Dr. F.J. Albers - Licht, elektriciteit en magnetisme

Van regenboog tot atoombom
Gepubliceerd op Vakpagina Sterrenkunde van Kennislink, 06-09-2004

(Een verhelderende uiteenzetting over de ontdekking en de eigenschappen van elektromagnetisme en de wijze waarop licht zich zelfstandig voortplant, in chronologische volgorde. Freek)

Wanneer je overdag naar de zon of 's avonds naar de sterrenhemel kijkt, zie je de zon, sterren, planeten en andere objecten. Het licht van deze objecten valt op de retina van je ogen, waarna de hersenen er een begrijpelijk beeld van maken. Maar wat is licht nu precies en wat hebben elektriciteit en magnetisme daarmee te maken?
Vaak wordt er meteen met de deur in huis gevallen door te verklaren dat licht een onderdeel is van het elektromagnetische spectrum, punt. Maar over het algemeen wordt je hier niet veel wijzer van of zelfs verder het bos in gestuurd. Toch is er heel wat gebeurd voordat men tot het huidige inzicht kwam. Om je niet gelijk met ingewikkelde formules om de oren te slaan en je direct en terecht dit onderwerp laat voor wat het is, zal ik je meenemen langs de oude Grieken en latere onderzoekers om het boeiende verhaal van licht in al zijn aspecten te laten meemaken.

Inhoud

Licht
Licht heeft een eindige snelheid
Licht als een golfbeweging
Licht als een stroom van deeltjes
Elektriciteit
De ontdekking van het elektron

Licht
De oude Grieken kenden de eigenschap van barnsteen dat, na met een doek of dierenhuid gewreven te zijn, lichte voorwerpen aantrekt. De naam voor dit verschijnsel is dan ook afgeleid van het Griekse woord voor barnsteen: 'elektron'.
Barnsteen is een fossiele hars van de prehistorische naaldboom, de Pinus succinifera. De hars is miljoenen jaren geleden, van het Paleozoïcum tot aan het Quartair, uit deze bomen gedropen en daarna, vaak tegelijk met de erin aanwezige plantaardige en dierlijke resten, versteend. Barnsteen heeft een warmgele tot donkerrode kleur. Gedurende vele eeuwen meende men dat de eigenschap van barnsteen om lichte voorwerpen aan te trekken een eigenschap van barnsteen zelf en van hooguit nog een paar andere materialen was.

terug naar de Inhoud

Licht heeft een eindige snelheid
Omdat men er vanuit ging dat licht zich met een oneindig grote snelheid moest voortbewegen, heeft men lange tijd gedacht dat het meten van de lichtsnelheid onmogelijk was. In 1676 ontdekte de Deense astronoom Olaus C. Römer (1644-1710) echter dat (zon)licht wel degelijk een eindige snelheid heeft. Het was de Franse astronoom Jean Picard (1620-1682) die Römer in 1671, na een bezoek aan de toen al tot een ruïne geworden Uraniborg van Tycho Brahe gebracht te hebben, mee terug nam naar Parijs.
Picard was de belangrijkste medewerker van Jean Dominique (eigenlijk Giovanni Domenico) Cassini (1625-1712) die in zijn tijd een vooraanstaand geleerde op het gebied van de banen van Jupiter en zijn manen was. De waarnemingen van Cassini toonden aan dat Io, de binnenste maan van Jupiter, die theoretisch elke 42,5 uur een baan om de planeet Jupiter moest draaien, in de praktijk er soms een beetje langer en soms een beetje korter over deed.
Volgens Cassini moest de oorzaak hiervan gezocht worden in een verstoring van de omloopbaan van Io. Römer zag het anders. Hij stelde dat de lichtsnelheid wel degelijk een eindige waarde heeft en het (weerkaatste) zonlicht afkomstig van Io er enige tijd over doet om de aarde te bereiken. Römer plaatste zichzelf in een denkbeeldige positie boven het zonnestelsel en keek vanuit die positie naar het licht dat Io naar de aarde zond op het moment dat dit maantje in de schaduwzijde van Jupiter trad, het begin van de eclips van Io (fig. 1). Hij ontdekte dat dit moment afhankelijk is van de afstand tussen de aarde en Jupiter. Wanneer de aarde en Jupiter in oppositie staan, d.w.z. aan dezelfde zijde van de zon staan, is de afstand tussen aarde en Jupiter het kleinst en bleken de eclipsen van Io iets eerder plaats te vinden dan volgens de wetten van Kepler waren voorspeld. Als eclipsen van Io plaats vonden in conjunctie, d.w.z. aarde en Jupiter in tegenovergestelde zijde van de zon, vond hij dat deze verduisteringen iets later plaats vonden dan was voorspeld.

Figuur 1. Observaties van Römer waarmee hij tot de conclusie kwam dat licht een eindige snelheid heeft.

Aan de hand van de vele gegevens van Cassini kwam Römer in augustus 1676 met zijn voorspelling dat de maan Io op 9 november van dat jaar niet om 25 minuten over 5 te voorschijn zou komen, maar om precies 37 minuten over 5. In heel Europa keken de astronomen naar die eclips en deze bleek inderdaad op het door Römer voorspelde tijdstip plaats te vinden. Römer bewees hiermee dat het licht er langer over doet naarmate de aarde verder weg staat, immers hoe groter de afstand tot Jupiter, des te langer het duurt aleer het beeld van een eclips onze ogen bereikt. Omdat de juiste gemiddelde afstand aarde-zon (de astronomische eenheid) in die tijd nog niet bekend was, kon Römer de exacte snelheid van het licht nog niet berekenen.
Pas ruim vijftig jaar later, in 1728, bevestigde James Bradley (1693-1762) de eindigheid van de snelheid van het licht en berekende dat licht afkomstig van de zon er 8 minuten en 12 seconden over moest doen om de aarde te bereiken. De tegenwoordige waarde voor de lichtsnelheid, aangegeven met het symbool c, is op de 17e Conférence Générale des Poids et Mesures vastgesteld op 299.792.458 kilometer per seconde in vacuüm.
De oorzaak dat de snelheid van het licht het symbool c heeft gekregen, is waarschijnlijk het gebruik van het Latijn als taal van de vroegere wetenschap. De c staat dan voor het Latijnse woord 'celeritas', hetgeen 'snelheid' betekend.

terug naar de Inhoud

Licht als een golfbeweging
De vanuit de astronomie welbekende Claudius Ptolemeus (c. 85-c. 165) beschreef licht als een rechtlijnige beweging. Pas vele eeuwen later was het Francesco M. Grimaldi (1618-1663) die ervan overtuigd was dat licht een golfachtig fenomeen moest zijn. Met betrekking tot optische verschijnselen is Grimaldi's werk een waardig voorloper van Newton en Huygens gebleken.
Zijn ontdekking van diffractiepatronen kreeg op dat moment weinig aandacht. Hij liet een bundel zonlicht door een kleine opening op een scherm vallen en merkte dat het werd uitgestraald in de vorm van een kegel. De schaduw van een in de lichtweg geplaatst object bleek groter dan het zou zijn bij een rechtlijnige voortplanting van licht. Tevens bleek de schaduw van het gehele object, alsmede binnen de hoeken ervan, omgeven te zijn door gekleurde randjes.
Hij concludeerde dat dit effect moest ontstaan door afbuiging van het licht dat langs de randen van de objecten gaat. Dit fenomeen wordt tegenwoordig diffractie genoemd. Grimaldi ontdekte dat wanneer zonlicht door twee kleine gaatjes op een scherm wordt geprojecteerd, het gebied dat door de twee bundels licht wordt beschenen donkerder was dan wanneer elke bundel apart werd geprojecteerd. Dit is in principe het verschijnsel van interferentie, zoals al bekend was voor watergolven.
In 1801 toonde Thomas Young (1773-1829) hiermee het golfkarakter van licht aan. Het experiment van Young hield in dat hij zuiver geel natriumlicht liet schijnen door één enkele spleet en het verstrooide licht hiervan vervolgens door een tweetal spleten in het eerste scherm op een tweede scherm liet vallen. De twee lichtbundels spreiden zich uit en overlappen elkaar wanneer ze op het tweede scherm vallen. Hierdoor ontstaat er een verstrooid interferentiepatroon. De verstrooiing wordt helderder op plaatsen waar de golven elkaar versterken en donkerder op plaatsen waar de golven elkaar opheffen.

Als een van de eersten observeerde Grimaldi het door een prisma (een driehoekig stuk glas) in zijn regenboogkleuren uiteengerafelde zonlicht. Het was echter de Nederlander Christaan Huygens (1629-1695) die in zijn 'Traité de la Lumière' (1690) de golftheorie van licht formuleerde en een waarde voor de snelheid van het licht berekende van 230.000 km per seconde. Met de golftheorie van licht werd de vraag beantwoord waarom de kleuren van de regenboog zo van elkaar verschillen. Het antwoord hierop is namelijk dat het enige verschil tussen de verschillende kleuren de afstand tussen twee opeenvolgende golftoppen in de lichtgolf is. Deze afstand wordt de golflengte, aangegeven met de Griekse letter lambda (λ), van het licht genoemd. De golflengten van de kleuren van het licht zijn zeer klein, van ongeveer 400 nanometer (één nanometer is het één miljoenste deel van een millimeter) voor het violet, tot ongeveer 700 nanometer voor het rood in zonlicht.

terug naar de Inhoud

Licht als een stroom van deeltjes
Veertien jaar na de publicatie van Huygens was het Newton die in zijn publicatie 'Optics' licht beschreef als het voortbewegen van een stroom deeltjes, corpuscles. Er brak vervolgens een jarenlange discussie uit tussen aanhangers van de golftheorie en aanhangers van de deeltjestheorie van licht.
Pas in 1905 stelde Albert Einstein (1879-1955) dat licht zich voortbeweegt als golven verpakt in afzonderlijke deeltjes (golfpakketjes), de fotonen. Fotonen met verschillende golflengten hebben hierbij dan verschillende hoeveelheden energie. Hoe korter de golflengte, hoe groter de energie van het foton.

terug naar de Inhoud

Elektriciteit
De oude Grieken kenden de eigenschap van barnsteen dat, na met een doek of dierenhuid gewreven te zijn, lichte voorwerpen aantrekt. De naam voor dit verschijnsel is dan ook afgeleid van het Griekse woord voor barnsteen, elektron.
Barnsteen is een fossiele hars van de prehistorische naaldboom, de Pinus succinifera. De hars is miljoenen jaren geleden, van het Paleozoïcum tot aan het Quartair, uit deze bomen gedropen en daarna, vaak tegelijk met de erin aanwezige plantaardige en dierlijke resten, versteend. Barnsteen heeft een warmgele tot donkerrode kleur. Gedurende vele eeuwen meende men dat de eigenschap van barnsteen om lichte voorwerpen aan te trekken een eigenschap van barnsteen zelf en van hooguit nog een paar andere materialen was.

Toen William Gilbert (1544-1603) rond 1600 ook bij andere stoffen een 'barnsteenachtige kracht' waarnam gaf hij deze de naam 'vis electra', 'elektrische kracht'. Hij verdeelde de stoffen in twee klassen naarmate zij door wrijven wel of niet deze eigenschap kregen. In die tijd dacht men dat de oorsprong van deze elektrische kracht gelegen was in een vloeistof (fluïdum) die 'elektriciteit' werd genoemd en door wrijving uit een voorwerp stroomde. Gilbert ontwierp een eenvoudig instrument, het versorium, om het electriumverschijnsel te kunnen bestuderen. Het instrument bestaat eenvoudig uit een naald van een willekeurig metaal, die balanceert op de pin van een standaard. Voorwerpen met een elektrische kracht brengen de naald in beweging. Gilbert kon hiermee de aantrekkingskracht van verschillende materialen vergelijken.
In 1734 gaf de Fransman Charles-Francois de Cisternai du Fay (1698-1739) aan dat er twee soorten elektriciteit bestaan. De glasachtige elektriciteit die ontstaat door wrijving van glas, kwarts of edelstenen, en de harsachtige elektriciteit die ontstaat door wrijving van barnsteen, hars en lak. Hij voegde hieraan toe dat een lichaam geladen met glasachtige elektriciteit alle lichamen afstoot met glasachtige elektriciteit en lichamen aantrekt met harsachtige elektriciteit, en andersom. Bovendien toonde hij aan dat deze krachten van het ene naar het andere materiaal konden worden overgebracht door deze te verbinden met een metalen draad. Hiervan afgeleid is het tegenwoordige begrip 'elektrische stroom'.

De Nederlander Pieter van Musschenbroek (1692-1761) ontwikkelde in 1745 de Leidse fles, een apparaat om elektriciteit op te slaan, tegenwoordig een condensator genoemd, waarop de één-fluïdum theorie was gebaseerd. De Leidse fles bestaat uit een breed glazen vat die van binnen en van buiten met bladtin, een elektrisch geleidende laag, is voorzien. Het glazen vat werd gevuld met metaalsnippers. Door een isolerende deksel steekt een koperen staaf met bovenaan een koperen knop en onderaan een kettinkje die de verbinding met de binnenbekleding vormen. De buitenbekleding werd geaard en de binnenbekleding werd met behulp van een elektriseermachine d.m.v. de staaf opgeladen. Door de fles te ontladen kon men gedurende korte tijd een elektrische stroom onderzoeken. Originele exemplaren zijn nog te zien in het Teylers Museum in Haarlem.
Van Musschenbroek gebruikte een opgeladen Leidse fles om vonken te onttrekken aan een proefpersoon, tot vermaak van zijn publiek. De vonken suggereerden dat één enkel elektrisch fluïdum werd overgebracht van de fles naar de proefpersoon, wanneer de één een overschot en de ander een tekort aan elektriciteit bezat. Aantrekken of afstoten van twee voorwerpen was hierbij een overschot of tekort van één enkele soort elektriciteit.
Het was de Amerikaan Benjamin Franklin (1706-1790) die rond 1750 de begrippen 'positieve lading', overeenkomende met de glasachtige elektriciteit, en 'negatieve lading', overeenstemmende met harsachtige invoerde. Hij meende dat de lading alleen kon vloeien van een voorwerp met positieve lading naar een voorwerp met een negatieve lading. Vanaf dat moment is het de (onjuiste) gewoonte om de elektrische stroom te zien als een verschijnsel dat van positief (plus) naar negatief (min) stroomt. Echter een elektrische stroom bestaat uit elektronen die van min naar plus gaan. Franklin ondersteunde ook de theorie dat bliksem een elektrisch verschijnsel was. In 1752 liet hij tijdens een onweersbui zijn beroemde vlieger op met onder aan de draad een sleutel. De bliksem sloeg in de vlieger en een elektrische vonk vloog van de sleutel. Hiermee bewees hij dat bliksem niets anders is dan de elektrische vonkjes die Du Fay tussen zijn volgeladen voorwerpen zag overspringen.
Dat voorwerpen elkaar op afstand kunnen aantrekken was al in 1687 door Isaac Newton (1742-1727) beschreven in zijn beroemde publicatie Philosophiae naturalis principia mathematica, meestal kortweg aangeduid als Principia. Hierin geeft hij een wiskundige beschrijving van de zwaartekracht tussen zich in de ruimte bevindende voorwerpen.

In het jaar 1772 deed de Engelsman Henry Cavendish (1731-1810) proeven waaruit bleek dat de aantrekkende kracht tussen positief en negatief geladen voorwerpen recht evenredig is met de grootte van hun ladingen en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen de voorwerpen. Deze uitkomst komt wonderbaarlijk overeen met wat Newton beschreef voor zijn zwaartekracht. Helaas heeft Cavendish zijn bevindingen nooit in een of ander wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd en ging de eer naar Charles A. de Coulomb (1736-1806) die in 1788 zijn beroemde '1e wet van Coulomb':
F=Ke.[(q1.q2)/r2]
publiceerde. Deze wet geeft aan dat de kracht F, die twee elektrisch geladen voorwerpen op elkaar uitoefenen, gelijk is aan het product van hun ladingen q1 en q2, gedeeld door het kwadraat van hun onderlinge afstand r en vermenigvuldigd met een constante factor Ke.
Aan het eind van de negentiende eeuw werd elektriciteit al op grote schaal toegepast: er was elektrische verlichting, er reden elektrische trams en de industrie maakte gebruik van elektrisch aangedreven machines. Men had echter nog geen idee wat elektrische stroom eigenlijk was.

terug naar de Inhoud

De ontdekking van het elektron
De oude Grieken filosofeerden al over het allerkleinste stukje materie wat verder niet deelbaar was. Immers wanneer je materie tot in het oneindige deelbaar maakt, moest er ook iets zijn dat oneindig klein is en uit iets dat oneindig klein is kan geen materie ontstaan dat niet oneindig klein is. Zij noemden dit allerkleinste deeltje 'atomos', hetgeen vertaald 'ondeelbaar' betekend. De Griekse filosoof Democritus van Abdera (ca. 460-ca. 370 v.Chr.) veronderstelde dat atomen eeuwig bestonden en ondoordringbaar waren. Volgens hem waren er maar vier verschillende atomen (water, aarde, lucht en vuur) waaruit alle materie is opgebouwd. Deze visie veranderde pas in het begin van de 19e eeuw door het onderzoek van de Engelse chemicus John Dalton (1766-1844). In 1810 beschreef hij in zijn publicatie, A new system of chemical philosophy, een nieuwe atoomtheorie. Deze theorie hield in dat alle materie is opgebouwd uit atomen met een bepaalde onderlinge gewichtsverhouding.
Pas door de ontdekking van het elektron kwam men tot de conclusie dat het ondeelbare atoom van Dalton toch uit kleinere deeltjes moest bestaan. De Engelse natuurkundige Sir Joseph J. Thomson (1856-1940) stelde in 1897 experimenteel het bestaan van het elektron vast. Op indirecte wijze was het elektron al een half jaar eerder door de Leidse natuurkundige Hendrik A. Lorentz (1853-1928) en zijn assistent Pieter Zeeman (1865-1943) waargenomen. In 1907 bewees Thomson dat er verscheidene soorten atomen en moleculen bestaan. De naam elektron is niet bedacht door Thomson (hij sprak aanvankelijk over corpuscles), maar tien jaar eerder door de Ier George J. Stoney. Thomson stelde dat atomen bestonden uit positief geladen massieve bolletjes waarbinnen zich negatieve elektronen bewogen. Het atoom op zich was hiermee elektrisch neutraal. De bolletjes zaten onderling in een specifiek verband hecht aan elkaar vast. Volgens Thomson was materie dus massief. Elektronen konden wel uit het bolletje worden losgemaakt.
De Engelse natuurkundige Ernest Rutherford (1871-1937), die samenwerkte met Thomson, leidde uit proeven met verstrooiing van alfadeeltjes af dat een atoom bestaat uit een kleine kern, waaromheen de elektronen zich bewegen. De geheimzinnige zogenaamde alfastraling kon men makkelijk detecteren en men vermoedde dat deze straling uit zware positief geladen deeltjes moest bestaan. Tegenwoordig is bekend dat deze alfastraling een stroom kernen van heliumatomen is die wordt uitgezonden tijdens het verval van zware radioactieve stoffen. Om de eigenschappen van straling te onderzoeken, schoot Rutherford een bundel van deze deeltjes af op dun goudfolie (fig. 3).

Figuur 3. Experiment van Rutherford waarin hij alfa-deeltjes op goudfolie schoot.

Het bleek dat de meeste alfadeeltjes gewoon dwars door de goudfolie vlogen, sommige deeltjes werden afgebogen en sommige deeltjes teruggezonden. Hieruit bleek dat er veel lege ruimte tussen de atomen moest zijn. Het atoommodel dat Rutherford in 1911 naar voren bracht hield dan ook in dat het atoom bestond uit een kleine positief geladen kern waar, als een soort miniplanetenstelsel, zeer kleine negatief geladen deeltjes, de elektronen, omheen cirkelden. Uit Rutherford's verdere metingen bleek dat de diameter van de kern maar liefst 10.000 maal kleiner moest zijn dan de diameter van het gehele atoom. Vanwege de met de aantrekkingskracht van de kern in evenwicht zijnde centrifugale kracht van de draaiende beweging, bleven de elektronen in hun baan rond de kern draaien. Toch was het mogelijk om elektronen van de kern te scheiden. De afzonderlijke elektronen werden 'vrije elektronen' genoemd en het overgebleven positief geladen atoom een 'ion'.
Het opladen van voorwerpen door wrijving werd hiermee verklaard, want door wrijving kwamen elektronen vrij die van het ene naar het andere voorwerp overspringen, hetgeen gepaard kan gaan met vonken. Tevens werd met deze atoomtheorie verklaard dat elektrische stroom kon worden gezien als een verplaatsing van zeer veel vrije elektronen van atoom tot atoom. Het duurde tot 1932 aleer Sir James Chadwick (1891-1974) de kern verder opsplitste in neutronen en protonen. Sinds 1994 zijn zelfs deze deeltjes verder op te splitsen in zogenaamde 'quarks'.

terug naar de Inhoud

Magnetisme
De oude Grieken haalden uit de landstreek Magnesia in het oosten van Thessalië een gesteente dat een vreemde eigenschap had. Het gesteente werd 'magnetiet' (magneetijzersteen) genoemd en heeft de eigenschap ijzerdeeltjes aan te trekken. Wanneer er uit magnetiet een staaf gemaakt werd en deze staaf aan een touwtje opgehangen werd, bleek de staaf steeds naar één bepaalde stand te draaien. Het magnetiet werd dan ook wel 'richtende steen' genoemd. Het is tegenwoordig een van de belangrijkste ijzerertsen.
In latere tijden ontdekte men dat een metalen naald gemagnetiseerd kon worden door deze herhaaldelijk langs een stuk magnetiet te strijken. Aan het eind van de 13e en het begin van de 14e eeuw plaatste men deze gemagnetiseerde naald op een zodanige wijze boven een ronde geijkte schaalverdeling (een windroos) dat de naald vrij kon draaien. Met dit instrument, het kompas, konden de latere ontdekkingreizen van Columbus, Da Gama en Magelhaen worden uitgevoerd. Alhoewel het kompas bij de Chinezen en in het westen al veel eerder bekend was, werd het instrument toen nog niet voor navigatiedoeleinden gebruikt.
Pas in het jaar 1600 beschreef William Gilbert in zijn werk De Magnete op wetenschappelijk basis het onderzoek aan magnetiet en het magnetische verschijnsel hiervan. Hij was de eerste die een verschil maakte tussen de aantrekking door magnetiet (magnetische aantrekking) en barnsteen (elektrische aantrekking). Hij beschouwde de aarde als een zeer grote magneet en vergeleek de polen van de aarde met de magnetische noord- en zuidpool. Polen met dezelfde richting stoten elkaar af en polen met een tegengestelde richting trekken elkaar aan. Door ijzervijlsel rond een staaf magnetiet te strooien, ontdekte Gilbert het magnetische veld (fig. 5). Hij noemde dit verschijnsel rond een magneet de 'aura' (Latijn voor: 'uitstraling') dat van goddelijke afkomst moest zijn. Nog vreemder was het feit dat wanneer een staafmagneet door midden werd gebroken er twee aparte, maar geheel complete, magneten met elk een noord- en zuidpool overbleven.

Figuur 5. Een magneet onder een papier waarop ijzervijlsel is gestrooid, toont de krachtlijnen van het magneetveld.

In 1750 bepaalde John Michell (1724-1793) door middel van experimenten met magneten de sterkte van de magnetische kracht. De magnetische aantrekkingskracht bleek omgekeerd evenredig te zijn met het kwadraat van de afstand tussen de magneten en recht evenredig met de sterkte van de aantrekkende krachten van de magneten. In formulevorm geeft dit:
F=Km.[(p1.p2)/r2]
De term Km werd de 'magnetische constante' genoemd. Deze vergelijking heeft dezelfde vorm als die voor de elektrische kracht, zoals hiervoor is beschreven, en als de vergelijking voor de zwaartekracht van Newton:
F=G.[(m1.m2)/r2]

terug naar de Inhoud

Elektriciteit en magnetisme
Aan het eind van de 18e eeuw werden de overeenkomsten tussen elektriciteit en magnetisme steeds duidelijker. In 1820 gaf de Deense natuurkundige Hans C. Oersted (1777-1851) een van zijn vele lezingen in zijn eigen huis. Omgeven door veel folklore trachtte hij met zijn demonstraties zijn bezoekers te verbazen. Tijdens een van zijn voordrachten demonstreerde hij de mogelijkheid om een draad door middel van elektrische stroom te verwarmen. Telkens wanneer hij de stroom op de draad inschakelde zag hij dat een in de buurt van de draad gelegen kompasnaald van richting veranderde. Toen Oersted dit nader ging onderzoeken, bleek dat wanneer hij de draad loodrecht op de richting van de kompasnaald hield er niets gebeurde, maar hield hij de draad evenwijdig aan de naald dan bewoog de naald. Vervolgens voerde hij een geleidende draad U-vormig door een met ijzervijlsel bestrooid stuk karton (fig. 6). Wanneer hij de stroom inschakelde, ontstond er rond de draad een lijnenpatroon als dat bij magnetisme. Hiermee had hij ontdekt dat elektrische stroom en magnetisme geen afzonderlijke verschijnselen zijn.


Fig. 6. IJzervijlsel rond een geleidende draad
Maar hoe kon de elektriciteit in een metaaldraad op afstand een magneetnaald bewegen? Michael Faraday (1791-1867) begon dit verschijnsel aan het eind van 1821 te bestuderen. Hij zette een magneet rechtop en stelde zich voor dat er onzichtbare cirkelvormige lijnen omheen draaiden. Hij noemde dit geheel van lijnen een 'magnetisch veld'. Wanneer er een loshangende (stroom)draad boven deze magneet werd gehouden dan moest de draad mee gaan ronddraaien met zijn mysterieuze cirkels. Inderdaad gebeurde dit. Faraday had hiermee de basis voor de elektromotor gevonden.
Hij was er al van overtuigd dat wanneer een elektrische stroom een magnetisch veld kon veroorzaken, het omgekeerde ook mogelijk moest zijn. In 1831 ontdekte hij hierdoor het principe van inductie: er ontstaat een stroom in een draad wanneer een magneet in de buurt van de draad wordt bewogen. De 'inductiewet van Faraday' maakte de ontwikkeling van de dynamo, die elektriciteit op mechanische wijze opwekt, mogelijk en vormde de basis van de moderne elektrotechniek.

terug naar de Inhoud

Elektromagnetische golf
Het was de Schotse wis- en natuurkundige James C. Maxwell (1831-1879) die de ideeën van Faraday vertaalde naar wiskundige taal. Net als Faraday veronderstelde hij dat elektriciteit en magnetisme te verklaren zijn door 'velden'. Toen hij in 1860 uit symmetrie-overwegingen naast de inductieregel van Faraday (verandering van een magnetisch veld gaat vergezeld van een elektrisch veld) veronderstelde dat verandering van een elektrisch veld vergezeld moest gaan van een magnetisch veld, gaf hij hiermee het idee van elektromagnetische golven vorm. Een variërend elektrisch veld veroorzaakt een variërend magnetisch veld. Dit veld veroorzaakt dan weer een variërend elektrisch veld, enzovoort.
Deze combinatie van veldtrillingen veroorzaken een golfverschijnsel in de ruimte, een elektromagnetische golf met een golflengte lambda. De twee verschijnselen planten zich loodrecht ten opzichte van elkaar door de ruimte voort. Maxwell meende dat wanneer elektriciteit en magnetisme aan elkaar gerelateerd waren, er dan ook een relatie moest zijn tussen de natuurconstante Ke van elektriciteit en de natuurconstante Km van magnetisme. Hij vond deze relatie als Ke/Km en bleek het kwadraat van een snelheid te zijn. Als we deze snelheid willen bepalen, moeten we de gevonden waarden invullen: snelheid is gelijk aan de wortel uit (Ke/Km). Dit is dan gelijk aan de wortel uit ((9 x 109)/(1 x 10-7)). De uitkomst hiervan bleek tot zijn grote verbazing gelijk te zijn aan de lichtsnelheid. Hij veronderstelde dat het niet toevallig kon zijn dat in de waarde voor de elektrische en magnetische constanten de lichtsnelheid ligt opgesloten. Zichtbaar licht moest een elektromagnetisch verschijnsel zijn. Hierdoor verenigde hij de drie grote, aanvankelijk gescheiden, natuurkundige verschijnselen, licht, elektriciteit en magnetisme, in één theorie.

De experimentele bevestiging van Maxwells uitgangspunt kwam pas later, toen Heinrich R. Hertz (1857-1894) elektromagnetische golven opwekte en aantoonde dat deze golven dezelfde eigenschappen hebben als het licht. Vrijwel direct daarna werd de radio uitgevonden. Door verscheidene onderzoekers werden vervolgens elektromagnetische golven met andere golflengten opgewekt, waardoor nieuwe communicatiemiddelen ontstonden, zoals televisie, radar en de mobiele communicatievloedgolf van de laatste jaren.

Er is een duidelijk verschil tussen geluidsgolven en elektromagnetische golven. Geluidsgolven bestaan uit trillingen van materiële deeltjes die zich volgens de wetten van de mechanica gedragen. Bij elektromagnetische golven is dit niet het geval, er is niets dat meegolft. Een elektromagnetische golf betekend een voortplanting van energie. De energie E die aan elektromagnetische straling is verbonden neemt recht evenredig toe met de frequentie, volgens de relatie E = hν, waar h de constante van Planck is.
In de astronomie is elektromagnetische straling en het waarnemen hiervan van groot belang, aangezien het bestuderen van het heelal en de hemellichamen voor het grootste deel afhangt van de ontvangst en het analyseren van straling afkomstig van ver weggelegen objecten.

terug naar de Inhoud

Het elektromagnetische spectrum
Het voor de mens zichtbare licht is, zoals hiervoor beschreven, een vorm van elektromagnetische straling, met een golflente tussen 400 en 700 nanometer, die zich met de lichtsnelheid door de ruimte (in vacuüm) beweegt. Golven korter dan het zichtbare licht worden 'ultraviolet' (Latijn: 'ultra' = 'voorbij') genoemd en langere golven 'infrarood' (Latijn: 'infra'= 'na'). Het instrument dat het zonlicht opsplitst in zijn samengestelde golflengtes en deze uitspreid in een kleurenband is een spectroscoop. In een spectroscoop wordt licht door een spleet geleid en vervolgens door een prisma (een driehoekig stuk glas) en een systeem van lenzen of spiegels.
Door de overgang naar een medium waarin het licht zich langzamer voortbeweegt, in dit geval het glas van het prisma, wordt het licht gebroken. Elke golflengte heeft hierbij een andere brekingshoek, waardoor het wit invallende zonlicht uiteen wordt gewaaierd in een band van de kleuren. In de richting van kortere golflengten is de band samengesteld uit rood, oranje, geel, groen, blauw en violet. De band van regenboogkleuren welke te zien is nadat het zonlicht door een spectroscoop is opgesplitst, wordt een continuspectrum, of een continuüm genoemd en bestaat eigenlijk uit een ononderbroken reeks golflengten. Het woord 'spectrum' komt uit het Latijn en betekend 'verschijning', 'gezicht' of 'droombeeld'.

De gehele reeks van elektromagnetische golflengten wordt het elektromagnetische spectrum of kortweg 'het spectrum' genoemd en wordt in de richting van langere golflengten meestal verdeeld in: gammastraling, röntgenstraling (ook wel x-straling genoemd), ultraviolet, zichtbaar licht, infrarood, microgolven en radiogolven.
De Engelse chemicus William H. Wollaston zag in het spectrum van de zon verscheidene donkere lijnen die hij als natuurlijke scheidingslijnen tussen de verschillende kleuren beschouwde. De opticien en instrumentmaker Joseph von Fraunhofer (1787-1826) vergrootte het spectrum van de zon met behulp van een kleine telescoop en telde 574 donkere lijnen (fig. 8). Hij gaf de meest duidelijke lijn aan met de letter A, de hierop volgende met de letter B, enzovoort. Fraunhofer toonde aan dat de positie van de D-lijn in het zonnespectrum overeen scheen te komen met dat van een heldere gele lijn die uitgezonden wordt door een kaarsvlam. Hij had echter geen idee waarom deze lijn in het zonnespectrum donker was en in zijn laboratorium geel. Met een telescoop voorzien van een prisma keek hij vervolgens naar spectra van de maan, planeten en heldere sterren, waaronder Sirius. Hij vond dat de relatieve duidelijkheid van lijnen in stellaire spectra vaak verschilde van dat van de zon en zelfs tussen de sterren onderling. Na deze bevinding ging Fraunhofer weer verder met zijn oude werk, het maken en verbeteren van telescopen.


Figuur 8. Fraunhoferlijnen
In 1859 toonden Gustav R. Kirchoff (1824-1887) en Robert W. Bunsen (1811-1899) aan dat de gele lijn die Fraunhofer zag, afkomstig moest zijn van natriumchloride, gewoon keukenzout. Zij konden verder aantonen dat de opeenvolging van verschillende heldere lijnen in spectra verkregen in het laboratorium overeenkomen met volgordes van donkere lijnen in het zonnespectrum. Als de D-lijn van Fraunhofer de aanwezigheid van natrium aantoonde, moest de rest van de lijnen een indicatie zijn voor verschillende andere chemische elementen, waaronder waterstof, het grootste bestanddeel van de zon. Zij toonden verder aan dat een heldere, hete gaswolk zelf specifieke golflengtes uitstraalt. Het bijbehorende emissiespectrum bestaat dan alleen maar uit een serie helder gekleurde lijnen, de emissielijnen. Wanneer echter wit licht door een gaswolk heen gaat wordt het licht van bepaalde golflengten geabsorbeerd en zijn er donkere lijnen in de regenboogband van kleuren in het absorptiespectrum te zien. De golflengten van de donkere absorptielijnen komen overeen met golflengten die deze gaswolk zelf uitstraalt (fig. 9).


Fig. 9. Verschillende soorten spectra
Met behulp van deze spectraalanalyse ontdekte Bunsen in 1860 het element cesium en in 1861 het element rubidium. In 1868 maakte Andreas J. Ångtröm (1814 -1874) een spectraalkaart van de zon met de exacte positie van 1200 absorptielijnen.
In het continuspectrum van de zon of een andere ster zijn dus vele donkere lijnen te zien, waarbij elke lijn overeen komt met een bepaalde golflengte. Maar aan het begin van de 19e eeuw wist nog niemand waarom deze lijnen in het spectrum aanwezig zijn. De Deense natuurkundige Niels H. D. Bohr (1885-1962), die nog had samengewerkt met Thomson en Rutherford, publiceerde in 1913 een geheel nieuwe atoomtheorie. In deze atoomtheorie maakte hij gebruik van de kwantummechanica van Planck en de atoommodellen van Thomson en Rutherford.
Zijn theorie hield in dat wanneer een atoom zich in een stationaire toestand bevindt, de elektronen van dat atoom rond de kern draaien in specifieke rustbanen met een voor die baan specifieke rustenergie. Wanneer er extra energie aan het atoom wordt toegevoegd, bijvoorbeeld door verwarming, kunnen elektronen van dat atoom deze energie absorberen. Hierdoor springen deze elektronen naar een baan met een hogere rustenergie en bevindt het atoom zich in een instabiele toestand. Het 'aangeslagen' elektron zal zo snel mogelijk proberen terug te vallen naar zijn stationaire baan rond de kern, waarbij het elektron dan dezelfde hoeveelheid energie in de vorm van elektromagnetische straling afstaat als dat het heeft opgenomen. De overgang wordt een 'kwantumsprong' genoemd.
De lijnen in een spectrum kon hij met deze theorie verklaren. Immers wanneer de energie die bij een kwantumsprong vrijkomt bekend is, kan daarmee de overeenkomende golflengte van de uitgezonden elektromagnetische straling berekend worden. Elke kwantumsprong komt dan overeen met één specifieke golflengte en één lijn in het lijnenspectrum.

terug naar de Inhoud

De ontdekking van helium
Het element helium werd pas in 1868 aangetoond. De stof was vóór die tijd op aarde onbekend en werd ontdekt in de zon, dus op een afstand van ongeveer 150 miljoen kilometer. Robert Bunsen en Gustav Kirchhoff hadden enkele jaren eerder de spectrometer ontwikkeld en ontdekt dat elk element hiermee een karakteristiek spectrum van scherpe lijnen van verschillende kleuren gaf.
In 1868 vond er een zonsverduistering plaats en Pierre Janssen, een Franse natuurkundige, ging speciaal naar India om deze daar te bestuderen. Daarbij gebruikte hij ook de spectrometer. Hij vond niet alleen de spectraallijnen die karakteristiek zijn voor waterstof en twee gele lijnen die natrium aantonen, maar ook nog een derde gele lijn, die met geen enkel toen bekend element overeenkwam. Terug in Frankrijk rapporteerde hij zijn bevindingen per brief aan de Franse Academie van Wetenschappen. Intussen echter had J. Norman Lockyer in Londen een speciale telescoop ontwikkeld, waarmee ook zonder zonsverduisteringen spectroscopische opnames van de zon gemaakt konden worden.
Twee maanden na Janssen maakte Lockyer opnamen van gassen rond de zon en ontdekte dezelfde onbekende lijn in het spectrum. Lockyer meldde dit dezelfde dag nog aan de Britse Royal Society. Met hulp van de chemicus Edward Frankland werd definitief vastgesteld, dat de onbekende spectraallijn afkomstig moest zijn van een nieuw element. Dit element werd helium genoemd, naar het Griekse woord helios voor zon.
Pas 23 jaar later werd door William Ramsey op aarde in uraniumerts het element helium ontdekt.

terug naar de Inhoud

Sneller dan het licht?
We hebben gezien dat licht een elektromagnetische golfbeweging is die met de snelheid van het licht door de ruimte reist.
Veertig jaar na het werk van Maxwell concludeerde Einstein dat licht alleen kan bestaan, wanneer de lichtgolf zichzelf actief voortbeweegt en dat niets sneller kan bewegen. Lichtgolven houden zichzelf in stand doordat een deel naar voren schiet en zo het volgende deel opwekt. Het elektrische gedeelte van de lichtgolf schiet naar voren en geeft daarbij een naar voren gericht magnetisch gedeelte. Dit magnetische gedeelte veroorzaakt vervolgens een elektrische stroom die weer opnieuw een magnetisch gedeelte naar voren schiet en de cyclus weer van voren af aan begint. Licht is dus een fysisch proces van een zeer snel haasje-over van magnetisme dat ontstaat uit elektriciteit en elektriciteit dat ontstaat uit magnetisme (een afwisselende wederzijdse opwekking).

Energie en massa zijn net als elektriciteit en magnetisme eeuwenlang als twee afzonderlijke dingen beschouwd. Het was Einstein die deze twee door middel van zijn beroemde formule E=mc2 met elkaar in verband bracht. Hierbij is c, de lichtsnelheid, de conversiefactor tussen massa en energie.
Hieruit blijkt direct dat hogere snelheden dan de lichtsnelheid niet mogelijk zijn. Immers de energie die nodig is om tot dicht bij de lichtsnelheid te kunnen reizen, wordt in steeds grotere mate omgezet in massa. In deeltjesversnellers als dat van het CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire) in de buurt van Genéve heeft men dit proces aangetoond. Protonen kregen zoveel energie toegediend dat ze met steeds grotere snelheid gingen bewegen. Wanneer er zoveel energie was toegediend dat de protonen bijna met de lichtsnelheid bewogen bleken ze niet steeds sneller te gaan, maar hun massa steeds groter te worden. Energie werd hierbij omgezet in massa, niet in snelheid.
Het omgekeerde, massa omzetten in energie, bleek ook mogelijk en resulteerde in de atoombommen op Hiroshima en Nagasaki.
Je ziet het, licht heeft vele facetten. Van de fraaie regenboog aan de hemel tot aan de verwoestende kracht van de atoombom, het heeft allemaal met licht te maken.

terug naar de Inhoud

terug naar het literatuuroverzicht







^