NWO-I

NWO - Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek - print-logo

URL voor deze pagina :
https://www.nwo-i.nl/nwo-domein-enw/nobelprijzen/nederlandse-winnaars-van-de-nobelprijs-voor-de-natuurkunde/

Geprint op :
23 september 2017
10:50:49

Het jaartal verwijst naar het jaar waarin de prijs werd toegekend. Bij de Nobelprijzen gaat het vaak om bekroning van al veel eerder uitgevoerd onderzoek. 

 

1902: Hendrik Antoon Lorentz en Pieter Zeeman

De drie kort opeenvolgende Nobelprijzen van Lorentz en Zeeman, Van der Waals en Kamerlingh Onnes tonen aan dat Nederland honderdvijftig jaar geleden een kennisland werd. Grote trendzetters waren Nederlands belangrijkste politicus Thorbecke en de Nobelprijswinnaar Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928). Thorbecke ontnam de koning van Oranje via de grondwet zijn macht, en legde in een andere wet vast dat de regering veel belastinggeld moest besteden aan onderwijs met veel wis- en natuurkunde en talen. Die hogere burgerschool werd opgericht in 1863, waardoor er goed opgeleide mensen kwamen. 
De eerste gediplomeerden, waaronder Lorentz, ontwikkelden een wetenschappelijke programma: begrijpen hoe verschijnselen voortkomen uit het gedrag van atomen en moleculen. Later overtuigde Lorentz de politici ervan instituten op te richten voor het toepassen van die kennis (TNO). Daarnaast kon Nederland met wetenschappelijke berekeningen van Lorentz de Afsluitdijk bouwen die mensen rond het IJsselmeer voortaan voor waterrampen behoedde.
Lorentz en zijn assistent Pieter Zeeman (1865-1943) deden in 1896 in Leiden een ontdekking die de hele wereld verder bracht. Zij stuitten als eersten op het bestaan van het elektron. Lorentz had met het idee al talrijke voorspellingen gedaan. Zeeman kreeg de eerste concrete aanwijzing voor het bestaan van het elektron.
Een wolk natrium geeft in een vlam licht met een vaste kleur. Zeeman toonde aan dat het licht van kleur verandert in de aanwezigheid van een sterke magneet. Elke kleur valt uiteen in een patroon van drie iets verschillende kleuren (het Zeeman-effect). Lorentz kon dit verklaren met de kracht die een magneet uitoefent op een bewegend elektrisch deeltje (Lorentzkracht).
Een jaar later mat de Engelse geleerde Joseph John Thomson voor het eerst aan een bundel elektronen. Het elektron bleek veel lichter en kleiner te zijn dan verwacht. Elektrische lading bleek gebonden te zijn aan aparte deeltjes kleiner dan atomen.
Thomson deed toen een ironische toast: 'Op het elektron, dat het niemand tot nut mag zijn.' Momenteel is de hele wereld totaal afhankelijk van elektriciteit.

1910: Johannes Diederik van der Waals

Johannes Diederik van der Waals (1837-1923) was docent aan de hogere burgerschool met extreme liefde voor het vak. Een ouderwetse wet weerhield hem ervan zelf onderzoek te doen. Progressieve politici hieven die wet echter op, Van der Waals werd professor in Amsterdam en hij kwam tot ontdekkingen die de Nobelprijs opleverden.
Veel van zijn tijdgenoten noemden moleculen hersenspinsels, omdat je ze niet kunt zien. Maar je kunt hun bestaan zien, zo beweerde de vastberaden docent, wanneer vloeistoffen in gassen overgaan en andersom.
In essentie zijn volgens Van der Waals een vloeistof en een gas hetzelfde. Van der Waals stelde een toestandsvergelijking op die zowel het gedrag van de vloeistof als van het gas beschrijft. De omvang van moleculen, hun gewicht en aantrekkingskracht bepalen wanneer gassen condenseren. De waarden die Van der Waals voor die eigenschappen van moleculen afleidde, bleken later – toen er methoden ontstonden om eigenschappen van moleculen direct te meten – allemaal juist.
Van der Waals' gedachte was dat moleculen een bepaald volume innemen, elkaar op kleine afstand afstoten en op grotere afstand een beetje aantrekken. Hieruit blijkt tevens dat er een kritische temperatuur is waarboven een gas niet meer condenseert door het samen te persen. Al lange tijd was dit bij experimentatoren bekend, maar niemand begreep waarom.
Van der Waals voorspelde echter dat op een ijskoude plek de permanente gassen – de gassen die nog nooit waren gecondenseerd – wel vloeibaar worden. Later lukte het inderdaad zuurstof, stikstof, waterstof en helium te condenseren.
Toen Van der Waals de Nobelprijs kreeg, zei hij: 'Nu is bewezen dat het molecuul geen hersenspinsel is.'

1913: Heike Kamerlingh Onnes 

Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) leidde als een van de eersten een grootschalig wetenschappelijk project. Zijn lijfspreuk was 'van meten tot weten'. Zijn doel was het koudste plekje op aarde te maken. In Leiden vestigde hij een laboratorium en een instrumentmakerschool waarin een groot team werkte onder een nauwgezet programma.
Aan het einde van de negentiende eeuw maakten Europese onderzoeksgroepen de permanente gassen zuurstof en stikstof vloeibaar. Ze pompten hiervoor de damp boven vloeistoffen weg. Andere onderzoekers persten gassen samen, koelden het samengeperste gas af en lieten het uitzetten. Zuurstof en stikstof werden vloeibaar bij 126 graden Celsius boven het absolute nulpunt.
In 1896 maakten Britse onderzoekers ook waterstof vloeibaar. Ze lieten samengeperst waterstof hiervoor uitzetten in een vacuümbuis, zonder dat dit warmte met zijn omgeving uitwisselde. Zo haalden ze een temperatuur van 12 graden Celsius boven het absolute nulpunt. Helium was nu nog het enige permanente gas dat nooit vloeibaar was gemaakt.
Kamerlingh Onnes kon in zijn laboratorium rond 1900 al zo'n 2 tot 3 liter vloeibaar waterstof per uur maken. Hij liet zijn broer grote hoeveelheden monazietzand uit Brazilië importeren, waaruit bij elkaar 360 liter helium kon worden gestookt. Op 10 juli 1908 slaagde hij erin hieruit ongeveer een deciliter helium vloeibaar te maken door het herhaaldelijk uit te laten zetten in vacuüm.
Dit opende een wereld van nieuwe verschijnselen. Zo stelde Kamerlingh Onnes in 1911 met zijn onderzoeksteam vast dat in zeer koud kwik, tin en lood een stroom loopt die niet in sterkte afneemt (supergeleiding). Dit verschijnsel is pas in de jaren vijftig verklaard.
Nog later bleken heliumatomen bij hele lage temperaturen niet stil te staan. Beneden 2,2 graden Celsius boven het absolute nulpunt wordt helium juist extreem vloeibaar. Zo kruipt het zonder wrijving door elk gat.
Momenteel beschikt bijna ieder laboratorium over een apparaat waarmee vloeibaar helium kan worden gemaakt. Vloeibare permanente gassen worden gebruikt in raketmotoren, in ademhalingspakken om te overleven in de diepzee en op planeten en bij het invriezen van voedingsmiddelen. Hierdoor kunnen voedingsmiddelen over de wereld worden vervoerd. Stromen zonder weerstand hebben geleid tot medische scanners en de zweeftrein.

 
1953: Frits Zernike 

Frits Zernike (1888-1966), sinds 1920 hoogleraar aan de universiteit in Groningen, ontwikkelde in 1930 een microscoop waarmee je levende cellen kunt bestuderen. De microscoop heet een fasecontrastmicroscoop.
Levend weefsel is meestal doorzichtig. Het mensenoog ziet echter alleen kleur- en intensiteitverschillen. Daarom 'verfden' biologen cellen en bacteriën door ze een vloeistof op te laten nemen. Die vloeistoffen doodden de cellen en bacteriën echter.
Zernike plaatste een ronde plaat tussen de lenzen van de microscoop, die het licht doorkruist voordat het via de lens op het oog valt. Als licht door een cel gaat, buigt de bundel af. Ook loopt de golf van het licht iets achter ten opzichte van die van het licht dat langs de cel scheert.
De plaat van Zernike laat licht in het midden gewoon door, maar schuift de fase van het licht aan de rand iets op. Als twee lichtstralen met net iets verschillende fase elkaar kruisen vormen ze een patroon van lichte en donkere plekken. Deze plekken kan het oog goed zien. 
Komen de lichtstralen door het midden en van de rand samen, dan versterken ze elkaar. Zo zijn doorzichtige plekken extra licht.
Met de microscoop zagen biologen voor het eerst cellen zich delen, mannelijke en vrouwelijke voortplantingscellen ontstaan en de bevruchting van een cel. Daarnaast zijn talrijke medicijnen met de microscoop getest. Medici kijken dan hoe cellen op medicijnen reageren.
Het is bijna ondenkbaar, maar voor Zernike was de Duitse bezetting voordelig. Aanvankelijk had namelijk niemand belangstelling voor zijn microscoop. Toen het Duitse leger Nederland bezet had, ontdekten de Duitsers de microscoop en besloten ze deze massaal te gaan maken.

1981: Nicolaas Bloembergen 

Na de Tweede Wereldoorlog verhuisden Europese geleerden massaal naar de Verenigde Staten waar de wetenschap veel verder was. Daar werkten onderzoekers al aan de geboorte van de laser, de transistor en een nieuwe techniek die kleine magneetjes in materialen kan meten (NMR, met daar later van afgeleid MRI). Nicolaas Bloembergen (1920) verruilde Nederland voor Amerika in 1946 en kwam midden in deze stormachtige ontwikkeling terecht. Hij kwam nog even naar Nederland terug om in 1948 in dienst van FOM te promoveren, maar ging daarna terug naar Amerika en werd na enige jaren hoogleraar aan de universiteit van Harvard. In 1981 deelde hij samen met Arthur L. Shawlow de Nobelprijs.
De eerste lasers gaven wel intense radiogolven en licht, maar alleen maar van één frequentie. In 1956 ontwikkelde Bloembergen een versterker van radiogolven waarvan de frequentie kan worden ingesteld. Ook bedacht Bloembergen manieren om intens licht te krijgen van alle kleuren. Dit deed hij door drie bundels te mengen, zodat een vierde bundel ontstaat met een instelbare kleur. Bloembergen stelde wetten op hoe intens licht weerkaatst en verstrooit. Dat gaat anders dan bij gewoon licht.
Met de betere lasers mat Bloembergen verschijnselen zoals de verbranding van benzine in een automotor of de bewegingen van deeltjes door weefsel en cellen. Dit gebeurde in twee stappen. Eerst dwong laserlicht elektronen iets verder weg van de atoomkernen, daarna keek Bloembergen welke lichtenergie van de laser atomen nog kunnen opnemen. Zo zijn onderzoekers bijvoorbeeld op het spoor hoe groene planten licht omzetten in koolhydraten en suikers.
Ook is het aan Bloembergen te danken dat Amerika geen ruimteschild met lasers maakte. Toenmalig president Ronald Reagan wilde in de jaren tachtig satellieten met laserkanonnen uitrusten om vijandelijke raketten te kunnen vernietigen - het Star Wars-project. Bloembergen vertelde Reagan dat dit zo duur en onbetrouwbaar zou zijn, dat Reagan het geld beter ergens anders in kon stoppen.

1984: Simon van der Meer 

Zoals Lorentz en Zeeman voor het eerst het vederlichte elektron maten, detecteerde Simon van der Meer (1925 - 2011) voor het eerst twee hele zware deeltjes: de W-boodschapper en de Z-boodschapper. Deze deeltjes zijn honderd keer zo zwaar als een waterstofkern en vallen na hun ontstaan meteen weer uit elkaar. Hij ontving de Nobelprijs samen met de Italiaan Carlo Rubbia.
In het heelal zijn nog talrijke andere deeltjes dan het elektron, proton en neutron. Die deeltjes oefenen net zoals het proton en neutron hele sterke krachten op elkaar uit (de sterke kracht), of net zoals het elektron en het proton een elektrische kracht.
Maar die krachten verklaren bijvoorbeeld niet waarom de zon gloeit. Dit komt door de zwakke kracht diep in de kern, die ertoe leidt dat kernen radioactief vervallen.
De overbrenger van die kracht zijn het W- en Z-deeltje. Althans, dat beweerden de Nederlandse natuurkundigen Gerard 't Hooft en Martinus Veldman op grond van formules. Nooit waren de deeltjes gezien.
In 1976 klopte Rubbia op de deur van CERN met een plan om de deeltjes te meten. Met de versneller zouden protonen en hun tegenpolen – antiprotonen – op elkaar geschoten worden. Bij een miljard botsingen zouden gemiddeld tien van de overbrengers van de zwakke kracht ontstaan.
Van der Meer, die bijna zijn hele leven bij CERN werkte, slaagde erin honderden miljarden protonen en antiprotonen samen te pakken in twee bundels. Hij koelde de deeltjes sterk af en leidde de bundels met magneten rond door de versneller. Computers zochten tussen de brokstukken van de miljarden botsingen naar de deeltjes. En inderdaad kon het bestaan van het W- en Z-deeltje in 1983 worden bevestigd. De massa klopt precies met de voorspellingen van 't Hooft en Veltman.

1999: Martinus Veltman en Gerard 't Hooft 

Natuurkundigen proberen de hele familie van elementaire deeltjes in kaart te brengen. Leden van die familie hebben net als in een echte familie verschillende omgangsvormen. Sommigen trekken hard aan elkaar, anderen zwak en bij weer anderen slaan er elektrische vonken over. Geleerden willen de grondregels van de hele familie weten.
Daarom doen ze een gedachte-experiment. Wat zou er gebeuren als plotsklaps het hele heelal een stukje opschuift? Of als de bewegingsrichting van alle deeltjes omklapt? Als de wetten dan hetzelfde blijven, heerst er in het heelal een symmetrie.
Zo hebben fysici drie belangrijke symmetrieën gevonden: spiegelsymmetrie (het heelal gezien in een spiegel zou kunnen bestaan), tijdsymmetrie (het heelal zou ook andersom kunnen verlopen) en materiesymmetrie (elk deeltje heeft een tegenpool. Wanneer deze twee elkaar tegenkomen, verdwijnen ze).
Met deze theorieën deze zich al snel twee problemen voor. De grondregels van de elektrische kracht en sterke kracht gaven onjuiste waarden van de massa van gezinleden. Maar de geleerden Feynmann, Tomonoga en Schwinger toonden aan dat de deeltjeswolk rondom elk deeltje een gelijk effect heeft als een kleine verandering in de massa (renormalisatie). Die schijnmassa komt overeen met de massa die in experimenten is gemeten.
Het tweede probleem is dat spiegelsymmetrie niet altijd opgaat voor zwakke omgangsvormen. Waar dit zo is, blijkt de materiesymmetrie ook afwezig te zijn, zodat de tijdsymmetrie wel behouden blijft (Nobelprijs James W. Cronin en Val L. Fitch).
Met de overgebleven symmetrie togen de Utrechtse professoren Martinus Veltman (1931, in 1963 in dienst van FOM gepromoveerd) en Gerard 't Hooft (1946) aan het werk om de grondregels te vinden voor de hele familie. De Nederlanders kregen dit voor elkaar. Nu ze de grondregels hadden, voorspelden ze twee koppelaars van zwakke omgang. Deze zouden honderd keer zo zwaar zijn als protonen. Bovendien voorspelden ze een nieuw gezinslid dat een sterke omgang heeft. Het bestaan van die drie nieuwe gezinsleden is de laatste tien jaar in de versneller van CERN aangetoond.
De koppelaars van zwakke omgang zijn erg zwaar. Daarentegen heeft de koppelaar van elektrische omgang helemaal geen gewicht. Die massa ontstaat volgens de Nederlanders doordat er nog kleinere deeltjes zijn – Higgs-deeltjes, die de symmetrie bederven. CERN observeerde het langgezochte higgsboson in de zomer van 2012.

 

2010: Andre Geim

Andre Geim (1958) en zijn Russisch-Britse collega Konstantin Novoselov kregen in 2010 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun doorbraak in het onderzoek naar tweedimensionaal grafeen. Andre Geim is in Rusland geboren, maar heeft de Nederlandse nationaliteit. Hij werkte, voor hij naar Manchester vertrok, ruim zes jaar aan de Radboud Universiteit Nijmegen waaraan hij ook nu nog verbonden is als bijzonder hoogleraar. Konstantin Novoselov is een voormalig FOM-promovendus die in 2004 bij prof. Jan Kees Maan in Nijmegen promoveerde. Beide natuurkundigen speelden een belangrijke rol bij de opzet van het Nederlandse grafeenonderzoek. Sinds 2008 loopt bij FOM een succesvol onderzoeksprogramma op het gebied van grafeen. Geim is momenteel verbonden aan de Radboud Universiteit Nijmegen en heeft een eredoctoraat aan de TU Delft.
"Het is volledig terecht dat zij de Nobelprijs krijgen. Zij zijn als geen ander in staat een goed idee te vertalen en met eenvoudige middelen een prachtig onderzoeksresultaat te bewerkstelligen. Geim heeft verschillende ideeën zo tot een goed eind gebracht. Dat is de rode draad in zijn carrière: hij liet een kikker zweven omdat hij iets met magnetisme op kamertemperatuur wilde doen, hij ontdekte grafeen met plakband en ontwikkelde Gecko-tape. Beiden hebben de unieke combinatie in zich van een briljant wetenschapper en een zeer aardig mens", aldus FOM-werkgroepleider Jan Kees Maan, tevens promotor van Novoselov en oud-collega van Geim.
Lieven Vandersypen, als programmaleider van het grafeenonderzoek verbonden aan de FOM-focusgroep aan de TU Delft reageert enthousiast: "Dit is prachtig nieuws! Geim en Novoselov zijn uitzonderlijk creatieve onderzoekers, en hun werk aan grafeen is daarvan de beste illustratie. Ze slaagden er als eerste in om grafeen op een substraat aan te brengen en kregen dit voor elkaar door met een eenvoudig stukje plakband dunne laagjes grafiet af te pellen. Geim en Novoselov zijn ook na hun 'plakbanddoorbraak' toonaangevend gebleven in het vakgebied. Ze bedenken steeds weer leuke en relevante experimenten, dat is echt mooi om te zien. De plakbandtechniek hebben ze gedeeld met eenieder die het wilde leren en naast de bijzonder interessante eigenschappen van het nieuwe materiaal, heeft het gemak waarmee we grafeen kunnen maken, mede geleid tot een echte explosie aan onderzoeksactiviteiten. Intussen verschijnen elke week ruim vijftig publicaties met grafeen in de titel, en wordt ook bij bedrijven als Samsung en IBM hard gewerkt aan het bestuderen van mogelijke toepassingen in elektronica, touchscreens, LCD's enzvoort. In hoeverre die toepassingen er komen moet nog blijken, wat dat betreft komt de Nobelprijs misschien vroeger dan ik had verwacht, maar ik vind het wel geweldig leuk. Voor ons is het een grote stimulans voor ons werk aan grafeen, en daarbuiten ook in het brede vakgebied van de mesoscopische fysica."
Geim won eerder de IgNobelprijs: een parodie op de Nobelprijs die ieder jaar wordt uitgereikt voor 'komische' onderzoeken waar men eerst om moet lachen, maar die ook aan het denken zetten. Geim won de IgNobelprijs voor zijn onderzoek waarin hij een kikker liet zweven. Vooralsnog is Geim de enige persoon die zowel de Nobelprijs, als de tegenhanger IgNobel op zijn naam heeft staan.

Novoselov is de derde FOM-promovendus die een Nobelprijs in de wacht sleept, na Bloembergen en Veltman, van de in totaal 3.000 FOM-promovendi tot nu toe.