Henry Cavendish

Frühes LebenBearbeiten

Henry Cavendish wurde am 10. Oktober 1731 in Nizza geboren, wo seine Familie zu dieser Zeit lebte. Seine Mutter war Lady Anne de Grey, die vierte Tochter von Henry Grey, dem ersten Herzog von Kent, und sein Vater war Lord Charles Cavendish, der dritte Sohn von William Cavendish, dem zweiten Herzog von Devonshire. Die Familie ließ sich über acht Jahrhunderte bis in die normannische Zeit zurückverfolgen und war eng mit vielen aristokratischen Familien Großbritanniens verbunden. Henrys Mutter starb 1733, drei Monate nach der Geburt ihres zweiten Sohnes, Frederick, und kurz vor Henrys zweitem Geburtstag, und überließ Lord Charles Cavendish die Erziehung seiner beiden Söhne. Henry Cavendish wurde als „The Honourable Henry Cavendish“ bezeichnet.

Ab dem Alter von 11 Jahren besuchte Henry die Newcome’s School, eine Privatschule in der Nähe von London. Im Alter von 18 Jahren (am 24. November 1748) trat er in das St. Peter’s College, das heutige Peterhouse, an der Universität Cambridge ein, verließ sie aber drei Jahre später, am 23. Februar 1751, ohne einen Abschluss gemacht zu haben (was zu jener Zeit üblich war). Danach lebte er bei seinem Vater in London, wo er bald sein eigenes Laboratorium hatte.

Lord Charles Cavendish verbrachte sein Leben zunächst in der Politik und dann zunehmend in der Wissenschaft, insbesondere in der Royal Society of London. 1758 nahm er Henry zu den Sitzungen der Royal Society und auch zu den Abendessen des Royal Society Club mit. Im Jahr 1760 wurde Henry Cavendish in diese beiden Gruppen gewählt, und auch danach nahm er fleißig daran teil. Er beteiligte sich praktisch nicht an der Politik, sondern folgte seinem Vater in die Wissenschaft, indem er forschte und sich an wissenschaftlichen Organisationen beteiligte. Er engagierte sich im Rat der Royal Society of London (in den er 1765 gewählt wurde).

Aufgrund seines Interesses und seiner Sachkenntnis im Umgang mit wissenschaftlichen Instrumenten leitete er ein Komitee zur Überprüfung der meteorologischen Instrumente der Royal Society und half bei der Beurteilung der Instrumente des Royal Greenwich Observatory. Seine erste Arbeit, Factitious Airs, erschien 1766. Zu den weiteren Ausschüssen, denen er angehörte, gehörten der Ausschuss für Papiere, der die Papiere für die Veröffentlichung in den Philosophical Transactions of the Royal Society auswählte, sowie die Ausschüsse für den Venustransit (1769), für die Gravitationsanziehung von Bergen (1774) und für die wissenschaftlichen Anweisungen für die Expedition von Constantine Phipps (1773) auf der Suche nach dem Nordpol und der Nordwestpassage. 1773 trat Henry seinem Vater als gewählter Treuhänder des British Museum bei, dem er viel Zeit und Mühe widmete. Bald nach der Gründung der Royal Institution of Great Britain wurde Cavendish Geschäftsführer (1800) und engagierte sich vor allem im Labor, wo er die chemischen Experimente von Humphry Davy beobachtete und dabei half.

ChemieforschungBearbeiten

Cavendishs Apparat zur Herstellung und Sammlung von Wasserstoff

Um die Zeit des Todes seines Vaters, Cavendish begann, eng mit Charles Blagden zusammenzuarbeiten, eine Verbindung, die Blagden half, sich voll in die wissenschaftliche Gesellschaft Londons zu integrieren. Im Gegenzug half Blagden, die Welt von Cavendish auf Distanz zu halten. Cavendish veröffentlichte keine Bücher und nur wenige Arbeiten, aber er erreichte viel. Mehrere Forschungsbereiche, darunter Mechanik, Optik und Magnetismus, werden in seinen Manuskripten ausführlich behandelt, in seinen veröffentlichten Arbeiten jedoch kaum erwähnt. Cavendish gilt als einer der so genannten pneumatischen Chemiker des 18. und 19. Jahrhunderts, zusammen mit Joseph Priestley, Joseph Black und Daniel Rutherford. Cavendish fand heraus, dass durch die Einwirkung bestimmter Säuren auf bestimmte Metalle ein bestimmtes, eigentümliches und hochentzündliches Gas entsteht, das er als „entzündliche Luft“ bezeichnete. Bei diesem Gas handelte es sich um Wasserstoff, der, wie Cavendish richtig vermutete, in einem Verhältnis von zwei zu eins in Wasser vorkommt.

Obwohl andere, wie Robert Boyle, Wasserstoffgas schon früher hergestellt hatten, wird Cavendish gewöhnlich das Verdienst zugeschrieben, seine elementare Natur erkannt zu haben. 1777 entdeckte Cavendish, dass die von Säugetieren ausgeatmete Luft in „feste Luft“ (Kohlendioxid) umgewandelt wird und nicht in „phlogisierte Luft“, wie Joseph Priestley vorausgesagt hatte. Durch das Auflösen von Laugen in Säuren erzeugte Cavendish Kohlendioxid, das er zusammen mit anderen Gasen in Flaschen sammelte, die er über Wasser oder Quecksilber stülpte. Anschließend maß er ihre Löslichkeit in Wasser und ihr spezifisches Gewicht und stellte ihre Brennbarkeit fest. In seinem 1778 erschienenen Werk „General Considerations on Acids“ kam er zu dem Schluss, dass die Atemluft eine Säure darstellt. Cavendish wurde für diese Arbeit mit der Copley-Medaille der Royal Society ausgezeichnet. Die Gaschemie gewann in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts zunehmend an Bedeutung und wurde entscheidend für die Reform der Chemie durch den Franzosen Antoine-Laurent Lavoisier, die allgemein als chemische Revolution bekannt ist.

1783 veröffentlichte Cavendish eine Abhandlung über Eudiometrie (die Messung der Atmungsverträglichkeit von Gasen). Er beschrieb ein neues, von ihm erfundenes Eudiometer, mit dem er die bisher besten Ergebnisse erzielte, indem er die in anderen Händen befindliche ungenaue Methode der Messung von Gasen durch Wiegen verwendete. Nach der Wiederholung eines Experiments von Priestley aus dem Jahr 1781 veröffentlichte Cavendish eine Arbeit über die Herstellung von reinem Wasser durch Verbrennung von Wasserstoff in „dephlegierter Luft“ (Luft im Verbrennungsprozess, die heute als Sauerstoff bekannt ist) und kam zu dem Schluss, dass bei der Verbrennung von Wasserstoff kein Wasser synthetisiert wird, sondern Wasser aus der Luft kondensiert. Einige Physiker interpretierten den Wasserstoff als reines Phlogiston. Cavendish teilte Priestley seine Erkenntnisse spätestens im März 1783 mit, veröffentlichte sie aber erst im folgenden Jahr. Der schottische Erfinder James Watt veröffentlichte 1783 eine Arbeit über die Zusammensetzung von Wasser; es folgte eine Kontroverse darüber, wer die Entdeckung zuerst gemacht hatte.

Im Jahr 1785 untersuchte Cavendish die Zusammensetzung der gewöhnlichen (d.h. atmosphärischen) Luft und erhielt beeindruckend genaue Ergebnisse. Er führte Experimente durch, bei denen Wasserstoff und gewöhnliche Luft in bekannten Verhältnissen kombiniert wurden und dann mit einem elektrischen Funken explodierten. Darüber hinaus beschrieb er ein Experiment, bei dem es ihm gelang, in moderner Terminologie sowohl den Sauerstoff als auch den Stickstoff aus einer Probe atmosphärischer Luft zu entfernen, bis nur noch eine kleine Blase mit nicht reagiertem Gas in der ursprünglichen Probe übrig war. Anhand seiner Beobachtungen stellte Cavendish fest, dass, nachdem er die Mengen an phloginierter Luft (Stickstoff) und dephloginierter Luft (Sauerstoff) bestimmt hatte, ein Gasvolumen in Höhe von 1/120 des ursprünglichen Stickstoffvolumens zurückblieb.Durch sorgfältige Messungen kam er zu dem Schluss, dass „gewöhnliche Luft aus einem Teil dephloginierter Luft, gemischt mit vier Teilen phloginierter“ besteht.

In den 1890er Jahren (rund 100 Jahre später) erkannten zwei britische Physiker, William Ramsay und Lord Rayleigh, dass ihr neu entdecktes Edelgas Argon für Cavendishs problematischen Rückstand verantwortlich war; er hatte sich nicht geirrt. Er hatte strenge quantitative Experimente mit standardisierten Instrumenten und Methoden durchgeführt, die auf reproduzierbare Ergebnisse abzielten; er hatte den Mittelwert der Ergebnisse mehrerer Experimente gebildet und Fehlerquellen ermittelt und berücksichtigt. Die von ihm verwendete Waage, die von einem Handwerker namens Harrison hergestellt wurde, war die erste der Präzisionswaagen des 18. Jahrhunderts und so genau wie die von Lavoisier (deren Messgenauigkeit auf einen Teil von 400.000 geschätzt wurde). Cavendish arbeitete mit seinen Instrumentenbauern zusammen, wobei er im Allgemeinen eher bestehende Instrumente verbesserte, als völlig neue zu erfinden.

Cavendish verwendete, wie bereits erwähnt, die Sprache der alten Phlogistontheorie in der Chemie. 1787 war er einer der ersten außerhalb Frankreichs, der zur neuen antiphlogistischen Theorie von Lavoisier übertrat, obwohl er gegenüber der Nomenklatur der neuen Theorie skeptisch blieb. Er wandte sich auch dagegen, dass Lavoisier der Wärme eine materielle oder elementare Grundlage zuschrieb. Cavendish hatte sich in den 1760er Jahren im Rahmen des Newton’schen Mechanismus mit dem Problem der Natur der Wärme befasst und sie als Ergebnis der Bewegung der Materie erklärt.

1783 veröffentlichte er eine Arbeit über die Temperatur, bei der Quecksilber gefriert, und verwendete darin den Begriff der latenten Wärme, obwohl er diesen Begriff nicht verwendete, weil er glaubte, dass er die Annahme einer materiellen Theorie der Wärme implizierte. Er machte seine Einwände in seinem 1784 erschienenen Papier über Luft deutlich. Im Anschluss daran entwickelte er eine allgemeine Wärmetheorie, deren Manuskript überzeugend auf die späten 1780er Jahre datiert wurde. Seine Theorie war zugleich mathematisch und mechanisch: Sie enthielt den Grundsatz der Erhaltung der Wärme (später als Instanz der Erhaltung der Energie verstanden) und beinhaltete sogar das Konzept (wenn auch nicht die Bezeichnung) des mechanischen Äquivalents der Wärme.

Dichte der ErdeBearbeiten

Nach dem Tod seines Vaters kaufte Henry ein weiteres Haus in der Stadt und auch ein Haus in Clapham Common (erbaut von Thomas Cubitt), damals im Süden von London. Das Londoner Haus enthielt den Großteil seiner Bibliothek, während er die meisten seiner Instrumente in Clapham Common aufbewahrte, wo er auch die meisten seiner Experimente durchführte. Das berühmteste dieser Experimente, das 1798 veröffentlicht wurde, diente der Bestimmung der Dichte der Erde und wurde als Cavendish-Experiment bekannt. Das Gerät, das Cavendish zum Wiegen der Erde verwendete, war eine Abwandlung der Torsionswaage des Engländers und Geologen John Michell, der starb, bevor er mit dem Experiment beginnen konnte. Der Apparat wurde in Kisten an Cavendish geschickt, der das Experiment 1797-1798 abschloss und die Ergebnisse veröffentlichte.

Der Versuchsapparat bestand aus einer Torsionswaage mit einem Paar 1,61-Pfund-Bleikugeln, die am Arm einer Torsionswaage aufgehängt waren, und zwei viel größeren stationären Bleikugeln (350 Pfund). Cavendish beabsichtigte, die Anziehungskraft zwischen den beiden Kugeln zu messen. Er stellte fest, dass Michells Apparat empfindlich auf Temperaturunterschiede und induzierte Luftströmungen reagierte, und nahm daher Änderungen vor, indem er den Apparat in einem separaten Raum mit externen Steuerungen und Teleskopen für die Beobachtungen isolierte.

Mit dieser Ausrüstung berechnete Cavendish die Anziehungskraft zwischen den Kugeln aus der Schwingungsdauer der Torsionswaage und nutzte diesen Wert dann zur Berechnung der Dichte der Erde. Cavendish fand heraus, dass die durchschnittliche Dichte der Erde 5,48 Mal größer ist als die von Wasser. John Henry Poynting stellte später fest, dass die Daten zu einem Wert von 5,448 hätten führen müssen, und in der Tat ist dies der Durchschnittswert der neunundzwanzig Bestimmungen, die Cavendish in seine Arbeit aufnahm. Das Außergewöhnliche an Cavendishs Experiment war die Eliminierung jeder Fehlerquelle und jedes Faktors, der das Experiment stören könnte, sowie die Präzision bei der Messung einer erstaunlich geringen Anziehungskraft, nämlich nur 1/50.000.000 des Gewichts der Bleikugeln. Das Ergebnis, das Cavendish für die Dichte der Erde erhielt, liegt innerhalb von 1 Prozent der derzeit akzeptierten Zahl.

Cavendishs Arbeit führte andere zu genauen Werten für die Gravitationskonstante (G) und die Masse der Erde. Auf der Grundlage seiner Ergebnisse kann man einen Wert für G von 6,754 × 10-11N-m2/kg2 berechnen, der mit dem modernen Wert von 6,67428 × 10-11N-m2/kg2 vergleichbar ist.

In Büchern wird Cavendishs Arbeit oft als eine Messung von G oder der Erdmasse beschrieben. Da diese durch ein triviales Geflecht algebraischer Beziehungen mit der Erddichte in Beziehung stehen, ist keine dieser Quellen falsch, aber sie stimmen nicht mit der exakten Wortwahl von Cavendish überein, und auf diesen Fehler wurde von mehreren Autoren hingewiesen. Cavendishs erklärtes Ziel war es, die Dichte der Erde zu messen, obwohl sein Ergebnis offensichtlich G berechnet, um dies zu tun.

Das erste Mal, dass die Konstante diesen Namen erhielt, war 1873, fast 100 Jahre nach dem Cavendish-Experiment, aber die Konstante war seit der Zeit von Newton in Gebrauch. Cavendishs Ergebnisse geben auch die Masse der Erde an.

Elektrische ForschungEdit

Cavendishs elektrische und chemische Experimente, wie die über Wärme, hatten begonnen, während er mit seinem Vater in einem Labor in ihrem Londoner Haus lebte. Lord Charles Cavendish starb 1783 und hinterließ fast sein gesamtes, sehr umfangreiches Vermögen an Henry. Wie seine Wärmetheorie war auch Cavendishs umfassende Theorie der Elektrizität mathematisch aufgebaut und stützte sich auf präzise quantitative Experimente. Er veröffentlichte 1771 eine frühe Version seiner Theorie, die von einer sich ausdehnenden elektrischen Flüssigkeit ausging, die Druck ausübte. Er wies nach, dass, wenn die Intensität der elektrischen Kraft umgekehrt proportional zum Abstand ist, die elektrische Flüssigkeit, die mehr als die für die elektrische Neutralität benötigte Menge ist, auf der äußeren Oberfläche einer elektrifizierten Kugel liegen würde; anschließend bestätigte er dies experimentell. Cavendish arbeitete nach dieser ersten Arbeit weiter an der Elektrizität, aber er veröffentlichte nichts mehr zu diesem Thema.

Cavendish schrieb Abhandlungen über elektrische Themen für die Royal Society, aber der Großteil seiner elektrischen Experimente wurde erst bekannt, als sie ein Jahrhundert später, 1879, von James Clerk Maxwell gesammelt und veröffentlicht wurden, lange nachdem anderen Wissenschaftlern die gleichen Ergebnisse zugeschrieben worden waren. Cavendishs elektrische Arbeiten aus den Philosophical Transactions of the Royal Society of London wurden zusammen mit den meisten seiner elektrischen Manuskripte in The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S. (1921) nachgedruckt. Laut der Ausgabe 1911 der Encyclopædia Britannica gehörten zu Cavendishs Entdeckungen das Konzept des elektrischen Potentials (das er „Grad der Elektrifizierung“ nannte), eine frühe Einheit der Kapazität (die einer Kugel mit einem Zoll Durchmesser), die Formel für die Kapazität eines Plattenkondensators, das Konzept der Dielektrizitätskonstante eines Materials, die Beziehung zwischen elektrischem Potenzial und Strom (heute als Ohmsches Gesetz bezeichnet) (1781), Gesetze für die Aufteilung des Stroms in parallelen Schaltkreisen (heute Charles Wheatstone zugeschrieben) und das inverse Quadratgesetz der Veränderung der elektrischen Kraft mit dem Abstand, heute als Coulombsches Gesetz bezeichnet.

TodEdit

Cavendish starb am 24. Februar 1810 in Clapham (als einer der reichsten Männer Großbritanniens) und wurde zusammen mit vielen seiner Vorfahren in der Kirche begraben, die heute die Kathedrale von Derby ist. Die Straße, in der er in Derby lebte, wurde nach ihm benannt. Das Cavendish-Labor der Universität Cambridge wurde von einem späteren Verwandten Cavendishs, William Cavendish, 7. Herzog von Devonshire (Kanzler der Universität von 1861 bis 1891), gestiftet.