ONDERWIJS EN ONDERZOEK
FYSISCH BELICHT
Rede 055
ONDERWIJS EN ONDERZOEK
FYSISCH BELICHT
OPENBARE LES
GEGEVEN BIJ DE AANVAARDING VAN HET AMBT VAN GEWOON LECTOR IN DE THEORETISCHE EN TOEGEPASTE NATUUR-KUNDE AAN DE TECHNISCHE HOGE-SCHOOL TE DELFT OP DONDERDAG
8 DECEMBER 1966 DOOR
Drs. H.}. M. LEBESQUE
Mijne Heren Curatoren,
Mijne Heren Leden van de Senaat,
Dames en Heren Lectoren, Docenten en Leden van de Wetenschappelijke, Technische en Administratieve Staven, Dames en Heren Studenten en voorts Gij allen, die de luister van deze plechtigheid door uw aanwezigheid verhoogt.
Het behoort tot de zinvolle tradities aan instellingen van ho-ger onderwijs de aanvaarding van het ambt van lector sym-bolisch te markeren met het houden van een openbare les. De keuze van het onderwerp, het thema, is niet eenvoudig in verband met het specifieke karakter van een dergelijke plech-tigheid. Uit hoofde van haar openbaarheid kan verwacht wor-den dat het gehoor slechts gedeeltelijk gevormd zal worwor-den door vakgenoten of toekomstige vakgenoten. De kennis over een fysisch thema kan dan ook niet anders dan sterk uiteenlopen onder het gehoor en toch dient de spreker uit te gaan van een zekere mate van basiskennis, om daarop voortbouwend zijn lesstof te ontplooien en over te dragen aan zijn toehoorders.
In dit opzicht heeft deze les vele kenmerken gemeen met de lessen, die gewoonlijk in deze zaal gegeven worden. Ook dan is de mate van homogeniteit in eerste instantie bepalend voor het gemak waarmee de spreker contact kan krijgen en houden met zijn gehoor. Naar gelang het aantal toehoorders groter wordt, de vooropleiding grotere verschillen vertoont of de toe-komstige belangstelling sterker divergeert zal het gebrek aan gelijkgerichtheid van het gehoor een minder gunstige basis vor-men voor het verkrijgen van dat onontbeerlijke contact. Is dit contact eenmaal verkregen, dan bestaat er gerede kans op ken-nisoverdracht. H e t blijft echter een luister college, waarbij de toehoorders een volledig passieve rol wordt opgedrongen. Een dergelijke passieve rol werkt aandachtverslappend, zonder dat de spreker door het stellen van een vraag, anders dan een reto-rische, zijn gehoor tot een grotere betrokkenheid kan dwingen.
Door deze passiviteit mist de spreker een graadmeter, die hem op de hoogte houdt van de kwaliteit van het contact.
N u zijn er andere methoden om die betrokkenheid te stimu-leren, methoden, die geregeld worden toegepast, vooral omdat de natuurkunde zich daar goed voor leent, b.v. de noodzaak dictaat te maken, de demonstratieproef, de projectie van dia's, de berekening op het bord en niet te vergeten, de rekenfout. Deze methoden geven de spreker het zekere gevoel dat het con-tact hersteld is. Toch kan tijdens het spreken bij hem dat onge-wisse gevoel groeien dat aan de kwaliteit van het contact iets ontbreekt. Dit probeert hij dan door een andere woordkeus, door herhaling op een andere wijze, door aansluiting aan ervaringen van de toehoorders te verbeteren. Wanneer hij echter — zoals vandaag het geval is — zou kunnen zeggen dat de tekst letterlijk vastligt en in een boekje is na te slaan, zijn de gevaren voor het verbreken van het contact bijzonder groot en kan voor het vol-gende lesuur met een kleinere zaal worden volstaan.
Mij bezinnend omtrent mijn opdracht tot het geven van on-derwijs in de theoretische en toegepaste natuurkunde en daar-naast mijn taak overwegend bij het onderricht in de methoden en technieken van onderzoek kwam ik tot het thema van deze les.
Onderwijs wil zijn de overdracht van kennis en kunde door de docent, volgens de grote van Dale „door de daartoe aangestelde, bevoegde leerkracht aan afzonderlijke of daarvoor bijeenzijnde personen". Zojuist wees ik al terloops op de zorg van de docent voor een goed contact met zijn gehoor bij het aanbieden van de lesstof. Maar bij een kundig, enthousiast, esthetisch aanbieden van de examenstof is nog slechts ten dele sprake van kennis-overdracht. Daar moet van de zijde van de student nog op vol-gen een verwerven, een zich eivol-gen maken van de stof. Hij kan niet volstaan met een netjes reproduceren van het aangebodene, hij zal moeten tonen dat hij de stof beheerst, dat hij inzicht heeft verworven, dat hij er iets mee k a n doen. Het onderwijs moet zorgen dat hij zich daarin oefenen kan door toepassingen te geven in experimenten, door vraagstukken, werkstukken of op-drachten te verstrekken. Tenslotte zal de docent door monde-linge of schriftelijke examens zichzelf èn de student moeten over-tuigen, dat overdracht van kennis en kunde heeft plaatsgehad.
Wanneer hij tijd kan vinden althans een gedeelte persoonlijk af te nemen of te corrigeren, zal hij bemerken dat er een terug-koppeling plaats heeft, die bloot legt waar moeilijkheden gevoeld worden en die hem op het spoor brengt van een ongelukkige of verwarrende formulering die correctie behoeft. Kritiek van stu-denten op het collegegeven kan soms verhelderend werken.
Onderzoek daarentegen is een poging tot het verwerven van nieuwe kennis en kunde, die aan de onderzoeker nog niet, en bij voorkeur nog aan niemand bekend is. Onderzoek kan leiden tot een ontdekking of een vondst, tot het vinden van een wet-matigheid. Deze nieuw gevonden kennis of kunde kan aan anderen worden overgedragen in woord of geschrift, door voor-dracht of publikatie. Als Archimedes met zijn onderzoek bezig is, gezeten in het bad, en al waarnemend en redenerend de opwaartse kracht op een ondergedompeld lichaam — zijn eigen lichaam — ontdekt, roept hij heurèka. Hij vindt wat nieuws. Sindsdien is deze vondst tot wet verheven en in het onderwijs-programma opgenomen. Indien iemand dit onderzoek herhaalt en in het zwembad aan den lijve ondervindt, dat hij met volle longen gemakkelijker blijft drijven dan met lege, doet hij geen vondst maar verricht een practicumproef.
In zekere zin dient onderzoek vooraf te gaan aan onderwijs, immers onderwijs steunt op de resultaten van het onderzoek van vorige generaties. Een nieuw onderzoek zou het: kunnen stellen zonder enig voorafgaand onderwijs of zonder literatuur-studie. De kans is dan echter zeer groot, dat ten tweeden male in de geschiedenis een heurèka klinkt, betrekking hebbend op een subjectieve vondst. Wil nieuw onderzoek een kans hebben op een echte ontdekking, op het vinden van iets nieuws, dan dient uitgegaan te worden van de kennis, die reeds aanwezig is en die in onderwijs, zelfstudie en literatuuronderzoek is overgedragen. En dan nog kan het voorkomen dat onderzoek een nieuwe eigenschap of een nieuw fenomeen aan het daglicht brengt, dat al eerder gevonden was, maar door de duistere wijze van publi-ceren of door de uitgebreidheid van de literatuur niet is opge-vallen.
In de historie der wetenschap zijn daar vele voorbeelden van te vinden. Ik wil er een aanhalen uit het begin der vorige eeuw, op een gebied der fysica waar ik in de loop van dit uur nog
ver-schillende malen op zal terugvallen. In het jaar 1818 zond de Fransman FRESNEL, op een prijsvraag van de Academie van Wetenschappen een verhandeling in over het golfkarakter van licht. Hij bouwde daarbij voort op de theoretische beschouwin-gen van onze landbeschouwin-genoot CHRISTIAAN HUYGENS, en kwam tot een gavere verklaring van de rechtlijnige voortplanting van licht onder behoud van het golfkarakter. Een der jurieleden echter, POISSON, een tegenstander van de golftheorie dacht de gehele opzet ad absurdum te kunnen herleiden door de volgende consequentie uit de verhandeling te trekken. Wanneer men een lichtbron op enige afstand afdekt met een zuiver rond voor-werp, dan zou men achter het voorvoor-werp, in het hart van de scha-duw evenveel licht krijgen als wanneer het hele voorwerp niet aanwezig was. Deze dwaas klinkende gevolgtrekking had
FRES-NEL niet voorzien en dus ook niet onderzocht. Samen met ARAGO slaagde hij er echter in om experimenteel aan te tonen, dat het licht zich inderdaad zo vreemd gedroeg.
Het merkwaardige wil echter, dat dit verschijnsel een eeuw eerder in 1715 door DELISLE reeds was gevonden. Bij gebrek aan een verklaring was dit experimentele gegeven echter geheel in het vergeetboek geraakt.
Wanneer ik onderwijs en onderzoek naast en tegenover elkaar stel en daar vanmiddag enkele gedachten aan wijd, ben ik mij wust, dat het thema onderzoek maar van een enkele zijde be-licht wordt en wel in zoverre het in verband staat met het on-derwijs. De eisen aan een academische opleiding gesteld hebben de laatste jaren een accentverschuiving ondergaan: van het uit-sluitend kritisch vergaren van kennis is het accent verlegd naar het aanleren van een methodische aanpak van nieuwe proble-men. Een universitaire opleiding kan dan ook niet meer volstaan met onderwijs alleen in de zin van overdracht van bestaande kennis, ze zal ook in het laatste stadium de student in contact moeten brengen met onderzoek dat plaats heeft aan het front der wetenschap. Dit hoeft niet meer te zijn dan een excursie naar, een verkenning van dat front, maar het eist van het onder-wijsinstituut de aanwezigheid van een frontsector in een be-paald vakgebied.
In dat opzicht verkeert een technische hogeschool m.i. in een iets minder gunstige positie dan een universiteit. Van oudsher
6
toch is de universiteit de plaats, waar klimaat en instelling gun-stig zijn tot het verrichten van zuiver wetenschappelijk onder-zoek. Men zou in de zojuist gebezigde beeldspraak kunnen zeg-gen dat de universiteiten al gedurende lange tijd in de frontlinie liggen. De tijd, die een student daar tot zijn beschikking krijgt om zijn verkenning aan het front te verrichten is echter haast dubbel zo lang als aan een technische hogeschool; en het per-centage dat na afloop van de studie een frontpositie bezet houdt en met stellingen een proefschrift verdedigt is aanzienlijk groter. Daarom lijkt mij de mankracht in de universitaire sector groter dan in de hogeschoolse. Misschien is in de laatste, door royalere overheidssteun de vuurkracht iets groter, waardoor uiteindelijk toch geen zwakke plek in de frontlinie te vinden is.
Is onderwijs — in wisselwerking met onderzoek — sinds tijden een zaak van het academisch instituut, het wetenschappelijk onderzoek wordt niet meer uitsluitend daar bedreven. In tal van industriële laboratoria zowel in buitenland als Nederland wordt zuiver wetenschappelijk onderzoek op hoog niveau ver-richt. Weliswaar is het onderzoek daar meer gericht op een mogelijke industriële of commerciële toepasbaarheid, het neemt niet weg, dat prachtige resultaten bereikt worden. Deze labora-toria beschikken vanzelfsprekend over de beste wapens, waar veel universitaire instituten jaloers op zijn.
Verwonderlijk is het dan ook niet dat universitaire onderzoek-centra in de Verenigde Staten graag overheidsopdrachten aan-vaarden, om met de daarvoor beschikbaar gestelde gelden de modernste apparatuur aan te schaffen en zo een sterk steunpunt te bouwen aan het wetenschappelijk front. Tevens kunnen hoog-leraarsposities worden aangeboden met hoge salarissen, met een flink budget voor eigen onderzoek en met vrijstelling van onderwijszaken. De rector van de universiteit van Chicago be-klaagt zich over het feit, dat een universiteit van de eerste rang permanent minstens 10% van zijn hoogleraren in vliegtuigen heeft zitten.
In Europa zijn de afstanden gelukkig kleiner, de tijden in hoger sferen doorgebracht korter. Toch kan dat tijdrovende werk op congressen en symposia uiterst nuttige gegevens opleveren door persoonlijk contact; b.v. over onderzoek, dat elders aan de gang is — de private communication — en over onderzoek, dat
elders mislukt is en het daarom nooit tot een publikatie zal brengen.
Tot nu toe heb ik onderwijs en onderzoek met u bekeken in een wat algemene, diffuse belichting; een diffuse belichting, die ons de natuur op een mistige najaarsdag zo fraai verschaft, als het licht van alle kanten zacht op het object instraalt. Ik wil thans overschakelen op een meer gerichte, op een fysische be-lichting. Daarbij zullen nu slechts enkele facetten van het thema oplichten en die facetten zullen blijken een uitgesproken optisch karakter te dragen. De keuze van belichting is ruim: ze kan van strijklicht via spotlight in laserlicht overgaan. Het laserlicht is met zijn 5 a 6 jaren nog een uiterst jong soort kunstlicht. Boven-dien van een haast agressieve gerichtheid en ongekende coheren-tielengte, een ideaal instrument bij nieuw onderzoek.
Het is naar nieuw onderzoek, dat in het komend half uur onze weg zal voeren, langs één van de vele paden, die tot dat doel leiden. Wij zullen ons daarbij vereenzelvigen met iemand, die fysisch onderwijs volgt, daarbij zelfstandige denk- en werk-wijzen aanleert en tenslotte in het onderzoek voor een nieuw probleem wordt gesteld.
De namen van HUYGENS en FRESNEL zijn in het voorgaande al eens genoemd. De laatste naam is buiten de natuurkunde vooral bekend bij camerabezitters, die in de fresnellens een mooi hulpmiddel hebben gekregen voor het bekijken van het matglas. Bij deze foto-enthousiasten heeft de naam N E W T O N een onaan-gename klank gekregen door de gekleurde ringpatronen in ge-projecteerde dia's. Newtonringen, fresnellens, golfverschijnsel, laserlicht, coherentie zijn termen die in ouderdom variëren van 300 tot 6 jaar. Ze steunen op begrippen die bestudeerd, gedoceerd en beheerst moeten worden, voor ze met vrucht in het onder-zoek kunnen worden toegepast. De oudere fenomenen zijn al zo vaak in succesrijk onderzoek betrokken, dat ze bij het fun-damenteel onderwijs als instructief voorbeeld gebruikt kunnen worden.
Z o ontstaan de gekleurde ringen van N E W T O N in het dunne vliesje lucht tussen film en dekglas, op analoge wijze als de kleu-ren in een zeepbel in het dunne vliesje zeepsop. Bestudering van dit verschijnsel aan de hand van de golftheorie van het licht 8
geeft dan een verklaring in de onderlinge beïnvloeding van de twee bundels licht, die tegen voor- en achterkant van zo'n vliesje zijn teruggekaatst. Van deze twee bundels licht kunnen de golven mooi in de pas lopen; ze zijn dan in fase. Ze kunnen ook geheel uit de pas raken, waardoor ze eikaars werking op-heffen en duisternis geven. In de elementaire lessen wordt dit verschijnsel van interferentie geïntroduceerd onder verwijzing naar de bekende kleuren van zeepbellen en olievliesjes.
Na de fysische verklaring kunnen dan verdere eigenschappen van zulke dunne vliesjes worden bestudeerd en begrepen. Door moderne opdamptechnieken in vacuo kunnen deze vliesjes zo egaal van dikte worden gemaakt, dat ze op glas aangebracht slechts één kleur vertonen. Door een juiste keuze van materiaal, nu met kennis van zaken uitgezocht, k a n worden bereikt dat de reflectiecoëfficiënt sterk terugloopt voor een groot deel van het zichtbare spectrum. Hoewel de ontdekking van het ver-schijnsel door NEWTON drie eeuwen geleden plaats had en een goede fysische verklaring honderd jaar geleden volgde, is de technische toepassing in de vorm van de ontspiegeling van optiek eerst 25 jaar geleden mogelijk geworden.
Voor dikkere vliezen of dikkere luchtlagen moeten strengere eisen aan het licht worden gesteld, wil interferentie nog kunnen optreden. De lichtgolven moeten dan in een smaller golflengte-gebied liggen, ze moeten een grotere coherentielengte hebben, ze moeten beter monochromatisch zijn. Aan dit soort fenome-nen zijn de namen van FTZEAU en MICHELSON onverbrekelijk verbonden. Het afwisselend in de pas en uit de pas lopen van de golven in beide bundels veroorzaakt nu, in monochromatisch licht, geen kleuren maar een patroon van interferentielijnen. Uit dat patroon is het dikteverloop van het vlies nauwkeurig te bepalen.
Het is er mee als met het beeld van sawa's of rijstvelden in vogelvlucht bekeken. Liggen deze tegen een berghelling op, dan ziet men van boven de contouren van gelijke hoogte als grillige, min of meer parallel verlopende lijnen. Evenals op een topogra-fische landkaart kan men uit de afstand der lijnen concluderen, hoe steil de helling is. Zou door smelten van het poolijs in de loop der eeuwen het zeeniveau aanzienlijk stijgen, dan zouden we op achtereenvolgende landkaarten de hoogtelijnen langs de 9
berghelling omhoog zien kruipen. Uit deze beweging der lijnen is te besluiten tot een verandering van de hoogte boven zee-niveau.
Als we nu bedenken, dat in de interferometrie deze lijnen dikteverschillen van 3 x 10~' meter aangeven, dan is te begrijpen dat met deze methode lengten en lengtevariaties met grote nauwkeurigheid kunnen worden bepaald.
Als ik het goed aanvoel, heb ik al zo veel van uw voorstellings-vermogen gevergd, dat ik evenals in een normaal luistercollege thans iets zou moeten demonstreren om bij sommigen uwer het contact te herstellen. Er zijn collegeproeven uitvoerbaar, die het zojuist behandelde kwalitatief en misschien wel kwantitatief zouden kunnen verduidelijken. Daarnaast echter bestaan tal van toepassingen, die bij de bestudering van de examenstof niet slechts illustratief, maar in wezen inzichtverdiepehd zijn. Het onderwijsprogramma dient dan de gelegenheid te scheppen om enkele van die toepassingen uit te voeren.
Zo zouden we dat experiment van FRESNEL en ARAGO kunnen herhalen, waarbij we in het hart van de schaduwkegel evenveel licht aantreffen als zonder obstakel. We zouden een systeem van newtonringen zichtbaar kunnen maken op het oppervlak van een lens, daar een aantal metingen aan kunnen verrichten en zo de zuivere vorm van het oppervlak of de kromtestraal kun-nen berekekun-nen. Deze proeven zouden al direct een flink beroep doen op onze experimenteervaardigheid en het zou een ver-ademing zijn, als we de schaal van het experiment met b.v. een factor 50 000 zouden kunnen vergroten. Dit is inderdaad moge-lijk door dezelfde proeven — intussen proefjes geworden — te herhalen met radargolven, die een golflengte van 3 cm hebben. Een spiegel van hoge optische kwaliteit kan in het radargebied gerealiseerd worden door een plaat blik uit de ijzerwinkel.
Is zo door studie, oefening en experiment bij ons enig inzicht gegroeid, dan kunnen we volmondig beamen wat FIZEAU in 1864 schreef: „Men ziet dat een lichtstraal met zijn opeenvolging van uiterst fijne maar volkomen regelmatige golven, in zekere zin beschouwd kan worden als een natuurlijke micrometer van de grootste volmaaktheid en speciaal geschikt om uiterst kleine lengten te bepalen, die aan elk ander meetmiddel ont-snappen."
10
Wanneer wij ons zo een zekere mate van basiskennis hebben eigen gemaakt, kan deze kennis gevoeglijk in ons onderbewust-zijn worden opgeborgen. Het is te hopen — en daar is het onder-wijs uiteindelijk op gericht — dat later bij het aandienen van problemen weer iets in dat onderbewustzijn tot resonantie zal komen, dat wij ons iets zullen herinneren van fijne optische meetmethoden en dat wij bereid zijn onze vervaagde kennis uit een leerboek wat op te halen.
Laten we aannemen, dat wij de indruk krijgen dat in deze optische methoden mogelijkheden voor ons onderzoek zitten, dan zullen wij bemerken, dat er tussen het niveau van de prope-deutische colleges en het niveau van het hedendaagse onderzoek een groot hoogteverschil te overwinnen is. Een hoogteverschil veroorzaakt door jarenlang experimenteren van talloze onder-zoekers, met nieuwe technieken en vindingen, met moderne waarneemmethoden, met volledige automatisering, met toe-passing van de nieuwste elektronica, met resultaten van compu-terberekeningen en met steeds verbeterde resultaten als gevolg. Met een tweetal voorbeelden wil ik deze ontwikkeling toelichten. Sprak FIZEAU nog over een ideale micrometer, toen hij zijn lofzang op de lichtstraal neerschreef, een dergelijk instrument is gerealiseerd en in de handel verkrijgbaar. Toen ik zojuist als gedachtenexperiment het ijs van de poolkappen liet smelten, zagen we de hoogtelijnen op landkaarten tegen de berghelling opkruipen en verdwijnen op de top. Elke keer dat een lijn de top verliet, was het zeeniveau met tien meter gestegen. Het optisch analogon kunnen we verkrijgen door een schaalverkleining van 30 miljoen maal toe te passen. Het zeeniveau vervangen we dan door een vlakke spiegel, de berg door een holle spiegel in dezelfde oriëntatie en dan kijken we naar de interferentieringen, die ont-staan in de luchtlaag tussen vlakke en holle spiegel. Bevestigt men nu aan de vlakke spiegel een meetstift en laat men die zui-ver parallel op en neer bewegen, dan ziet men op de hellingen van de zwak holle spiegel de ringen naar en van de top bewegen. Het is dan een kwestie van tellen geworden.
De fijnmechanische techniek levert op het ogenblik zo'n prachtige parallelbeweging voor de meetstift. De optische in-dustrie verschaft een lichtbron van voldoende coherentie en an-dere optische onderdelen. De menselijke waarnemer op de top, die de ringen moet tellen, wordt veel te traag bevonden en
vangen door een fotomultiplicator. De elektronica zorgt voor de nodige versterking van het signaal. Een telwerk telt in enkele seconden het passeren van zo'n slordige 60 000 lijnen, vermenig-vuldigt dat met de golflengte van het gebruikte licht en geeft de verplaatsing van de meetstift, dus de gevraagde maat op een lichtende schaal in millimeters aan, met een nauwkeurigheid van een tienduizendste millimeter. Voorwaar een ideale micro-meter.
Een tweede voorbeeld wordt gevonden in het antwoord op de vraag, of door de referentie aan de golflengte van licht het metrieke stelsel geen geweld wordt aangedaan. Zowel de spectro-scopie als de metrologie hebben behoefte aan een golflengte-standaard : de spectroscopie als vaste referentie voor andere spec-traallijnen, de metrologie als substituut voor de meterstaaf. De ontwikkeling van de metrologie in de laatste halve eeuw heeft een langzame, maar gestage groei te zien gegeven naar een nieuwe definitie van de meter. Na langdurig onderzoek en af-wegen van de verschillende voorstellen werd in 1960 gekozen een nauwkeurig voorgeschreven aantal (1650763,73) golflengten van het oranjekleurige licht, dat het kryptonisotoop 86 uitzendt bij de overgang 2pi0 — 5ds.
De condities, waaronder zo'n kryptonlamp moet branden zijn daarbij eveneens nauwkeurig vastgesteld. Zo moet b.v. de lamp gekoeld worden tot —210 °C, de temperatuur van het tripelpunt van stikstof. De dopplerverbreding van spectraallijnen is ril. in eerste benadering evenredig met de wortel uit de absolute tem-peratuur. Door het bedrijven op zo'n lage temperatuur wordt de halfwaardebreedte aanzienlijk gereduceerd en de kwaliteit dus beter. De precisie, waarmee daardoor de basis van het metriek stelsel is gedefinieerd is van 1 op 107 gekomen op 1 op 108. Is het niet tekenend voor de vooruitgang van wetenschap en i techniek, dat in datzelfde jaar 1960 het eerste werkende model van een laser werd aangekondigd, een lichtbron, die zulke prach-tige nieuwe eigenschappen blijkt te bezitten, dat nu al gesproken kan worden van ernstige concurrentie voor de traditionele gas-ontladingslampen. Men wordt overstroomd door nieuwe pu-blikaties over de laser. Prospectussen van nieuwe uitvoeringen dwarrelen op de bureaus. Zou men vandaag de allermodernste laser bestellen, dan is men zeker dat men bij aflevering een
ver-12
ouderd exemplaar ontvangt. De storm zal eerst wat moeten luwen, een langdurige periode van gedegen onderzoek zal moe-ten volgen en misschien wordt de krypton spectraallamp dan nog eens op de helling gezet en grondig op zijn merites onder-zocht.
Met dat al heb ik u ver de optische sector ingevoerd zonder u te hebben geconfronteerd met de reële probleemstelling. Wel is u gesuggereerd, dat het gebruik van een optische methode een oplossing zou kunnen geven. Welnu, een gedetailleerde kennis van de uitzettingscoëfficiënt bij lage temperaturen is van grote waarde voor een beter begrip van de toestandsvergelijking van vaste stoffen. De uitzettingscoëfficiënt wordt in belangrijkheid slechts overtroffen door de soortelijke warmte, waarvan reeds talrijke metingen bij lage temperaturen zijn verricht. Uiterst gevoelige methoden zijn dan wel noodzakelijk, want hoe lager we komen in temperatuur des te kleiner wordt de uitzettings-coëfficiënt. En juist bij die zeer lage temperatuur, om de ge-dachten te bepalen beneden 20 °K, ligt een gebied van bijzonder belang voor de studie van het anharmonisch karakter van de bindingskrachten in het rooster.
Verrichten we deze metingen aan metalen, dan kunnen we een scheiding maken tussen het roosteraandeel in de uitzettings- \ coëfficiënt en het aandeel van de vrije elektronen, zoals dat na
1930 ook voor de soortelijke warmte heeft plaats gevonden. N u is bij deze lage temperaturen het roosteraandeel evenredig met de derde macht, het elektronenaandeel evenredig met de eerste macht van de absolute temperatuur. In de buurt van de tempe-ratuur van vloeibaar helium kan daardoor het elektronenaan-deel zich eindelijk vrij maken van de overheersing van het roos-teraandeel.
Bij het onderzoek aan metalen kunnen we dan stuiten op het merkwaardige verschijnsel van de supergeleiding. Nu is bekend dat de kritische veldsterkte van een supergeleider afhangt van de druk. Thermodynamisch is dan in te zien, dat er verschil moet bestaan tussen de normale en supergeleidende toestand wat betreft hun mechanische eigenschappen; verschillen, die erg klein zullen zijn en tot uiting kunnen komen in het volume, de elastische grootheden en de uitzettingscoëfficiënt. Zowel voor het meten van de uitzettingscoëfficiënten in beide
fasen als voor het bepalen van de volumeverandering bij over-gang van de supergeleidende naar de normale toestand moeten zeer kleine lengteveranderingen vastgesteld kunnen worden. De school van WHITE in Australië gebruikt daarvoor een capacitieve methode; de school van OLSEN in Zwitserland een optische met rasters.
Historisch gezien ligt het voor de hand in de optische hoek een oplossing te zoeken. Reeds FIZEAU heeft een interferentie-dilatometer gebruikt om relatieve uitzettingscoëfficiënten van materialen te meten rond kamertemperatuur. Door PULFRICH
is deze dilatometer aanzienlijk vervolmaakt en door SCHEEL en zijn medewerkers is deze vorm gebruikt om ver beneden 0 °C de uitzettingscoëfficiënt in absolute maat te meten. U kunt zich van deze dilatometer een voorstelling maken, als ik in uw her-innering terugroep de „ideale micrometer" van FIZEAU. De be-langrijkste optische delen werden gevormd door een vlakke spie-gel met daarboven op enige afstand een holle spiespie-gel. Door een meetstift werden deze twee ten opzichte van elkaar bewogen. Bij de dilatometer worden beide spiegels op afstand gehouden door een planparallelle ring van het te onderzoeken materiaal. Zolang de temperatuur constant blijft, verandert de positie van de interferentielijnen niet. Gaan we het systeem koelen, dan krimpt de ring, wordt minder dik en de beide spiegels naderen elkaar. De verschuiving van de interferentielijnen geeft de leng-teverandering van de ring aan. Meet men tegelijkertijd de tem-peratuurvariatie, dan vindt men uit het quotiënt van de relatieve lengteverandering en het temperatuurverschil de gemiddelde uitzettingscoëfficiënt voor dat temperatuurtraject.
Breiden we het temperatuurtraject van ons onderzoek uit naar steeds lagere temperaturen — en we kunnen zonder veel moeite tot ongeveer 1 °K komen — dan blijkt de uitzettingscoëfficiënt in overeenstemming met de thermodynamica asymptotisch naar nul te gaan. De lengtevariaties worden dus per graad steeds kleiner en de nauwkeurigheid is slechts te handhaven door of steeds grotere proefobjecten te nemen of de nauwkeurigheid van de interferentiemeting op te voeren. Aan het vergroten van het proefobject werd een grens gesteld door de beperkte coherentie-lengte van de tot nu toe gebruikte lichtbronnen. Tevens nemen met de lengte de kryogene moeilijkheden toe. Men kan op 14
laboratoriumschaal nl. moeilijk de afmetingen van de kryostaat een factor 10 groter maken onder behoud van de gunstige tem-peratuurcondities.
De absolute nauwkeurigheid van de interferentiemeting zou opgevoerd kunnen worden door over te stappen op kleinere golflengten. De lijnen komen dan dichter bij elkaar te liggen, waardoor meer informatie verkregen kan worden. Maar daar-mee verlaat men het zichtbare gebied en raakt via het ultravio-lette verzeilt in het gevaarlijke zachte röntgengebied.
Een andere manier zou gevonden kunnen worden in een scher-per construeren van de lijnen. Optisch is dit niet onmogelijk; men moet dan zorgen, dat een van de bundels vele malen heen en weer kaatst in het vlies of de luchtlaag. Tevens moeten de begrenzingsvlakken van de laag een hoge reflectiecoëfficiënt hebben; men krijgt dan interferentie tussen heel veel bundels. Slechts daar waar ze allen precies in de pas lopen, krijgt men messcherpe interferentielijnen. Deze methode, waarvan de
interferometer van FABRY en PEROT het klassieke voorbeeld is
en die ook in de laser toegepast wordt, is bij andere interfero-meters zoals die van MICHELSON niet bruikbaar. Daar houdt men het normale intensiteitsverloop van sinusoïdaal karakter, d.w.z. een geleidelijke overgang van licht naar donker en weer geleide-lijk naar licht, met vrij vlakke intensiteitstoppen en -dalen. Moeten aan een lijnenpatroon van dergelijke structuur fracties worden bepaald, dan is het probleem, hoe vast te stelleif waar het hart van de donkere lijn ligt. Schat men dit punt met het oog, dan mag men blij zijn een tiende a twintigste van de lijnafstand nog te kunnen bepalen.
Toch is het mogelijk ook in dit geval tot een scherpe plaats-bepaling van het intensiteitsminimum te geraken, met een methode die algemeen met flankdetectie wordt aangeduid. Van de intensiteitskromme wordt dan de eerste afgeleide gevormd, die in het oorspronkelijke intensiteitsminimum een scherpe nuldoorgang vertoont.
Het zou mij te ver voeren in details, die voor u oninteressant moeten zijn, als ik u probeerde duidelijk te maken, hoe de eerste afgeleide van een intensiteitsminimum verkregen wordt. De variabele wordt dan met een zekere frequentie gemoduleerd. 15
Het signaal wordt selectief versterkt voor diezelfde frequentie, vervolgens fasegevoelig gedetecteerd en aan een oscilloscoop, meter of schrijver toegevoerd. Deze methode van flankdetectie wordt tegenwoordig op velerlei terrein toegepast. Bij absorptie-metingen met een spectrometer voor elektronenspinresonantie wordt op het langzaam variërend magneetveld een klein wissel-veld gesuperponeerd. Bij het vergelijken van spectraallijnen in een Fabry-Perot interferometer wordt door GOBERT en DUPEYRAT de plaatafstand cyclisch over een klein traject gewijzigd. Ook ver-andert men wel periodiek de gasdruk binnen de interferometer
bij gelijke plaatafstand, zoals COOK, BAIRD en KUHN hebben
gedaan.
Deze beide laatste methoden, die het optisch wegverschil in de interferometer aan een periodieke verandering onderwerpen, lijken zeer geschikt voor een dilatometer. De moeilijkheden ont-staan echter bij toepassing van lage temperaturen. Beide metho-den betekenen een ingreep diep in de kryostaat, waar de dilato-meter staat opgesteld. Afgezien van de aanzienlijke vergroting van de afmetingen geven beide constructies een groot warmte-transport naar de dilatometer, die daardoor minder gemakkelijk op de juiste temperatuur te houden is.
Er is een andere oplossing te vinden. Daarvoor grijpen we weer terug naar een gegeven uit het elementair college. We herin-neren ons, dat FRESNEL en ARAGO reeds vaststelden, dat twee bundels coherent licht niet kunnen interfereren, zolang ze lineair gepolariseerd zijn en h u n polarisatievlakken een hoek van 90° met elkaar maken. We kunnen dit bereiken door uit te gaan van lineair gepolariseerd licht en in de dilatometer een kwartlabda-plaatje in de geschikte oriëntatie te leggen. Ver buiten de kryostaat dragen de twee bundels dan nog steeds h u n polarisatie-kenmerk en is h u n onderling wegverschil te beïnvloeden.
Willen we de gevoelige methode van flankdetectie toepassen, dan kan op het door uitzetting langzaam verlopende fasever-schil tussen de beide bundels een hoogfrequente fasewisseling gesuperponeerd worden met een Kerr- of een Pockels-cel. Laten we de bundels daarna een analysator passeren, dan wor-den ze daarin tot interferentie gebracht. Als lichtbron kiezen we de laser, die al dikwijls van nature gepolariseerd licht geeft. Het detecteren van het interferentieverschijnsel vertrouwen we
toe aan een fotomultiplicatorbuis, waarvan we het signaal via selectieve versterker en fasegevoelige detector toevoeren aan een schrijver of een nulinstrument. De plaats van het minimum in het interferentiepatroon is daarmee scherp te bepalen.
N u is het nog maar een kleine stap om ook de interpolatie tussen twee interferentielijnen optisch uit te voeren. Daartoe plaatsen we tussen Pockels-cel en analysator een kwartlabda-plaatje. Dit plaatje formeert uit beide bundels lineair gepolari-seerd licht; de hoek waaronder dit licht trilt is een maat voor de fractie tussen twee interferentielijnen. Het bij uitzetting van de dilatometer optredende faseverschil tussen de beide bundels is op deze wijze omgezet in een hoekverandering van de uit-dovingsstand van de analysator. Zouden we deze hoekstand op
1° nauwkeurig aflezen, dan hadden we reeds een factor 10 ge-wonnen op de visuele waarneming van de fractie. Zonder veel moeite laat zich deze hoekstand op 10" aflezen, hetgeen over-eenkomt met een nauwkeurigheid in de lengtevariatie van 0,05 A.
Bij metingen aan supergeleiders kunnen kleine modificaties aan de dilatometer worden aangebracht. Ook kunnen in de detectieapparatuur de Pockels-cel en het kwartlabdaplaatje ver-vangen worden door een kwartlabdaplaatje en een Faraday-rotator, met essentieel hetzelfde resultaat. Daarmede is, althans optisch gezien, het probleem voorlopig opgelost.
Zeer geachte toehoorders,
N u ik de laser heb ingebouwd in een opstelling voor het meten van zeer kleine lengtevariaties, verlaat ik met u dat smalle, met neon of argon verlichte pad, dat naar dit onderzoek leidde. Bij het terugschakelen op een algemene verlichting blijkt ons probleem nog vele andere facetten te bezitten, die van fijn-mechanische en elektronische, van kryogene en theoretische aard zijn. Elk facet brengt zijn eigen moeilijkheden mee, waar-voor op analoge wijze een oplossing moet worden gezocht. Pas wanneer het onderwijs, aangevuld met onderzoek de jonge academicus heeft geleerd dergelijke oplossingen ook metterdaad te vinden, kan worden verklaard, dat zijn opleiding efficiënt is geweest.
Het zij mij vergund aan het einde van mijn voordracht aller-eerst H a r e Majesteit de Koningin
mijn eerbiedige dank te betuigen voor mijn benoeming tot gewoon lector aan deze Technische Hogeschool.
U, mijne Heren Curatoren,
geef ik gaarne de verzekering van mijn oprechte erkentelijkheid voor het vertrouwen, dat gij in mij hebt gesteld door mij voor deze benoeming voor te dragen. Ik hoop het in mij gestelde ver-trouwen niet te beschamen.
Mijne Heren Hoogleraren en Docenten van de Afdeling der Technische Natuurkunde,
Met een zekere schroom, maar ook nieuwsgierigheid ben ik negen jaar geleden van een laboratorium met een eenhoofdige leiding naar dat der Technische Physica overgegaan. Ik heb U leren kennen als leden van eengroot gezin, die naast en met elkaar in dat groter verband het onderwijs en onderzoek in de natuurkunde behartigen. Getroffen werd ik door uw onbaat-zuchtigheid en harmonieuze samenwerking, door uw bereidheid voor elkaar in te springen, door uw gave gezamenlijk waar te maken, wat aan de eenling onmogelijk leek. U gaat mij nu in uw kring opnemen, wat ik als een grote eer beschouw. Ik hoop reeds zo van uw manier van samenwerken doordrongen te zijn, dat mijn aanpassingstijd kort kan zijn en dat ik spoedig mijn bij-drage kan leveren in onze gemeenschappelijke taak.
In Amsterdam, Hooggeleerde Michels,
heb ik mijn wetenschappelijke en technische opleiding voor een groot deel onder uw leiding genoten. Mijn eerste kennismaking met U vervulde mij al direct met ontzag voor uw kunde en durf bij chemische experimenten in een klaslokaal. Later mocht ik bijna dagelijks uw raadgevingen, kritiek en steun ondervinden bij het experimentele onderzoek in de natuurkunde. Dit contact had meestal plaats bij uw rondgang „langs de stellingen", soms ook in uw „stafkwartier". Met grote dank herinner ik mij de tijd, dat U mij in aanraking bracht met industriële bedrijven. Ik 18
leerde het verschil tussen fijne meettechniek in laboratorium-sfeer en in een industriële omgeving kennen. Mede door de in-spiratie, die uitging van uw kundige technische staf, heb ik een grote eerbied overgehouden voor het mooie, goed geconstrueer-de instrument.
Hooggeleerde Blaisse,
Het was een grote kloof, die ik meende te moeten over-schrijden toen ik uit mijn vorige werkkring overging naar het onderzoek bij lage temperaturen. Al de eerste dag in Delft werd ik geconfronteerd met technische moeilijkheden aan de heliumliquefactor en met voorbereidende werkzaamheden aan een congres over lage temperaturen. U is mij t o t grote steun ge-weest als ik overgangsverschijnselen vertoonde, als ik de weg kwijt was op dit voor mij geheel nieuwe gebied der natuurkunde. Ik heb ondervonden, wat U mij altijd voorhield: het werkt heerlijk verfrissend een ander terrein te verkennen. Uw enthousi-aste leiding, uw brede kennis en belangstelling in en buiten het vakgebied hebben, ondanks het sterke verloop in de bezetting, van uw werkgroep lage temperaturen een werkgemeenschap ge-maakt met een eigen sfeer en karakter. Ik blijf U dankbaar, dat U mij in deze gemeenschap hebt opgenomen.
Dames en Heren Medewerkers aan het Laboratorium voor Technische Natuurkunde,
De lange wandeling naar uw werkkamers of werkplaatsen, om inlichtingen te vragen of iets van U gedaan te krijgen, wordt altijd beloond door uw hulpvaardigheid, die iemand soms ver-legen k a n maken. Omdat ik daarbij echter steeds een deskundig en kritisch antwoord ontvang, zal ik deze indoortraining blijven beoefenen. Ik hoop nog veel van uw kennis en kunde te mogen profiteren.
Dames en Heren Studenten,
Als dit geen openbare, maar een normale les uit het rooster-was geweest, zou nu voor U de tijd zijn aangebroken om mij met een knipconcert van dichtsnappende ringbanden duidelijk te maken, dat ik aan mijn slotzin moet beginnen.
Onze wegen zullen voor het eerst samenkomen op pad naar lage bergtoppen, waar goede topografische kaarten van bestaan. Uit het hoogtelijnennet zult Ü leren de gemakkelijkste route en de minst steile helling uit te zoeken. Onderweg zult U dan bemerken, dat die route veelal nog met rode verf voor U
ge-' _ o o
markeerd is. De vreugde en voldoening van met succes bereikte hoogtepunten doen U verlangen naar zwaardere opgaven, die U reeds in de verte lokken en die U zonder gids denkt aan te kunnen. Zouden weersomstandigheden of slechte lichamelijke conditie U tijdelijk terugdwingen naar lagere streken, kom dan op een gunstiger tijdstip en beter getraind terug en U zult uw vlag ook op deze top kunnen planten. Tenslotte hoop ik zoveel aan uw training te kunnen bijdragen, dat U later zelfstandig of met een team op expeditie kunt gaan. De aanlooproutes kunnen lang en zwaar zijn, succes kan nooit gegarandeerd worden; maar weet dat in het land van de fysica nog een Himalaya van onbetreden toppen op U wacht.
