Hortend en stotend kwik op glas ontlaadt zich en geeft licht

In de natuurkunde kijk je met instrumenten. Die zien wat het blote oog ontgaat: de samenstellende kleuren van een halogeenlamp, de structuur van een kristal en ga zo maar door. Met het voortschrijden van de techniek raken die instrumenten steeds verfijnder. Daarom kan het gebeuren dat pas nu stokoude waarnemingen in groter detail worden ontrafeld en zo alsnog worden thuisgebracht.

In 1700, op een bijeenkomst van de Franse Academie van Wetenschappen, rapporteerde Jakob Bernoulli een vreemdsoortig verschijnsel: roterend kwik in een vacuüm getrokken erlenmeijer gaf licht. Dit 'barometer licht', zoals de Zwitserse onderzoeker het noemde, was dertig jaar eerder door Picard ontdekt maar een afdoende verklaring ontbrak.

Bijna drie eeuwen later is dit gemis goedgemaakt door een groep fysici van de Universiteit van Californië in Los Angeles (Nature, 15 januari). Het blijkt dat het kwik op microschaal hortend en stotend over het glas schuift, waarbij statische elektriciteit wordt opgewekt die zich in zeer korte lichtflitsjes ontlaadt. De tijdsduur tussen de lichtflitsen is afhankelijk van de kracht van de ontladingen, net als bij aardbevingen.

De opstelling van de Amerikaanse groep, geleid door Seth Putterman, bestond uit een horizontale holle cilinder van Supracil met een lengte van 5 cm, een buitendiameter van 2 cm en een wanddikte van 1 mm. De cilinder is gevuld met 1,5 ml kwik (ongeveer 10 procent van het volume) met daarboven neongas onder een druk van 340 torr (normaal bedraagt de luchtdruk circa 100.000 torr). Wanneer de cilinder met een snelheid van 1 cm per seconde geroteerd wordt, ontstaat langs de lijn waar het kwik het glas 'loslaat' oranje licht. Hoewel het uitgestraalde vermogen per cm slechts 20 nanowatt bedraagt (een nanowatt is een miljardste watt) is het licht bij halfduister met het blote oog goed waarneembaar.

Om het verschijnsel nader te bestuderen gebruikten de onderzoekers een fotomultiplicatorbuis om het licht te analyseren, een videocamera om de contactlijn tussen glas en kwik in de tijd te volgen en een coaxkabel om de elektrische ontlaadspanning te meten. Daarbij zagen ze dat tussen de ontladingen door het kwik met constante snelheid 'achter het glas aan' beweegt, over een afstand van 0,25 mm. Na iedere ontlading valt het in 0,1 milliseconde terug, wat aan de verstrooiing van een op de contactlijn gerichte laserbundel is te zien.

Wat er gebeurt is het volgende. Zodra het glas met kwik (een metaal) in contact komt, springen er elektronen uit de vloeistof naar het glas. Wanneer als gevolg van de rotatie dat glas droogvalt, blijft die statische elektriciteit, ongeveer een miljoen elektronen per mm, zitten. Op het kwik oefent hij via influentie een aantrekkingskracht uit, groot genoeg om de vloeistof mee te slepen. Totdat een plotselinge ontlading daar een eind aan maakt en het kwik terugzakt.

Voorwaarde is wel dat het kwik schoon is. Wanneer de met kwik gevulde cilinder een aantal dagen aan de lucht wordt blootgesteld, verdwijnt het effect - wat de acceptatie van Bernoulli's waarneming indertijd sterk hinderde. Dat de onderzoekers het barometer licht met sonoluminescentie vergelijken (de omzetting van geluid in licht) is geen wonder: Putterman is autoriteit op dat gebied.