oporu wraz z obniýaniem temperatury.

Jednak w temperaturze ciek¸ego helu,

istotnie wyýszej niý temperatura zera

bezwzgl«dnego, opr wydawa¸ si« ca¸-

kowicie zanika.

Doæwiadczenie przeprowadzali On-

nes, Gerrit Flim, szef zespo¸u technikw,

oraz Gilles Holst i Cornelius Dorsman.

Onnes i Flim dogldali prac« aparatu-

ry kriogenicznej, w ktrej ozi«biana by-

¸a rt«, a Holst i Dorsman siedzieli w od-

dalonym o 50 m pokoju i odczytywali

wskazania galwanometru.

Jacobus de Nobel, pracownik labora-

torium kriogenicznego w Lejdzie, przy-

tacza¸ niedawno histori«, ktr us¸ysza¸

od Flima, gdy jako m¸ody cz¸owiek w

1931 roku rozpoczyna¸ prac«. (Trzeba

oczywiæcie by ostroýnym i nie bra tej

opowieæci zbyt dos¸ownie, bo czas robi

swoje, a i æwiadectwo nie jest z pierw-

szej r«ki.) Otý ponawiane doæwiadcze-

nia wciý dawa¸y ten sam wynik zero-

wego oporu w temperaturze ciek¸ego

helu. Badacze przypuszczali, ýe przy-

Mrz i prd

Kolejne trzy lata Onnes poæwi«ci¸ na

udoskonalanie aparatury do badaÄ

z wykorzystaniem ciek¸ego helu. Wiel-

kim problemem by¸o nawet przelanie

helu z naczynia, w ktrym gromadzi¸

si« podczas skraplania, do zbiornika,

w ktrym mia¸ by przechowywany.

Wreszcie w 1911 roku by¸ gotowy krio-

stat do badaÄ w¸aæciwoæci innych sub-

stancji, utrzymujcy ciek¸y hel w sta¸ej,

niskiej temperaturze.

W owym czasie wiedziano juý, ýe

opr metalu zmniejsza si« wraz z obni-

76 å WIAT N AUKI Maj 1997

czyn jest jakieæ zwarcie i zast-

pili rurk« w kszta¸cie litery U

rurk w kszta¸cie litery W z elek-

trodami na obu koÄcach i w ko-

lankach, co dawa¸o moýliwoæ

pomiaru oporu czterech rýnych

cz«æci prbki rt«ci. I tym razem

opr by¸ rwny zeru, a w ýad-

nym z segmentw nie zdo¸ano

doszuka si« zwarcia.

Wciý wi«c powtarzali po-

miary. UczeÄ ze szko¸y kszta¸-

ccej technikw mia¸ obowizek

kontrolowania wskazaÄ mano-

metru pod¸czonego do apara-

tury. Ciænienie par helu w krio-

stacie musia¸o by troch« niýsze

niý atmosferyczne, dzi«ki cze-

mu sczce si« przez nieszczel-

noæci do wn«trza powietrze za-

marza¸o i uszczelnia¸o apara-

tur«. Podczas jednego z pomia-

rw m¸odzieniec zdrzemn¸ si«.

Ciænienie powoli ros¸o, a z nim

temperatura. Gdy osign«¸a

oko¸o 4.2 K, Holst stwierdzi¸

gwa¸towny skok wskazaÄ gal-

wanometru, sygnalizujcy po-

jawienie si« oporu.

Jeæli wierzy opowieæci No-

bela, Holst by¸ mimowolnym

æwiadkiem procesu odwrotne-

go do tego, w ktrym rt« prze-

chodzi ze stanu normalnego

przewodnictwa do stanu, ktry Onnes

nazwa¸ nadprzewodzcym. Powtarzane

wciý pomiary utwierdzi¸y Onnesa

w przekonaniu, ýe w temperaturze bli-

skiej 4.2 K opr rt«ci naprawd« zanika¸.

Odkrycie to opublikowa¸ w listopadzie

1911 roku w pracy pt. ãO nag¸ej zmianie

szybkoæci znikania oporu rt«ciÓ. Kolej-

ne doæwiadczenia z cyn i o¸owiem wy-

kaza¸y, ýe wiele metali przechodzi

w stan nadprzewodzcy w odpowied-

nio niskiej temperaturze.

Do 1914 roku Onnes odkry¸ sposb

wytwarzania trwa¸ego prdu lub, jak

go nazywa¸, ãuporczywego superpr-

duÓ w nadprzewodzcej cewce z o¸o-

wiu. Cewka by¸a umieszczona w krio-

stacie i odpowiednio ozi«biona, a prd

indukowano za pomoc zewn«trznego

pola magnetycznego. Brak oporu po-

wodnictwo. By¸a to najwi«ksza

przeszkoda w praktycznym

wykorzystaniu odkrycia Onne-

sa za jego ýycia. Min«¸o p¸

wieku, nim wynaleziono i pod-

j«to produkcj« materia¸w, kt-

re nadprzewodzi¸y prdy o du-

ýym nat«ýeniu w silnym polu

magnetycznym. Najwaýniejsze

osigni«cie, b«dce wynikiem

post«pu w badaniach nadprze-

wodnictwa w ostatnim p¸wie-

czu, to konstrukcja urzdzenia

do obrazowania metod rezo-

nansu magnetycznego, stano-

wicego podstaw« nowoczesnej

diagnostyki medycznej.

Heike Kamerlingh Onnes

zmar¸ w 1926 roku. Naleýy mu

si« podziw tym bardziej, ýe

cierpia¸ na astm«, co zmusza¸o

go do opuszczania laborato-

rium i d¸ugich kuracji w Szwaj-

carii. Nieobecnoæ Onnesa w

laboratorium nie przeszkadza-

¸a mu w kierowaniu swymi

podw¸adnymi Ð nie przeszko-

dzi¸a mu w tym nawet æmier.

Wed¸ug opowiadanej w Lejdzie

legendy przygotowania do po-

grzebu trwa¸y d¸uýej niý si«

spodziewano, co zmusi¸o kon-

dukt do pospiesznego przemar-

szu przez miasto, by na czas

przyby do niedalekiego Voorschoten

na ceremoni« spopielenia zw¸ok. Gerrit

Flim, widzc ten poæpiech, mia¸ powie-

dzie: ãWszystko z nim w porzdku Ð

nawet teraz zmusza nas do galopu.Ó

Chociaý w czasach Onnesa nadprze-

wodnictwo stanowi¸o ezoteryczny ob-

szar badaÄ naukowych, jego odkrywca

by¸ przekonany, ýe wkrtce pojawi si«

wiele praktycznych zastosowaÄ p¸y-

ncego bez oporu prdu. Lewitujce

pocigi i nadprzewodzce linie energe-

tyczne to najcz«æciej wymieniane pro-

jekty przysz¸oæci. Trwajcy wyæcig o od-

krycie materia¸w nadprzewodzcych

w wysokiej temperaturze moýe uczyni

z odkrycia Onnesa element codzienne-

go ýycia.

wodowa¸, ýe elektrony mog¸y p¸yn

przez cewk« bez koÄca. Paul Ehrenfest,

fizyk pochodzenia austriacko-niemiec-

kiego, po obejrzeniu tego doæwiadczenia

napisa¸ do mieszkajcego w Holandii

laureata Nagrody Nobla Hendrika

Lorentza: ãTo niesamowite zobaczy

wp¸yw tych Çtrwa¸ychÈ prdw na ig¸«

magnetyczn. Czu w sposb prawie

namacalny, jak pieræcieÄ elektronw

w drucie obraca si«, obraca, obraca Ð po-

woli i bez tarcia!Ó

Onnes by¸ jednak rozczarowany, gdy

odkry¸, ýe nawet s¸abe pole magnetycz-

ne niszczy nadprzewodnictwo. To ozna-

cza¸o, ýe cho nie by¸o oporu, tylko nie-

wielki prd mg¸ p¸yn przez nad-

przewodnik Ð pole magnetyczne wy-

tworzone przez prd o dostatecznie

duýym nat«ýeniu niszczy¸o nadprze-

T¸umaczy¸

Jerzy üusakowski

Informacje o autorze

RUDOLF de BRUYN OUBOTER jest profe-

sorem fizyki doæwiadczalnej w Laborato-

rium im. Kamerlingha Onnesa na Uniwer-

sytecie w Lejdzie w Holandii. Zajmuje si«

fizyk niskich temperatur, a w szczeglno-

æci w¸aæciwoæciami nadprzewodnikw,

nadciek¸ego helu i mezoskopowych uk¸a-

dw zawierajcych z¸cza Josephsona.

Chwile wolne od zaj« i prowadzenia wy-

k¸adw poæwi«ca historii nauki.

Literatura uzupe¸niajca

THE QUEST FOR ABSOLUTE ZERO: THE MEANING OF LOW-TEMPERATURE PHYSICS . Kurt Mendelssohn; Tay-

lor and Francis, 1977.

SUPERCONDUCTIVITY: DISCOVERIES DURING THE EARLY YEARS OF LAW TEMPERATURE RESEARCH AT LEIDEN

1908Ð1914. Rudolf de Bruyn Ouboter, IEEE Transactions on Magnetics , vol. Mag-23, nr 2, ss. 355-

370, III/1987.

THE PATH OF NO RESISTANCE: THE STORY OF THE REVOLUTION IN SUPERCONDUCTIVITY . Bruce Schechter; Si-

mon & Schuster, 1989.

SUPERCONDUCTIVITY: THE NEXT REVOLUTION? Gianfranco Vidali; Cambridge University Press, 1993.

THE DISCOVERY OF SUPERCONDUCTIVITY . Jacobus de Nobel, Physics Today , vol. 49, nr 9, ss. 40-42,

IX/1996.

å WIAT N AUKI Maj 1997 77

SZKIC PORTRETOWY ONNESA wykonany przez jego bra-

tanka Harma Kamerlingha Onnesa w 1922 roku.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: