Metingen in een spektroskopisch laboratorium en de bouw der atomen

Metingen in een spektroskopisch laboratorium en de bouw der atomen Pieter Zeeman

bron Pieter Zeeman, Metingen in een spektroskopisch laboratorium en de bouw der atomen. Scheltema en Holkema's Boekhandel, Amsterdam 1923

Zie voor verantwoording: http://www.dbnl.org/tekst/zeem007meti01_01/colofon.htm

© 2009 dbnl / erven Pieter Zeeman

3

Inleiding. De volgende bladzijden bevatten de openbare rede, die door mij als Rector Magnificus der Universiteit van Amsterdam op 8 Januari 1923 ter herdenking van den stichtingsdag der Universiteit werd uitgesproken. De vorm is nagenoeg onveranderd gebleven. Weggelaten is een toespraak buiten het onderwerp der rede liggend. In de hoop het geschrift nuttiger te maken, heb ik er enkele aanteekeningen aan toegevoegd. P. ZEEMAN. AMSTERDAM, Januari 1923.

Pieter Zeeman, Metingen in een spektroskopisch laboratorium en de bouw der atomen

5

[Metingen in een spektroskopisch laboratorium en de bouw der atomen] HOOGGEACHTE BESTUURDERS EN VERTEGENWOORDIGERS VAN STAD EN GEWEST EN VAN ONZE UNIVERSITEIT; WAARDE AMBTGENOOTEN EN VOORTS GIJ ALLEN, DIE DEZE PLECHTIGHEID WILT BIJWONEN.

Zeer gewenschte Toehoorderessen en Toehoorders. Nu ik op mijn beurt uiting mag geven aan de opgewekte stemming, die de viering van den gedenkdag der Universiteit van Amsterdam met zich mede mag brengen, kan ik dat het beste doen door eenige uitkomsten, die het onderzoek in de natuurkundige laboratoria heeft opgeleverd, voor U te behandelen. Toen ik voor bijna drie en twintig jaren in deze Aula het woord mocht voeren, mocht ik U iets mededeelen aangaande experimenteele onderzoekingen, over deelen kleiner dan atomen. Ik legde er den nadruk op dat de experimenteele studie der stralingsverschijnselen, onder eene verscheidenheid van omstandigheden, mij toescheen in meer dan eene richting belangrijke bouwsteenen te zullen opleveren voor onze natuurkennis. Sedert dien tijd zijn zulke onderzoekingen in verschillende natuurkundige laboratoria, ook in het Amsterdamsche, en in toenemende mate op den voorgrond gekomen. Ik meen U thans de beteekenis van metingen in een spektroskopisch laboratorium en de bouw der atomen te mogen schetsen. Uit de oudheid stamt de waarneming dat gewreven barnsteen stukjes stroo of stofdeeltjes aantrekt, een eigenschap die werd toegeschreven aan een geest of ziel, die in den barnsteen huisde. 2200 jaren moesten verloopen voordat WILLIAM GILBERT, een Engelsch geneesheer, het begin van de wetenschap der electriciteit schiep. Hij erkende ook de analogie tusschen magnetische en electrische werkingen. Langzaam, uiterst langzaam, ging de wetenschap toen vooruit. 133 jaar na Gilbert ontdekt DUFAY dat er twee soorten van electriciteit zijn: glas- en hars-electriciteit, en 12 jaar later, in 1745, wordt de Leidsche flesch uitgevonden. Intusschen was ook het voornaamste hulpmiddel om electriciteit


6 voort te brengen, de electriseermachine, aanvankelijk een met de hand gewreven bol van zwavel, veel verbeterd. De zwakke geest die in den barnsteen huisde en alleen strootjes of veertjes kon aantrekken, kon nu plotseling voor den dag springen met een grooten knal, vonken doen sproeien, grenadiers doen schrikken en eenmaal zelfs een kip dooden. Ook kon reeds door middel van ontlading een sein langs een draad over een paar kilometer afstand worden overgebracht, en zoo het eerst het denkbeeld van een electrischen stroom doen opkomen. De kleine hoeveelheid electriciteit, die ter beschikking stond en de gebrekkige isolatie moesten pogingen om werkingen op een grooteren afstand over te brengen, doen mislukken. FRANKLIN, CAVENDISH, COULOMB schiepen de quantitatieve grondslagen waarop de mathematici de theorie der statische electriciteit konden ontwikkelen. In ons land zijn op het einde der achttiende eeuw belangrijke bijdragen aan de kennis der electrische verschijnselen toegevoegd door de onderzoekingen van MARTINUS VAN MARUM te Haarlem. VAN MARUM vestigde zich in 1776 als geneesheer te Haarlem, werd in 1784 Directeur der verzameling van TEYLER en in 1795 secretaris der Hollandsche Maatschappij. Hij had voortreffelijke medewerkers in PAETS VAN TROOSTWIJK en DEIMAN. VAN MARUM maakt van de ruime middelen, die TEYLER ter beschikking stelde gebruik tot het samenstellen van een ongemeen groote electriseermachine, die schijven had van een middellijn van 1 Meter 65 c.M., en waaraan allengs de verbeteringen werden aangebracht om de werking der machine tot een tot dusver ongekende hoogte op te voeren. De beteekenis van het werk van VAN MARUM en zijne tijdgenooten en medewerkers is onlangs op zoo voortreffelijke wijze uiteengezet door wijlen den Leidschen Hoogleeraar J.P. KUENEN in het Gedenkboek van het Bataafsche Genootschap te Rotterdam, (onder den titel: Het aandeel van Nederland in de ontwikkeling der natuurkunde gedurende de laatste 150 jaren,) dat ik mij ontheven kan achten van de taak VAN MARUM's werkzaamheid op ons gebied te schetsen. Alleen zal zoo aanstonds nog een belangrijke waarneming van VAN MARUM vermeld worden, een die juist aan het begin staat van de nieuwe periode der electriciteitsleer die met VOLTA aanvangt. GALVANI had in 1791 zijne waarnemingen gepubliceerd over de trekkingen die in pooten van pas gedoode kikvorschen kunnen worden waargenomen wanneer ze op geschikte wijze met ongelijksoortige metalen worden aangeraakt.


7 Met diep natuurkundig inzicht en bijzonder experimenteel vernuft werden deze waarnemingen door VOLTA vervolgd. ALESSANDRO VOLTA, die o.a. door de uitvinding van een gevoeligen electrometer reeds naam als natuurkundige had gemaakt, was sedert 1779 hoogleeraar te Pavia, en begon in 1782 een reis door Frankrijk, Duitschland, Holland en Engeland. Onder diegenen, die een bezoek van VOLTA ontvingen, behoorde ook de physicus LICHTENBERG te Göttingen. Reeds toen kon LICHTENBERG aan een zijner vrienden schrijven: ‘Ik betreur inderdaad dat gij VOLTA niet gesproken hebt. Hij is een buitengewoon man. DE LUC heeft gelijk, hij schreef mij eens qu'en Electricité VOLTA voyait avec les yeux de Newton’. Hij is vol ideeën, en een raisonneur sine pari. Hij was vijf dagen hier in Göttingen, waarvan zeker ⅔ bij mij op mijn kamer. Mijne proeven over luchtelectriciteit gaven hem ongelooflijk veel genoegen. Ik liet namelijk uit het raam een ballon van 18 duim middellijn opstijgen aan een zijden draad, doorweven met zilver en onderzocht op mijn tafel de electriciteit van de lucht. Ik liet zonnen van 2 duim middellijn overspringen. Daarbij werd hij door zijn eigen ideeën overvallen, en hij hoorde en zag werkelijk eenige voorname lui niet, die ik hem in forma voorstelde........ ‘Hierop wilde hij mij ook een proef laten zien om aan te toonen, dat dampen positieve electriciteit meenemen. Hij isoleerde een komfoor met zwak gloeiende kolen; hij maakte een linnen lap nat en wierp dien op de kolen, van het komfoor af had hij een draad naar een zeer gevoeligen electrometer geleid.’ ‘Es erschien aber nichts, er fluchte frantzösisch und italiänisch. Da aber bekanntlich die Flüche bei solcher Gelegenheit wenig oder nichts helfen, so ging es nicht besser...... Er ist ein schöner Kerl und bei einigen sehr freien Stunden, bei einem Abend-Essen bei mir, da wir bis gegen 1 Uhr zusammen schwärmten, habe ich gemerckt dasz er sich sehr auf die Elektrizität der Mädchen versteht........’ Zoo was VOLTA in 1785. Het is interessant hierbij op te merken, dat later ondubbelzinnig is gebleken, dat gloeiende stoffen electriciteit kunnen afgeven. Wij gaan hierop niet verder in. VOLTA's onderzoekingen leidden hem omstreeks 1799 tot de constructie van zijne beroemde zuil, bestaande uit een aantal schijfjes koper en zink of andere metalen, met lapjes laken, bevochtigd met zout water, tusschen iedere metaalcombinatie. Bij een eenigszins groot aantal van dergelijke opvolgingen kan men


8 door aanraking van de beide uiteinden der zuil een lichten schok voelen, evenals bij een leidsche flesch. Maar een leidsche flesch met het vermogen om automatisch zijn toestand van spanning na iedere ontlading te herstellen, ‘een onuitputtelijke lading, een eeuwigdurende werking of impuls op het electrische fluidum’, zooals de enthousiaste beschrijving luidt. De ontdekking der Volta'sche zuil wekte in de kringen der natuurkundigen en daarbuiten het grootste opzien. De eigenschappen van electrische stroomen konden eerst ontdekt en uitvoerig onderzocht worden nadat VOLTA's zuil en de verbeteringen daarvan ter beschikking der natuur-en scheikundigen kwamen. VAN MARUM bevindt, en dit is de waarneming waarop ik zinspeelde, in proeven, gemeenschappelijk met PFAFF en VAN DER ENDE genomen, op een verzoek van VOLTA, dat de hoeveelheid electriciteit door VOLTA's zuil in korten tijd geleverd, verbazend groot is. Eene kortstondige aanraking van naar VAN MARUM's schatting nog geen twintigste cener seconde, was voldoende om aan de 25 leidsche flesschen van TEYLER's groote batterij de spanning te geven van de polen der zuil. Na VOLTA en na de groote ontdekkingen van OERSTEDT en AMPÈRE in 1820 van de magnetische en electrodynamische werking van den electrischen stroom, komen we aan de reuzenfiguur van FARADAY. Op zijn experimenteel en theoretisch werk steunt een groot deel van de tegenwoordige electriciteitsleer. Wij bewonderen zijn geestesgaven, wij vereeren in hem het type van een nuttig en edel wetenschappelijk man, wiens onzelfzuchtig streven alleen op de vermeerdering der wetenschap was gericht. Zijn monumentaal werk: ‘Experimental Researches in Electricity’, in drie deelen, bevat verhandelingen van 1831 tot 1855, grootendeels uit de Philosophical Transactions der Royal Society herdrukt. Hem vielen meer groote ontdekkingen ten deel, dan aan een zijner voorgangers of opvolgers. Zijn uitkomsten zijn in een of anderen vorm aan U allen bekend, en wij zullen er niet op ingaan. Een bijzondere plaats neemt echter in het verband mijner rede de dertiende reeks van de ‘Experimental Researches’ in. FARADAY, evenals andere eminente natuurkundigen, voelde intuïtief dat de doorgang van electriciteit door gassen licht over de natuur der electriciteit zou kunnen verspreiden. Hij zegt op de genoemde plaats der ‘Researches’ ‘de resultaten welke betrekking hebben op de verschillende omstandigheden der positieve en negatieve ontlading, zullen een veel grooteren invloed hebben


9 op de theorie der electriciteit, als wij op het oogenblik wel meenen.’ Hoe de ontlading er uitziet hangt in hooge mate af van de drukking van het gas, waarin zij plaats vindt, van de beschikbare spanning der electriciteit en den vorm en grootte van de ontladingsbuis. Een eenvoudige cylindrische ontladingsbuis van bijv. 2 of 3 cM. middellijn en 25 cM. lengte, toegerust met 2 metalen vlakke electroden, die ongeveer de doorsnede van de buis opvullen, en waardoor de electriciteit kan toevloeien, is het meest geschikt om de verschijnselen te bestudeeren. De meest belangrijke factor waardoor het karakter der ontlading bepaald wordt is de druk en de aard van het gas in de buis, die dan met een luchtpomp wordt verbonden om den druk langzaam te kunnen doen dalen. Met een voldoende electrische spanning en een druk in de buis van 4 of 5 millimeter kwikzilver zijn alleen de oppervlakken der electroden lichtend. Bij verdere verlaging van den druk, bijv. tot 1 of 2 mM., wordt dit met de geheele lengte der buis het geval. Aan den kant van de positieve electrode is het licht oranjerood, aan die van de negatieve blauw. De twee lichtende deelen zijn door de donkere ruimte, die FARADAY het eerst waarnam, gescheiden. Is de druk tot ¼ mM. gedaald, dan neemt men een groot aantal schijfvormige deelen in de lichtende ruimte waar, met den bollen kant gekeerd naar de negatieve electrode, de zoogenaamde kathode. Wordt de druk nog geringer dan wordt het lichtverschijnsel aan den kant van de positieve electrode minder sterk. Het meest bijzondere treedt nu aan de kathode op den voorgrond. De glaswand gaat zelf licht uitstralen, zij fluoresceert. Bij glas uit Thüringen is dit licht groenachtig, bij verschillende Engelsche glassoorten blauw. Liever dan U dit alles te beschrijven, zou ik U deze verschijnselen zelf hebben vertoond, of ze met ons nieuw filmapparaat hebben afgebeeld, indien ik niet had moeten vreezen dat het karakter der gebruikelijke diesrede daardoor te zeer zou veranderd zijn. Door de onderzoekingen van PLÜCKER (1858), HITTORF en CROOKES is het gebleken, dat men hier te doen heeft met ‘stralen’, kathodestralen genoemd, die in loodrechte richting van het oppervlak der kathode uitgaan, zooals uit de schaduwen van kleine voorwerpen, tusschen kathode en glaswand geplaatst, kan worden afgeleid. Met treffende zekerheid is door jarenlang onderzoek van HITTORF tot J.J. THOMSON en LENARD gebleken, dat de kathodestralen zijn negatief geladen deeltjes, die met groote snelheid zich voortbewegen. Deze uiterst kleine deeltjes, de ‘electronen’,


10 zijn de atomen der electriciteit. De stroom die door onze electrische lampen heengaat is geen continue stroom, voor het geestelijk oog van den natuurkundige wordt hij opgelost in de electronen. Zij vliegen voort met geweldige snelheden in de kathodestralen, maar veel langzamer in de gewone electrische stroomen. De lading van de electronen is, in aanmerking genomen de kleine massa der electronen, geweldig groot. De nauwkeurigste bepaling van de lading der electronen heeft men aan den Amerikaanschen natuurkundige MILLIKAN te danken. Zij is gelijk aan de lading van een waterstofatoom, die men reeds lang geleden uit de verschijnselen der electrolyse had leeren kennen. Uit de proeven met kathodestralen kan men nauwkeurig de verhouding van lading en massa der electroden leeren kennen. Deze verhouding blijkt veel grooter te zijn dan bij een waterstofatoom, zoodat de negatieve electronen veel kleiner zijn dan de waterstofatomen. Hun massa moet 1850 maal kleiner zijn. Alle electrische ladingen, van den barnsteen en van den bliksem, moeten nu uit zulke kleine electrische eenheden zijn opgebouwd. In geen enkel opzicht bestaat er tusschen twee electronen eenig verschil, zooals bijzonder mooi uit proeven van MILLIKAN blijkt. Van de afmeting van een electron kan men zeggen, dat die veel kleiner dan die van een gewoon atoom is, maar zeker niet meer dan 100.000 maal kleiner. Alle ponderabele stof bevat negatieve electronen van kleine massa; talrijke onderzoekingen bewijzen de juistheid van de opvatting dat alle natuurkundige verschijnselen aan de beweging van deze electronen zijn toe te schrijven, het grondidee van de theorie van LORENTZ, zooals die in twee beroemde verhandelingen van 1892 en 1895 in hoofdtrekken was ontwikkeld. Ik mag hier nog wel bijvoegen dat de weg die van FARADAY over PLÜCKER, HITTORF, J.J. THOMSON en LENARD heeft gevoerd tot de vrije electronen, te vergelijken is met een smal, soms haast onzichtbaar, bergpad. Daarnaast is er een breede, koninklijke weg, die van FARADAY over de theorie van MAXWELL voert naar de proeven van HERTZ. Voor de verschijnselen in het groot is de theorie van MAXWELL onovertroffen gebleven. Voor het dieper indringend onderzoek was een verbinding noodig van de beide wegen waarlangs de kennis der electriciteit zich ontwikkeld had, een synthese: de synthese van LORENTZ, waarbij in plaats van de theorie der continue electrische velden, de atomistische theorie der electriciteit is gekomen. Het probleem van den bouw der atomen, een der hoofdpro-


11 blemen der physica, is, nadat dit vraagstuk door een aantal phasen is heengegaan, tot een vrij duidelijke oplossing gekomen. Algemeen wordt op het voetspoor van RUTHERFORD aangenomen, dat het atoom is samengesteld uit een positief geladen, zeer kleine kern, omgeven door een aantal negatieve electronen. Daar het geheele atoom neutraal is, moet de negatieve lading der gezamenlijke electronen gelijk zijn aan de positieve van de kern. De lading van de kern van een atoom is een fundamenteele grootheid, want daarvan hangt het electrische veld van de kern en de plaatsing der electronen af, die weer de chemische en physische eigenschappen van het atoom bepalen. Het lichtste element, waterstof, heeft een kernlading gelijk aan die van 1 electron, helium van 2, lithium van 3, en zoo voorts tot uranium, dat een lading 92 heeft, d.w.z. gelijk aan die van 92 electronen, of 92 eenheden. De voorstelling van RUTHERFORD brengt dus met zich mee dat een atoom en dus ook de gewone materie zeer ijl is. Zeer duidelijk kwam dat al vóór RUTHERFORD voor den dag in de merkwaardige proeven van LENARD met het zoogenaamde ‘aluminiumvenster’. Een buis om kathodestralen te maken wordt afgesloten met een aluminium blaadje, dun genoeg om de kathodestralen door te laten, stevig genoeg om den druk van de lucht, tegenover het vacuum in de buis te doorstaan. Door de magnetische afwijking der door het ‘venster’ doorgelaten kathodestralen te meten, kon LENARD bewijzen dat de snelheid der electronen door het metaalblaadje slechts weinig veranderd was. Zijn conclusie was dan ook reeds in 1903 dat slechts een klein breukdeel van met materie gevulde ruimte werkelijk ondoordringbaar is. Zijn voorstellingen zijn nauw verwant met de quantitatief dieper gaande, op grond van andere feiten gevormde theorie van RUTHERFORD. Dan noem ik een proef van RUTHERFORD en ROYDS (1909), waarin het verband dat tusschen helium en de α-deeltjes, de positief geladen deeltjes, die de radio-actieve stoffen vanzelf en onophoudelijk uitzenden, werd aangetoond. Een dun glazen buisje van 1.5 cM. lengte, maar van slechts 1/100 mM. wanddikte, bevat radiumemanatie, die α-deeltjes met groote snelheid uitzendt. De doorgelaten α-deeltjes vormen helium, dat na 6 dagen spektroskopisch kon worden aangetoond. In die 6 dagen zijn billioenen kernen van heliumatomen door den wand heen geschoten. De atomen van het glas moeten dus wel heel ijl zijn. Een atoom kan dus als een zonnestelsel worden opgevat, waarin de ondoordringbare deelen uiterst klein in vergelijking met de tusschenruimte zijn.


12 Voor een gasmolecuul dat alleen de gewone warmtebeweging heeft, zooals in de theorieën van VAN DER WAALS wordt aangenomen blijft de dunne glaswand een ondoordringbare hindernis vormen. Er is een groote moeilijkheid verbonden aan de voorstelling van een atoom, bestaande uit een positief geladen kern met de negatief geladen electronen, die er omheen loopen, onder den invloed van de aantrekkingskrachten der beide electriciteiten. Die moeilijkheid is dat een volgens de klassische theorie der electrodynamica een rondloopend electron al spoedig in de kern zou vallen, en dus zulk een atoom geen licht, zeker geen enkelvoudig zou kunnen uitstralen. De fundamenteele moeilijkheid die daarin is gelegen, is door NIELS BOHR, een Deensch natuurkundige, overwonnen, door onderstellingen in te voeren, die zich aansluiten aan de theorie der quanten van PLANCK. (In PLANCK's hypothese der energiequanten wordt aangenomen dat de deeltjes die licht- of warmtestralen uitzenden, dit alleen in zekere bepaalde kleine bedragen, zooiets als atomen van energie, kunnen doen.) (Eene hypothese die door EINSTEIN eene zeer belangrijke uitbreiding heeft verkregen tot andere verschijnselen dan die der warmtestralen waardoor PLANCK oorspronkelijk tot zijn denkbeeld gekomen was.) De theorie van BOHR heeft een merkwaardig succes gehad in de verklaring van vele bijzonderheden die men in de spectra van helium en waterstof had opgemerkt, ook in de gevallen waarin men deze elementen aan sterke electrische of magnetische krachten onderwierp. Maar voor wij hiervan iets meedeelen noodig ik U uit tot een korten terugblik op de geschiedenis der spectraalanalyse, of, zooals wij tegenwoordig gaarne zeggen, van de spektroskopie. Sedert NEWTON's tijd is het bekend dat zonlicht, wanneer het door een prisma gegaan is, wordt uitgespreid in een band, waarin alle kleuren van den regenboog schitteren. FRAUNHOFER ontdekte in 1827 dat de kleurenband niet uit onmerkbaar in elkaar overgaande kleuren bestaat, maar dat er donkere lijnen in voorkomen, die naar hun ontdekker de lijnen van FRAUNHOFER worden genoemd. De meest in het oog vallende donkere lijnen werden door hem met de letters A tot H aangeduid. Hij vond enkele van diezelfde lijnen als heldere lijnen terug in het licht van een kaarsvlam, van een alcoholvlam, zonder de oorzaak van die overeenstemming te vermoeden. De oplossing van dit raadsel werd eerst in 1859 door KIRCHHOFF


13 en BUNSEN gevonden. De heldere lijnen, die in het spectrum van een gloeiende metaaldamp voorkomen, stemmen in ligging volkomen overeen met de donkere lijnen die worden waargenomen wanneer wit licht door dien metaaldamp heengaat en door een spectroscoop wordt ontleed. Ook kon worden vastgesteld dat het spectrum voor ieder element evenzoo karakteristiek is als het atoom gewicht. De chemische samenstelling van de zon, de vaste sterren en de nevelvlekken kon men nu leeren kennen, onverschillig hoeveel seconden, jaren of eeuwen het licht noodig had om in onze kijkers te vallen. Hoever deze onderzoekingen ook schijnen te liggen van eenige toepassing, zoo zijn er toch ook aan dit gebied tal van voorbeelden te ontleenen van den overwegenden invloed der natuurwetenschappen op ons bestaan. Een voorbeeld moge hier genoemd worden. In 1868 ontdekt NORMAN LOCKYER in het licht van de zon spectraallijnen, die hij toeschrijft aan een tot dusver op aarde onbekend gas, dat naar zijn oorsprong helium genoemd wordt. RAMSAY vindt in 1895, dat uit enkele aardsche mineralen een gas met dezelfde spectraallijnen is te verkrijgen. De naam helium wordt daarvoor behouden. En nu wordt dit gas, hetwelk tot een bedrag van slechts 0.0004% in onze atmospheer voorkomt, uit natuurlijke bronnen in Texas en Canada bij duizenden kubieke meters opgezameld. De Vereenigde Staten gebruiken het niet-brandbare helium in hunne luchtschepen en een deel werd ten geschenke gegeven aan KAMERLINGH ONNES om in het cryogeen laboratorium tot het bereiken van allerlaagste temperaturen te worden gebezigd. Ontdekt op de zon, gemengd tusschen o

metaaldampen bij een temperatuur van meer dan 6000 , brengt het ons in de nabijheid van het absolute nulpunt. Aanvankelijk was de spektroskopie slechts alleen spectraalanalyse, een hulpmiddel der chemische analyse. De fijnheid der bijzonderheden die de spektroskoop ons kan doen onderscheiden, heeft ons in staat gesteld veel dieper door te dringen dan KIRCHHOFF en BUNSEN beoogden. Nu is het spektroskopisch laboratorium geworden de plaats waar onze machtigste en fijnste methoden van onderzoek naar de eigenschappen van atomen en moleculen worden toegepast. Daar wordt de taal der spectra bestudeerd; haar verstaan zal beteekenen in het bezit zijn van de oplossing van het probleem van den bouw van het atoom. Wij kunnen alleen een kort overzicht geven van de hulpmiddelen die de natuurkundige in het spektroskopisch laboratorium thans tot zijn beschikking heeft.


14 De toepassing der photographie heeft het mogelijk gemaakt om de fijne bijzonderheden in intensiteit en nuanceering der spectraallijnen in duurzame photogrammen vast te leggen. De resultaten der spektroskopische methode overtreffen in precisie de meest verfijnde metingen der astronomie. De golflengte der roode cadmiumlijn in ‘internationale’ angström-eenheden is vastgesteld met een nauwkeurigheid van 1 op 10 millioen, en de kort geleden door ST. JOHN en BABCOCK gepubliceerde lijst van 1026 lijnen uit den ijzerboog wordt verondersteld nauwkeurig te zijn op 0.001 angström, of 1 op 5 millioen. Voor de studie en meting der photogrammen zijn een aantal speciale machines geconstrueerd van het meetmicroskoop tot aan den registreerenden mikro-photometer van Dr. MOLL. Van de verdere hulpmiddelen, waarover beschikt moet kunnen worden om de vlam, de boog- en de vonkspectra te kunnen maken, noem ik alleen de vacuumbuizen van verschillenden vorm, de kleine transformatoren om ze te doen lichten en allerlei booglampen. Op een nieuwe lichtbron voor het laboratorium heeft onlangs ANDERSON opmerkzaam gemaakt. Een condensator tot een potentiaal van 26.000 Volt geladen, wordt ontladen door een dunnen (0,1 mg. per cM.) metaaldraad van 5 cM. lengte in één eenhonderdduizendste deel van een seconde. De schitterende oplichting van de snel verdampende draad heeft een intrinsieke lichtsterkte, die beantwoordt o

aan een temperatuur van 20.000 , of honderd maal de intrinsieke helderheid van de zon. Terwijl met ANDERSON's methode nog slechts weinig proeven zijn genomen, heeft het electrisch fornuis van KING reeds mooie uitkomsten opgeleverd. Dit fornuis bestaat uit een cylindrische buis van graphiet waardoor een sterke electrische stroom gaat. IJzer of een ander element wordt in poedervorm in de buis gebracht, en dan o

de buis tot gloeiing gebracht, zoodat allerlei spectra tot bij 3000 kunnen worden bestudeerd. Niet minder belangrijk zijn de sterke electromagneten en hooge gelijkspanningsmachines, hulpmiddelen, die door de ontdekking van de spiltsing der spectraallijnen door magnetische en electrische krachten, van bijzonder belang zijn geworden. Dan een groep van instrumenten, die voor de verfijnde analyse van het licht de spektroskopen met glazen prisma's voor vele onderzoekingen vervangen. MICHELSON's interferometer kan in allerlei vormen worden toegepast. Hij kan worden gebruikt in onderzoekingen over de rela-


15 tieve beweging van de aarde en den aether, om te meten de meevoering van het licht in water en in glas, om de absolute golflengte van het licht te bepalen. Nu dit voor cadmiumlicht eenmaal gebeurd is, kunnen verdere metingen in dit gebied met den even vernuftigen als eenvoudigen interferometer van FABRY en PEROT geschieden. Een toestel dat alleen uit twee volkomen vlakke, zwak verzilverde, glazen platen bestaat, die door staafjes, gemaakt uit gesmolten kwarts, volkomen evenwijdig worden gehouden op een afstand van enkele millimeters. De ringen die men bijv. met groen kwiklicht ziet, zijn van groote schoonheid en de kleinste verandering van golflengte geeft een uitzetting of inkrimping van de ringen. Deze eenvoudige interferometer is zoo gevoelig, dat men met zijn hulp de verandering van golflengte door beweging, het Doppler effect, gemakkelijk kan aantoonen. Het is daarvoor alleen noodig een motorventilator met strookjes wit papier te voorzien, die met groen kwiklicht beschenen worden. De waarnemer kan het licht van den bewegenden waaier op den interferometer laten vallen en een verandering in diameter van de ringen constateeren. Het belangrijkst hulpmiddel voor den spektroskopist is tegenwoordig wel het zoogenaamde diffractierooster of tralie. Ongeveer een eeuw geleden construeerde FRAUNHOFER uit München de eerste tralies door fijne metaaldraden te spannen tusschen twee evenwijdige schroeven met kleinen gang. Later trok hij evenwijdige groeven met een diamant op glas. Hij nam met die tsalies de donkere zonnelijnen waar, evenals met een prisma. Een zeer grooten vooruitgang werd door ROWLAND te Baltimore in 1882 bereikt. Hij maakte tralies door op een hollen metalen spiegel groeven te trekken. Op sommige tralies bedraagt het aantal groeven 100.000 op een lengte van 15 cM., zoodat er meer dan 650 per mM. komen. Deze groeven zijn 5 cM. lang en met een diamant op precies gelijken afstand getrokken. Op dit laatste komt het aan. In plaats van eigenhandig, zooals FRAUNHOFER, de groeven te trekken, draagt ROWLAND het werk op aan een automatische machine, die in een kelder van constante temperatuur in vijf dagen en vijf nachten een bijna volmaakt tralie aflevert, als.... de diamantpunt niet gebroken is. Het Amsterdamsche laboratorium bezit zulk een 15 cM. tralie, door ROWLAND zelf expresselijk voor ons vervaardigd. Lange jaren waren die tralies haast niet meer te krijgen. Thans zijn er enkele laboratoria waar ze gemaakt worden. Misschien wel het uiterste wordt bereikt door Professor MICHELSON in Chicago, die een tralie van 25 cM. breedte met 622 lijnen per


16 mM., met in het geheel omstreeks 155.000 lijnen heeft getrokken, dat zelf in het achtste buigingsbeeld nog prachtige definitie schijnt te geven. We hebben hiermede de beschrijving van de hulpmiddelen in het laboratorium ver van uitgeput. Ook moet ik er mij van onthouden te schetsen wat gedaan is om astrophysische waarnemingen in spectroskopische laboratoria te verrichten. Ik zou dan niet nalaten U te beschrijven Prof. JULIUS' inrichting voor zonnewaarnemingen te Utrecht, kort geleden met bijzondere ervaring tot stand gebracht. Wij willen nu tot de vergelijking van het atoom-model van BOHR met de metingen overgaan. De regelmatige rangschikking der lijnen in het spectrum van waterstof was reeds herhaaldelijk opgevallen voordat het BALMER gelukte in eene eenvoudige formule de plaatsen der lijnen in het spectrum, de spectraalreeks, weer tegeven. Buitendien bevat het spectrum van waterstof niet alleen de lijnen die door de oorspronkelijke formule van BALMER worden weergegeven, maar ook gelijksoortige reeksen, de een in het ultrarood, de andere in het ultraviolet. De eerste werd door PASCHEN ontdekt, de laatste door LIJMAN met een vacuum-spectograaf. Al die lijnen worden weergegeven met treffende nauwkeurigheid door één formule. Onlangs heeft WOOD 22 waterstoflijnen van de Balmerreeks kunnen waarnemen in zeer lange spectraalbuizen. In de chromosfeer van de zon zijn niet minder dan 34 lijnen opgenomen. Er is nog een spectrum dat even eenvoudig is als het waterstofspectrum: het zoogenaamde versterkte heliumspectrum of het vonkspectrum van helium. Dit spectrum werd door PICKKERING het eerst waargenomen in de ster ʒ Puppis, en toenmaals toegeschreven aan de waterstof. FOWLER nam deze Pickeringlijnen het eerst waar in het laboratorium in een mengsel van waterstof en helium. Door BOHR's theorie werd het eerst waarschijnlijk gemaakt, dat ze toegeschreven moesten worden aan het helium en niet aan de waterstof. Dit is gebleken juist te zijn, en experimenteel door de uiterst fijne metingen van FOWLER en PASCHEN bewezen. De theorie van BOHR geeft een bijzonder nauwkeurige verklaring van het spectrum van waterstof en van het versterkte heliumspectrum. Volgens RUTHERFORD en BOHR bestaat het waterstofatoom uit een positieve kern met verreweg het grootste deel van de massa van het atoom en uit een electron dat om de kern heen loopt. De kern staat bij benadering stil. Electron en kern hebben


17 de lading van één electron. (Het electron kan op verschillende cirkelbanen, die aan bepaalde voorwaarden voldoen, rondloopen, maar niet op andere. In strijd met de klassieke theorie is er geen uitstraling bij het ongestoord rondloopen in de cirkels.) Van eene dier mogelijke banen tot een andere kan het electron overspringen. Als dat gebeurt wordt een spectraallijn uitgestraald, met een bepaalde, door een eenvoudige formule gegeven, golflengte. De verschillende spectraallijnen komen te voorschijn bij het overspringen van den derden op den tweeden cirkel, van den vierden op den tweeden cirkel, enz.) De onderstellingen die BOHR invoert zijn zeer raadselachtig en zouden voor eenige jaren door de natuurkundigen niet zijn aanvaard. Van een aanschouwelijke voorstelling der straling is geen sprake. Maar BOHR's theorie geeft aan, duidelijke rekenvoorschriften en welke energierelaties er zijn als uitstraling plaats vindt. Met behulp van de getallen van lading en massa van het electron en een konstante uit de theorie van PLANCK, kunnen de golflengten der waterstoflijnen worden berekend. De uitkomst der theorie is in goede numerieke overeenstemming met de ervaring. Een spectraalreeks was verklaard, iets wat nooit gelukt was aan vroegere theoriën. Het vonkspectrum of versterkt spectrum van helium kan nu ook worden weergegeven. Het neutrale helium-atoom bevat twee electronen en een kern met de lading van twee eenheden. Het mathematische probleem van de beweging dezer 2 electronen is nog niet geheel opgelost. Wordt echter een electron weggeschoten, het atoom geioniseerd, dan houdt men een systeem over dat veel op het waterstofatoom gelijkt, n.l. een electron en een kern met dubbele lading en grootere massa. De spectraallijnen van het geioniseerd helium zijn gemakkelijk te berekenen en de uitkomst klopt met de metingen. Zeer interessant voor de theorie van BOHR is nog dat de berekening, die wij noemden, uitgaat van de onderstelling dat de kern wegens de groote massa stil staat. In werkelijkheid is dat niet het geval, maar bewegen kern en electron zich om het gemeenschappelijk zwaartepunt. De golflengte der heliumlijnen wordt dientengevolge iets kleiner. Is de correctie aangebracht dan komt men volkomen in overeenstemming met FOWLER's metingen. PASCHEN kon omgekeerd met inachtneming der correcties, die de relativiteitsmechanica vereischt, de massa van het electron in die van het waterstofatoom uit de spektroskopische metingen over helium uitdrukken.


18 De buitengewone nauwkeurigheid der spektroskopische metingen maakt wel dat men de gebleken overeenstemming tusschen theorie en waarneming wel niet aan een toeval zal willen toeschrijven. De laatste twijfel in die richting wordt nog weggenomen door de voorspelling van SOMMERFELD over de fijne structuur van de lijnen van waterstof en geioniseerd helium. SOMMERFELD heeft de wijzigingen nagegaan die de relativiteitsmechanica in de theorie van BOHR moet brengen. F. PASCHEN vond door uiterst fijne metingen van de lijnen in het helium en waterstofspectrum de theorie schitterend bevestigd. Het zou van groot gewicht zijn als men nu ook nog lithium kon behandelen zooals men helium heeft gedaan. Lithium heeft drie electronen die om de kern loopen. Kon men er twee van wegnemen, dan blijft er een over, die om een kern met een lading van 3 eenheden en groote massa loopt, en zou men een spectrum krijgen dat weer volledig berekend kan worden. Een spectrum van dit gemutileerde lithium is echter nog niet in het laboratorium ontdekt. De theorie van BOHR wordt nog bijzonder gesteund door electrische proeven, waarin de atomen met electronen van buitenaf worden gebombardeerd, zoodat tijdelijk electronen uit het atoomverband worden losgeslagen, of ook zwakker gebonden worden. Zeer belangrijk is het verband tusschen de spectra der elementen en hun plaats in het chemische, periodieke, systeem der elementen. J.J. THOMSON heeft het eerst daarvan rekenschap trachten te geven en zijne voorstellingen hebben op de verdere beschouwingen op dit gebied belangrijken invloed gehad, ofschoon ze nu niet meer geldig zijn. BOHR heeft het probleem dat in dit verband ligt, op origineele wijze begonnen door zich af te vragen: Hoe kan een atoom gevormd worden door achtereenvolgens de afzonderlijke electronen op te vangen en te binden in het electrische veld dat de kern omgeeft? Deze, en vroegere onderzoekingen van andere natuurkundigen, maken het waarschijnlijk dat in de elementen met veel electronen, de electronen gerangschikt zijn in groepen, op bollen of schalen, en zoo om de kern rondloopen, waarbij dan trouwens de verschillende groepen niet streng van elkaar gescheiden blijven. De aantallen electronen in de buitenste groep bepalen de chemische en vele physische verschijnselen, zooals het spectrum. Elementen als lithium, natrium, kalium, hebben 1 electron in de buitenste groep. Hun boogspectra gelijken veel op elkaar. Wordt


19 het buitenste electron weggeslagen, dan wordt het atoom geioniseerd, het kan het vonkspectrum uitzenden. Op deze algemeene trekken van het atoom berust een verschuivingswet door KOSSEL en SOMMERFELD uitgesproken, een wet die bijv. verlangt dat, als van het kalium-atoom een der 19 electronen wordt weggeslagen, het overblijvende stuk een spectrum moet geven dat veel overeenstemming moet hebben met dat van argon, dat ook 18 electronen bevat. Een ruim veld voor metingen en proeven, nauwelijks begonnen, ligt hier nog open, maar wij kunnen daarover niet uitwijden. Behalve door electrische ontladingen kunnen wij ook door de werking van licht en van de Röntgenstralen gemakkelijk een of meerdere electronen uit het atoom wegrukken. Dit is echter slechts een tijdelijke transformatie van een atoom, want spoedig is weer een nieuw electron opgevangen en het atoom weer hersteld. Door de recente, uiterst belangrijke proeven van RUTHERFORD is het mogelijk geworden door middel van de α-stralen van het radium met hun geweldige energie de atomen niet tijdelijk maar permanent te transformeeren, door de kern zelf stuk te schieten. De α-deeltjes worden voortgeslingerd met een snelheid van 16,000 kilometer. Zij bezitten een snelheid die 20,000 maal zoo groot is als die van een geweerkogel, en bij gelijke massa een energie die 400 millioen maal grooter is. Het schijnt niet volkomen uitgesloten dat men langs spectroskopischen weg nog eens het afbreken van atomen door inwerking der α-stralen zal kunnen constateeren. (Trouwens ook het eenvoudige probleem waarom lithiumchloride rood licht uitzendt, wanneer het door positief geladen deeltjes wordt getroffen, en blauw wanneer kathodestralen het tot lichten brengen, wacht nog op behandeling.) Veel en nauwkeurig werk zal van de spektroskopische laboratoria in de toekomst verlangd worden. De natuurkunde verkeert in een tijd van bloei, zooals zij tevoren wel niet gekend heeft. De uitkomsten die zij sedert THALES VAN MILETE en de hem toegeschreven waarneming over den barnsteen bereikte, geven moed voor de toekomst. Van de drie zuilen waarop de moderne beschaving steunt, kapitaal, arbeid en scheppende wetenschap, wordt de laatste nogal zelden als noodzakelijk voor nationale stabiliteit en vooruitgang genoemd. Dit is zeer verklaarbaar, want klein is slechts het aantal dergenen, die vermogen te beseffen dat een diep inzicht in de wetten van natuur en leven voor ons bestaan noodzakelijk is. Gij, studenten der Amsterdamsche Universiteit, zult eenmaal


20 geroepen worden wetenschap te verspreiden en toe te passen, eenigen uwer ook om nieuwe waarheid te zoeken, een geschenk dat allen gegeven en niemand genomen wordt. Ons ouderen, nauw verbonden aan deze Universiteit, gaf de overheid onderhoud en wetenschappelijke hulpmiddelen en daardoor de mogelijkheid ons aan onzen wetenschappelijken arbeid te wijden. Moge door ons allen de eer der Universiteit van Amsterdam worden gehandhaafd en deze dag immer een feestdag zijn voor onze Hoogeschool.


21

Aanteekeningen Naar aanleiding van eenige mij gestelde vragen, laat ik hier aan het slot een paar opmerkingen volgen, die mogelijk ook anderen welkom zullen zijn. Bij pag. 8. ‘Zijne uitkomsten zijn in een of anderen vorm aan u allen bekend’. Ik bedoelde daarmee dat wie niet met FARADAY's werk als denker en experimentator bekend is, toch de wonderbaarlijke vruchten, die aan de zaadkorrels door hem gestrooid zijn ontsproten, geniet. De koperen schijf van FARADAY, draaiend tusschen de polen van een magneet, waardoor een electrische stroom ontstaat, is de eerste van een reeks machines, die mechanische energie in electrische stroomen omzetten. Iedereen ziet dagelijks wat de ontwikkeling der electrotechniek ons een halve eeuw na FARADAY bracht. Bij pag. 12. ‘Spectra van elementen onderworpen aan sterke magnetische of electrische krachten’. Ik veroorloof mij daarvoor te verwijzen naar ZEEMAN, Researches in Magneto-optics, with special reference to the magnetic resolution of spectrum lines, Mc Millan and Co., Ltd. London 1913, ook Duitsch bij J.A. BARTH, Leipzig 1914 en J. STARK, Elektrische spektralanalyse chemischer Atome Hirzel, Leipzig 1914. Bij pag. 14. ‘Instrumenten, die voor de verfijnde analyse van het licht de spektroskopen met glazen prisma's voor vele onderzoekingen vervangen’. Deze instrumenten zijn op eenvoudige, niet technische, wijze behandeld in mijn zooeven vermeld geschrift. Bij pag. 15. ‘ROWLAND's tralie in het Amsterdamsch laboratorium’, foto's op pag. 10 en 12 mijner ‘Researches’. Bij pag. 15. ‘Volkomen vlakke, glazen platen, door staafjes gemaakt uit gesmolten kwarts volkomen evenwijdig gehouden.’ Afbeelding van het toestel op pag. 17 der ‘Researches’. Wanneer drie vlakken beurtelings twee aan twee op elkaar worden geslepen, moeten ze volkomen vlak worden. De uitzettingscoefficient van staafjes uit gesmolten kwarts is zeer klein. Zij bedraagt o

slechts 1/17 van dien van platina, of 0,00000059 per 1 C., kleiner dan die van eenig ander materiaal. Storingen door verandering van temperatuur kunnen aldus gemakkelijk vermeden worden.


22 Bij pag. 16. Over de theorie van BOHR komt een kort overzicht voor in LORENTZ, Beginselen der natuurkunde. Tweede deel. Zie verder: N. BOHR. Drei Aufsätze über Spektren und Atombau. Vieweg u. Sohn. A.G. Braunschweig. 1922. M. BORN. Der Aufbau der Materie. Drei Aufsätze über moderne Atomistik und Elektronentheorie. J. Springer. Berlin. 1922. A. SOMMERFELD. Atombau und Spektrallinien. 3 Aufl. Vieweg u. Sohn. A.G. Braunschweig. 1922. Dit laatste uitvoerig.


Metingen in een spektroskopisch laboratorium en de bouw der atomen

Recommend Documents