Henry Cavendish

Vroege levenEdit

Henry Cavendish werd op 10 oktober 1731 geboren in Nice, waar zijn familie op dat moment woonde. Zijn moeder was Lady Anne de Grey, vierde dochter van Henry Grey, eerste hertog van Kent, en zijn vader was Lord Charles Cavendish, de derde zoon van William Cavendish, tweede hertog van Devonshire. De familie gaat acht eeuwen terug tot de Normandische tijd, en was nauw verbonden met vele aristocratische families van Groot-Brittannië. Henry’s moeder stierf in 1733, drie maanden na de geboorte van haar tweede zoon, Frederick, en kort voor Henry’s tweede verjaardag, Lord Charles Cavendish achterlatend met de opvoeding van zijn twee zonen. Henry Cavendish werd aangeduid als “The Honourable Henry Cavendish”.

Vanaf zijn elfde jaar ging Henry naar Newcome’s School, een privé-school in de buurt van Londen. Op 18-jarige leeftijd (op 24 november 1748) ging hij naar de Universiteit van Cambridge in St Peter’s College, nu bekend als Peterhouse, maar verliet deze drie jaar later op 23 februari 1751 zonder een graad te hebben behaald (in die tijd een gangbare praktijk). Hij woonde vervolgens bij zijn vader in Londen, waar hij al snel zijn eigen laboratorium had.

Lord Charles Cavendish hield zich zijn leven lang eerst bezig met politiek en daarna steeds meer met wetenschap, vooral in de Royal Society of London. In 1758 nam hij Henry mee naar vergaderingen van de Royal Society en ook naar diners van de Royal Society Club. In 1760 werd Henry Cavendish tot lid van deze beide genootschappen gekozen, en hij was daarna zeer trouw in zijn aanwezigheid. Hij nam vrijwel geen deel aan de politiek, maar volgde zijn vader in de wetenschap, door zijn onderzoekingen en zijn deelname aan wetenschappelijke organisaties. Hij was actief in de Raad van de Royal Society of London (waarin hij in 1765 werd gekozen).

Zijn belangstelling voor en deskundigheid in het gebruik van wetenschappelijke instrumenten brachten hem ertoe aan het hoofd te staan van een commissie die de meteorologische instrumenten van de Royal Society moest beoordelen en die de instrumenten van het Royal Greenwich Observatory moest helpen beoordelen. Zijn eerste artikel, Factitious Airs, verscheen in 1766. Andere commissies waarin hij zitting had waren onder andere de commissie van papers, die de papers uitkoos voor publicatie in de Philosophical Transactions of the Royal Society, en de commissies voor de Venusovergang (1769), voor de aantrekkingskracht van bergen (1774), en voor de wetenschappelijke instructies voor de expeditie van Constantine Phipps (1773) op zoek naar de Noordpool en de Noordwestelijke Doorvaart. In 1773 werd Henry samen met zijn vader gekozen tot trustee van het British Museum, waaraan hij veel tijd en energie besteedde. Kort nadat het Royal Institution of Great Britain was opgericht, werd Cavendish manager (1800) en nam een actieve belangstelling aan, vooral in het laboratorium, waar hij Humphry Davy’s chemische experimenten observeerde en hielp.

Scheikundig onderzoekEdit

Cavendish’s apparaat voor het maken en verzamelen van waterstof

Omstreeks de tijd van de dood van zijn vader, begon Cavendish nauw samen te werken met Charles Blagden, een samenwerking die Blagden hielp volledig deel uit te maken van de Londense wetenschappelijke gemeenschap. In ruil hielp Blagden Blagden de wereld op een afstand van Cavendish. Cavendish publiceerde geen boeken en weinig artikelen, maar hij bereikte veel. Verschillende onderzoeksgebieden, waaronder mechanica, optica, en magnetisme, komen uitgebreid aan bod in zijn manuscripten, maar nauwelijks in zijn gepubliceerde werk. Cavendish wordt beschouwd als een van de zogenaamde pneumatische chemici van de achttiende en negentiende eeuw, samen met bijvoorbeeld Joseph Priestley, Joseph Black, en Daniel Rutherford. Cavendish ontdekte dat een bepaald, eigenaardig en zeer ontvlambaar gas, dat hij “ontvlambare lucht” noemde, werd geproduceerd door de inwerking van bepaalde zuren op bepaalde metalen. Dit gas was waterstof, waarvan Cavendish correct had geraden dat het in water een verhouding van twee op één had.

Hoewel anderen, zoals Robert Boyle, al eerder waterstofgas hadden bereid, krijgt Cavendish gewoonlijk de eer voor het erkennen van de elementaire aard ervan. In 1777 ontdekte Cavendish dat de lucht die door zoogdieren werd uitgeademd, werd omgezet in “vaste lucht” (kooldioxide), en niet in “flogo-lucht” zoals voorspeld door Joseph Priestley. Door alkaliën in zuren op te lossen, produceerde Cavendish kooldioxide, dat hij samen met andere gassen verzamelde in flessen die hij boven water of kwik hield. Hij mat vervolgens hun oplosbaarheid in water en hun soortelijk gewicht, en noteerde hun brandbaarheid. In zijn artikel “General Considerations on Acids” uit 1778 concludeerde hij dat inhaleerbare lucht een zuurgraad vormt. Cavendish ontving de Copley Medal van de Royal Society voor dit artikel. Gaschemie werd steeds belangrijker in de tweede helft van de 18e eeuw, en werd cruciaal voor de hervorming van de scheikunde door de Fransman Antoine-Laurent Lavoisier, algemeen bekend als de chemische revolutie.

In 1783 publiceerde Cavendish een artikel over eudiometrie (het meten van de geschiktheid van gassen om in te ademen). Hij beschreef een nieuwe eudiometer van zijn uitvinding, waarmee hij de beste resultaten tot nu toe behaalde, met behulp van wat in andere handen de onnauwkeurige methode was geweest om gassen te meten door ze te wegen. Na een herhaling van een experiment dat Priestley in 1781 had uitgevoerd, publiceerde Cavendish een artikel over de productie van zuiver water door waterstof te verbranden in “gedeflogiseerde lucht” (lucht in het verbrandingsproces, waarvan nu bekend is dat het zuurstof is). Cavendish concludeerde dat de verbranding van waterstof er niet toe leidde dat water uit de lucht werd gecondenseerd, maar dat het werd gesynthetiseerd. Sommige natuurkundigen interpreteerden waterstof als zuivere flogiston. Cavendish meldde zijn bevindingen uiterlijk in maart 1783 aan Priestley, maar publiceerde ze pas het jaar daarop. De Schotse uitvinder James Watt publiceerde in 1783 een artikel over de samenstelling van water; er ontstond controverse over wie de ontdekking het eerst had gedaan.

In 1785 onderzocht Cavendish de samenstelling van gewone (d.w.z. atmosferische) lucht, waarbij hij indrukwekkend nauwkeurige resultaten verkreeg. Hij voerde experimenten uit waarbij waterstof en gewone lucht in bekende verhoudingen werden gecombineerd en vervolgens met een vonk elektriciteit tot ontploffing werden gebracht. Verder beschreef hij een experiment waarbij hij in staat was om, in moderne terminologie, zowel de zuurstof als de stikstofgassen uit een monster van atmosferische lucht te verwijderen tot er slechts een kleine bel ongereageerd gas in het oorspronkelijke monster overbleef. Aan de hand van zijn waarnemingen stelde Cavendish vast dat, toen hij de hoeveelheden verfijnde lucht (stikstof) en verfijnde lucht (zuurstof) had bepaald, er een volume gas overbleef ter grootte van 1/120 van het oorspronkelijke volume stikstof. Door zorgvuldige metingen kwam hij tot de conclusie dat “gewone lucht bestaat uit één deel verfijnde lucht, vermengd met vier delen verfijnde lucht”.

In de jaren 1890 (ongeveer 100 jaar later) realiseerden twee Britse natuurkundigen, William Ramsay en Lord Rayleigh, zich dat hun pas ontdekte inerte gas, argon, verantwoordelijk was voor het problematische residu van Cavendish; hij had geen fout gemaakt. Wat hij had gedaan was het uitvoeren van strenge kwantitatieve experimenten, met behulp van gestandaardiseerde instrumenten en methoden, gericht op reproduceerbare resultaten; het nemen van het gemiddelde van het resultaat van verschillende experimenten; en het identificeren van en rekening houden met bronnen van fouten. De balans die hij gebruikte, gemaakt door een ambachtsman genaamd Harrison, was de eerste van de precisiebalansen van de 18e eeuw, en even nauwkeurig als die van Lavoisier (waarvan geschat wordt dat hij één deel op 400.000 meet). Cavendish werkte samen met zijn instrumentmakers, waarbij hij over het algemeen bestaande instrumenten verbeterde in plaats van geheel nieuwe uit te vinden.

Cavendish gebruikte, zoals hierboven aangegeven, de taal van de oude phlogiston theorie in de scheikunde. In 1787 werd hij een van de eersten buiten Frankrijk die zich bekeerde tot de nieuwe antiflogonistische theorie van Lavoisier, hoewel hij sceptisch bleef over de nomenclatuur van de nieuwe theorie. Hij bleef echter sceptisch over de nomenclatuur van de nieuwe theorie. Hij had ook bezwaar tegen Lavoisiers identificatie van warmte als een materiële of elementaire basis. Werkend binnen het kader van het Newtoniaanse mechanisme had Cavendish in de jaren 1760 het probleem van de aard van warmte aangepakt, waarbij hij warmte verklaarde als het resultaat van de beweging van materie.

In 1783 publiceerde hij een artikel over de temperatuur waarbij kwik bevriest en in dat artikel maakte hij gebruik van het idee van latente warmte, hoewel hij de term niet gebruikte omdat hij van mening was dat het de aanvaarding van een materiële theorie van warmte impliceerde. Hij maakte zijn bezwaren expliciet in zijn artikel over lucht uit 1784. Vervolgens ontwikkelde hij een algemene theorie van warmte, en het manuscript van die theorie is overtuigend gedateerd in de late jaren 1780. Zijn theorie was zowel wiskundig als mechanisch: zij bevatte het principe van behoud van warmte (later opgevat als behoud van energie) en bevatte zelfs het concept (maar niet het label) van het mechanische equivalent van warmte.

Dichtheid van de aardeEdit

Na de dood van zijn vader kocht Henry een ander huis in de stad en ook een huis in Clapham Common (gebouwd door Thomas Cubitt), in die tijd ten zuiden van Londen. Het Londense huis bevatte het grootste deel van zijn bibliotheek, terwijl hij de meeste van zijn instrumenten in Clapham Common bewaarde, waar hij ook de meeste van zijn experimenten uitvoerde. Het beroemdste van die experimenten, gepubliceerd in 1798, had tot doel de dichtheid van de aarde te bepalen en werd bekend als het Cavendish-experiment. Het apparaat dat Cavendish gebruikte om de aarde te wegen was een modificatie van de torsiebalans die was gebouwd door de Engelsman en geoloog John Michell, die stierf voordat hij met het experiment kon beginnen. Het apparaat werd in kratten naar Cavendish gestuurd, die het experiment in 1797-1798 voltooide en de resultaten publiceerde.

Het experimentele apparaat bestond uit een torsiebalans met een paar loden bollen van 2 inch en 1,61 pond, die aan de arm van een torsiebalans hingen en twee veel grotere stationaire loden bollen (350 pond). Cavendish was van plan de aantrekkingskracht van de zwaartekracht tussen deze twee te meten. Hij merkte dat Michell’s apparaat gevoelig zou zijn voor temperatuurverschillen en geïnduceerde luchtstromen, dus bracht hij wijzigingen aan door het apparaat in een aparte kamer te isoleren met externe regelaars en telescopen voor het doen van waarnemingen.

Met behulp van deze apparatuur berekende Cavendish de aantrekkingskracht tussen de ballen uit de trillingsperiode van de torsiebalans, en vervolgens gebruikte hij deze waarde om de dichtheid van de Aarde te berekenen. Cavendish ontdekte dat de gemiddelde dichtheid van de aarde 5,48 maal groter is dan die van water. John Henry Poynting merkte later op dat de gegevens tot een waarde van 5,448 hadden moeten leiden, en dat is inderdaad de gemiddelde waarde van de negenentwintig bepalingen die Cavendish in zijn artikel opnam. Het buitengewone aan het experiment van Cavendish was de eliminatie van elke foutenbron en elke factor die het experiment zou kunnen verstoren, en de precisie waarmee een verbazingwekkend kleine aantrekkingskracht werd gemeten, slechts 1/50.000.000 van het gewicht van de loden kogels. Het resultaat dat Cavendish verkreeg voor de dichtheid van de Aarde ligt binnen 1 procent van het thans aanvaarde cijfer.

Cavendish’s werk leidde anderen tot nauwkeurige waarden voor de gravitatieconstante (G) en de massa van de Aarde. Op grond van zijn resultaten kan men een waarde voor G berekenen van 6,754 × 10-11N-m2/kg2, die gunstig afsteekt bij de moderne waarde van 6,67428 × 10-11N-m2/kg2.

In boeken wordt het werk van Cavendish vaak beschreven als een meting van ofwel G ofwel de massa van de aarde. Aangezien deze in verband staan met de dichtheid van de aarde door een triviaal web van algebraïsche relaties, is geen van deze bronnen fout, maar zij komen niet overeen met de exacte woordkeus van Cavendish, en op deze fout is door verschillende auteurs gewezen. Cavendish’s verklaarde doel was het meten van de dichtheid van de Aarde, hoewel zijn resultaat duidelijk G berekent om dat te doen.

De eerste keer dat de constante deze naam kreeg was in 1873, bijna 100 jaar na het experiment van Cavendish, maar de constante was al in gebruik sinds de tijd van Newton. De resultaten van Cavendish geven ook de massa van de aarde aan.

Elektrisch onderzoekEdit

De elektrische en chemische experimenten van Cavendish, zoals die op het gebied van warmte, waren begonnen toen hij met zijn vader in een laboratorium in hun Londense huis woonde. Lord Charles Cavendish overleed in 1783 en liet bijna zijn gehele, zeer aanzienlijke vermogen na aan Henry. Net als zijn theorie over warmte, was Cavendish’s uitgebreide theorie over elektriciteit wiskundig van vorm en gebaseerd op nauwkeurige kwantitatieve experimenten. Hij publiceerde een vroege versie van zijn theorie in 1771, gebaseerd op een expansieve elektrische vloeistof die druk uitoefende. Hij toonde aan dat als de intensiteit van de elektrische kracht omgekeerd evenredig was met de afstand, de elektrische vloeistof meer dan nodig voor elektrische neutraliteit aan het buitenoppervlak van een geëlektriseerde bol zou liggen; vervolgens bevestigde hij dit experimenteel. Cavendish bleef werken aan elektriciteit na dit eerste artikel, maar hij publiceerde niets meer over het onderwerp.

Cavendish schreef artikelen over elektrische onderwerpen voor de Royal Society, maar het grootste deel van zijn elektrische experimenten werd pas bekend toen ze werden verzameld en gepubliceerd door James Clerk Maxwell een eeuw later, in 1879, lang nadat andere wetenschappers waren gecrediteerd met dezelfde resultaten. Cavendish’s elektrische verhandelingen uit de Philosophical Transactions of the Royal Society of London zijn, samen met de meeste van zijn elektrische manuscripten, herdrukt in The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S. (1921). Volgens de uitgave van 1911 van de Encyclopædia Britannica waren de ontdekkingen van Cavendish onder meer het begrip elektrische potentiaal (dat hij de “mate van elektrisering” noemde), een vroege eenheid van capaciteit (die van een bol met een diameter van 1 inch), de formule voor de capaciteit van een plaatcondensator, het concept van de diëlektrische constante van een materiaal, het verband tussen elektrische potentiaal en stroom (nu de Wet van Ohm genoemd) (1781), wetten voor de verdeling van stroom in parallelle circuits (nu toegeschreven aan Charles Wheatstone), en de omgekeerd kwadratische wet van de variatie van de elektrische kracht met de afstand, nu de Wet van Coulomb genoemd.

OverlijdenEdit

Cavendish stierf op 24 februari 1810 in Clapham (als een van de rijkste mannen van Groot-Brittannië) en werd, samen met veel van zijn voorouders, begraven in de kerk die nu Derby Cathedral is. De weg waaraan hij in Derby woonde, is naar hem genoemd. Het Cavendish Laboratorium van de Universiteit van Cambridge werd begiftigd door een van Cavendish’s latere familieleden, William Cavendish, 7de Hertog van Devonshire (kanselier van de Universiteit van 1861 tot 1891).