ONDERWIJS EN ONDERZOEK FYSISCH BELICHT ].

ONDERWIJS EN ONDERZOEK
FYSISCH BELICHT
Drs. H. ]. M. LEBESQUE
ONDERWIJS EN ONDERZOEK
FYSISCH BELICHT
OPENBARE LES
GEGEVEN BIJ DE AANVAARDING VAN
HET AMBT VAN GEWOON LECTOR IN DE
THEORETISCHE EN TOEGEPASTE NATUURKUNDE AAN DE TECHNISCHE HOGESCHOOL TE DELFT OP DONDERDAG
8 DECEMBER 1966
DOOR
Drs. H.}. M. LEBESQUE
UITGEVERIJ WALTMAN -
Rede 055
DELFT
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 hoger onderwijs de aanvaarding van het ambt van lector symbolisch 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 plechtigheid. Uit hoofde van haar openbaarheid kan verwacht worden dat het gehoor slechts gedeeltelijk gevormd zal worden
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 toekomstige belangstelling sterker divergeert zal het gebrek aan
gelijkgerichtheid van het gehoor een minder gunstige basis vormen voor het verkrijgen van dat onontbeerlijke contact. Is dit
contact eenmaal verkregen, dan bestaat er gerede kans op kennisoverdracht. Het 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 retorische, zijn gehoor tot een grotere betrokkenheid kan dwingen.
3
Door deze passiviteit mist de spreker een graadmeter, die hem
op de hoogte houdt van de kwaliteit van het contact.
Nu zijn er andere methoden om die betrokkenheid te stimuleren, 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 contact hersteld is. Toch kan tijdens het spreken bij hem dat ongewisse 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 volgende lesuur met een kleinere zaal worden volstaan.
Mij bezinnend omtrent mijn opdracht tot het geven van onderwijs in de theoretische en toegepaste natuurkunde en daarnaast 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 kennisoverdracht. Daar moet van de zijde van de student nog op volgen een verwerven, een zich eigen 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 kan doen. Het onderwijs moet
zorgen dat hij zich daarin oefenen kan door toepassingen te
geven in experimenten, door vraagstukken, werkstukken of opdrachten te verstrekken. Tenslotte zal de docent door mondelinge of schriftelijke examens zichzelf èn de student moeten overtuigen, dat overdracht van kennis en kunde heeft plaatsgehad.
4
Wanneer hij tijd kan vinden althans een gedeelte persoonlijk
af te nemen of te corrigeren, zal hij bemerken dat er een terugkoppeling 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 studenten 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 wetmatigheid. Deze nieuw gevonden kennis of kunde kan aan
anderen worden overgedragen in woord of geschrift, door voordracht 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 onderwijsprogramma 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 literatuurstudie. 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 publiceren of door de uitgebreidheid van de literatuur niet is opgevallen.
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 ver5
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 beschouwingen van onze landgenoot 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 voorwerp, dan zou men achter het voorwerp, in het hart van de schaduw evenveel licht krijgen als wanneer het hele voorwerp niet
aanwezig was. Deze dwaas klinkende gevolgtrekking had FRESNEL 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 bewust, dat het thema onderzoek maar van een enkele zijde belicht wordt en wel in zoverre het in verband staat met het onderwijs. De eisen aan een academische opleiding gesteld hebben
de laatste jaren een accentverschuiving ondergaan: van het uitsluitend kritisch vergaren van kennis is het accent verlegd naar
het aanleren van een methodische aanpak van nieuwe problemen. 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 onderwijsinstituut de aanwezigheid van een frontsector in een bepaald 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 gunstig zijn tot het verrichten van zuiver wetenschappelijk onderzoek. Men zou in de zojuist gebezigde beeldspraak kunnen zeggen 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 percentage 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 verricht. Weliswaar is het onderzoek daar meer gericht op een
mogelijke industriële of commerciële toepasbaarheid, het neemt
niet weg, dat prachtige resultaten bereikt worden. Deze laboratoria beschikken vanzelfsprekend over de beste wapens, waar
veel universitaire instituten jaloers op zijn.
Verwonderlijk is het dan ook niet dat universitaire onderzoekcentra in de Verenigde Staten graag overheidsopdrachten aanvaarden, 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 hoogleraarsposities worden aangeboden met hoge salarissen, met
een flink budget voor eigen onderzoek en met vrijstelling van
onderwijszaken. De rector van de universiteit van Chicago beklaagt 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
7
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 belichting. 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. Bovendien van een haast agressieve gerichtheid en ongekende coherentielengte, 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 werkwijzen 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 NEWTON een onaangename klank gekregen door de gekleurde ringpatronen in geprojecteerde 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 onderzoek kunnen worden toegepast. De oudere fenomenen zijn al
zo vaak in succesrijk onderzoek betrokken, dat ze bij het fundamenteel onderwijs als instructief voorbeeld gebruikt kunnen
worden.
Zo ontstaan de gekleurde ringen van NEWTON in het dunne
vliesje lucht tussen film en dekglas, op analoge wijze als de kleuren 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 opheffen 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, kan worden bereikt dat
de reflectiecoëfficiënt sterk terugloopt voor een groot deel van
het zichtbare spectrum. Hoewel de ontdekking van het verschijnsel 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 golflengtegebied liggen, ze moeten een grotere coherentielengte hebben,
ze moeten beter monochromatisch zijn. Aan dit soort fenomenen 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 topografische 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 zeeniveau.
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 voorstellingsvermogen 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 kunnen berekenen. Deze proeven zouden al direct een flink beroep
doen op onze experimenteervaardigheid en het zou een verademing zijn, als we de schaal van het experiment met b.v. een
factor 50 000 zouden kunnen vergroten. Dit is inderdaad mogelijk 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 ontsnappen."
10
Wanneer wij ons zo een zekere mate van basiskennis hebben
eigen gemaakt, kan deze kennis gevoeglijk in ons onderbewustzijn worden opgeborgen. Het is te hopen — en daar is het onderwijs 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 propedeutische colleges en het niveau van het hedendaagse onderzoek
een groot hoogteverschil te overwinnen is. Een hoogteverschil
veroorzaakt door jarenlang experimenteren van talloze onderzoekers, met nieuwe technieken en vindingen, met moderne
waarneemmethoden, met volledige automatisering, met toepassing van de nieuwste elektronica, met resultaten van computerberekeningen 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 ontstaan in de luchtlaag tussen vlakke en holle spiegel. Bevestigt
men nu aan de vlakke spiegel een meetstift en laat men die zuiver 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 industrie verschaft een lichtbron van voldoende coherentie en andere optische onderdelen. De menselijke waarnemer op de top,
die de ringen moet tellen, wordt veel te traag bevonden en ver11
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, vermenigvuldigt 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 micrometer.
i
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 spectroscopie als de metrologie hebben behoefte aan een golflengtestandaard : de spectroscopie als vaste referentie voor andere spectraallijnen, 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 afwegen 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 2pi 0 — 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 temperatuur. 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
techniek, dat in datzelfde jaar 1960 het eerste werkende model
van een laser werd aangekondigd, een lichtbron, die zulke prachtige nieuwe eigenschappen blijkt te bezitten, dat nu al gesproken
kan worden van ernstige concurrentie voor de traditionele gasontladingslampen. Men wordt overstroomd door nieuwe publikaties 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 ver12
ouderd exemplaar ontvangt. De storm zal eerst wat moeten
luwen, een langdurige periode van gedegen onderzoek zal moeten volgen en misschien wordt de krypton spectraallamp dan
nog eens op de helling gezet en grondig op zijn merites onderzocht.
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 uitzettingscoëfficiënt. En juist bij die zeer lage temperatuur, om de gedachten 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. Nu 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 temperatuur van vloeibaar helium kan daardoor het elektronenaandeel zich eindelijk vrij maken van de overheersing van het roosteraandeel.
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
13
fasen als voor het bepalen van de volumeverandering bij overgang 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 interferentiedilatometer 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 herinnering terugroep de „ideale micrometer" van FIZEAU. De belangrijkste optische delen werden gevormd door een vlakke spiegel met daarboven op enige afstand een holle spiegel. 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 lengteverandering van de ring aan. Meet men tegelijkertijd de temperatuurvariatie, 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 coherentielengte 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 temperatuurcondities.
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 daarmee verlaat men het zichtbare gebied en raakt via het ultraviolette verzeilt in het gevaarlijke zachte röntgengebied.
Een andere manier zou gevonden kunnen worden in een scherper 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 interferometers 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 geleidelijk 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 plaatsbepaling 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 absorptiemetingen met een spectrometer voor elektronenspinresonantie
wordt op het langzaam variërend magneetveld een klein wisselveld 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 verandert 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 ontstaan echter bij toepassing van lage temperaturen. Beide methoden betekenen een ingreep diep in de kryostaat, waar de dilatometer staat opgesteld. Afgezien van de aanzienlijke vergroting
van de afmetingen geven beide constructies een groot warmtetransport 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 herinneren ons, dat FRESNEL en ARAGO reeds vaststelden, dat twee
bundels coherent licht niet kunnen interfereren, zolang ze lineair
gepolariseerd zijn en hun 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 kwartlabdaplaatje in de geschikte oriëntatie te leggen. Ver buiten de
kryostaat dragen de twee bundels dan nog steeds hun polarisatiekenmerk en is hun onderling wegverschil te beïnvloeden.
Willen we de gevoelige methode van flankdetectie toepassen,
dan kan op het door uitzetting langzaam verlopende faseverschil 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 worden 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
16
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.
Nu 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 kwartlabdaplaatje. Dit plaatje formeert uit beide bundels lineair gepolariseerd 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 uitdovingsstand van de analysator. Zouden we deze hoekstand op
1° nauwkeurig aflezen, dan hadden we reeds een factor 10 gewonnen op de visuele waarneming van de fractie. Zonder veel
moeite laat zich deze hoekstand op 10" aflezen, hetgeen overeenkomt 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 vervangen worden door een kwartlabdaplaatje en een Faradayrotator, 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 fijnmechanische en elektronische, van kryogene en theoretische
aard zijn. Elk facet brengt zijn eigen moeilijkheden mee, waarvoor 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.
17
Het zij mij vergund aan het einde van mijn voordracht allereerst Hare 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 vertrouwen niet te beschamen.
Mijne Heren Hoogleraren en Docenten
Technische
Natuurkunde,
van de Afdeling
der
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 onbaatzuchtigheid 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 bijdrage 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 laboratoriumsfeer en in een industriële omgeving kennen. Mede door de inspiratie, die uitging van uw kundige technische staf, heb ik een
grote eerbied overgehouden voor het mooie, goed geconstrueerde instrument.
Hooggeleerde
Blaisse,
Het was een grote kloof, die ik meende te moeten overschrijden 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 tot grote steun geweest 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 enthousiaste 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 gemaakt met een eigen sfeer en karakter. Ik blijf U dankbaar, dat
U mij in deze gemeenschap hebt opgenomen.
Dames en Heren Medewerkers
Technische
Natuurkunde,
aan het Laboratorium
voor
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 verlegen kan 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 roosterwas 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.
19
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.
Ik heb gezegd.
20