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欧文·朗缪尔

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欧文·朗缪尔1932年诺贝尔化学奖得主
Irving Langmuir
Irving Langmuir.jpg
出生 (1881-01-31)1881年1月31日[1]
 美国纽约州布鲁克林
逝世 1957年8月16日(1957-08-16)(76岁)
 美国麻塞诸塞州伍德霍尔英语Woods Hole, Massachusetts
国籍 美国
母校 哥伦比亚大学
哥廷根大学
知名于 高真空管
奖项
科学生涯
研究领域 化学物理学
博士导师 弗雷德里希·多列札列克德语Friedrich Dolezalek (Chemiker)
其他指导者 瓦尔特·能斯特

欧文·朗缪尔(英语:Irving Langmuir,1881年1月31日-1957年8月16日),美国化学家物理学家。他最知名的出版物是1919年发表的文章"电子在原子与分子中的排列"("The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules" ),该文建构在吉尔伯特·路易斯立方原子模型英语Cubical atom华尔特·科塞尔英语Walther Kossel的化学键结理论之上,描绘他的"原子结构同心理论"(concentric theory of atomic structure)。[2]朗缪尔因这篇文章被卷入和路易斯对该理论的先后争议,不过后世认为朗缪尔优秀的演说技巧是该理论能普及的原因,而理论的内容主要由路易斯所贡献。[3]朗缪尔1909年至1950年在通用电器工作,发明了氢气焊接、在灯炮充入气体的技术,因在表面化学的贡献而获得1932年诺贝尔化学奖。为表彰朗缪尔的贡献,位于索柯洛英语Socorro, New Mexico大气实验室美国化学学会表面科学期刊皆以其名命名。

生平

早年

朗缪尔1881年出生于纽约,是家中四子中的第三子。他父母常常鼓励他观察大自然,并细心纪录他的观察。11岁时,发现视力不正常。[4]后来矫正过后,他又观察到许多以往观察不到的事。这令他对自然科学的兴趣又增加不少。[5]

他的哥哥亚瑟·朗缪尔(Arthur Langmuir)亦是化学家,对其科学兴趣有不少影响。亚瑟帮助欧文在卧室的一角建造欧文的第一座实验室,并回答欧文提出的许多问题。欧文·朗缪尔平时喜好登山运动滑雪、驾驶自有的飞机飞行以及经典音乐。他除了对原子能有专业方面的兴趣外,还很关心荒野环境保护。

教育

朗缪尔在(1892-1895)年间于美国与巴黎等地的学校完成他早年的教育。1898年朗缪尔自栗树山高中英语Chestnut Hill Academy毕业,该校位于费城栗树山英语Chestnut Hill, Philadelphia地区,是一所菁英私立学校。1903年他从哥伦比亚矿冶大学(全美第一所矿冶学校,创立于1864年,今哥伦比亚大学傅氏基金工程和应用科学学院的前身)取得冶金工程理学士学位。后赴哥廷根,在化学家弗雷德里希·多列札列克德语Friedrich Dolezalek (Chemiker)的指导下以能斯特发光体进行研究,并在1906年拿到博士学位。[6]他的博士论文标题是"解离气体在冷却过程中的部分复合"(On the Partial Recombination of Dissolved Gases During Cooling.)。取得博士学位后,朗缪尔进行了化学领域的博士后研究。学成归国后,朗缪尔在霍博肯史蒂文斯理工学院任教,1909年后在斯克内克塔迪通用电器的研究实验室工作。

研究

1922年通用电器朗缪尔的实验室,朗缪尔(图中)正向无线电研究先驱古列尔莫·马可尼(图右)介绍一款新式的20 kW三极真空管
朗缪尔和他的同事威利斯·罗德尼·惠特尼英语Willis Rodney Whitney
通用电器出产的高真空管

朗缪尔初出茅庐后对学术的贡献在于延续他的博士研究,也就是灯泡。朗缪尔取得的第一项主要进展是改良了扩散泵英语Diffusion pump,这项发展导致后来的高真空整流器与放大器真空管得以问世。一年后,朗缪尔和他的同事勒维·通克斯发现在灯泡中填充不活性气体可以大幅提升灯丝的寿命,且关键在于灯泡制程中的各阶段都必须保持极高的洁净程度。朗缪尔还发现将灯丝弯绕成紧密的线圈可以增加其的效率。这些都是白炽灯灯泡发展史上的重要进展。朗缪尔从灯泡的事业中,衍生出对表面化学的研究,他发现将氢分子通入内置钨丝灯丝的灯泡后,氢分子会被分解为氢原子,然后附着在灯泡内面,形成一层只有原子厚度的表面。[7]

朗缪尔在真空管研究方面的助理是电机工程师威廉·康明斯·怀特,怀特是朗缪尔的远亲。[8]

朗缪尔持续地进行灯丝在真空与不同气体氛围下的相关研究,开始注意到热灯丝发出的带电粒子,于是研究了热离子发射。朗缪尔是早期研究等离子体的先驱,"等离子体"(plasma)一词更是由他在1928年首先提出[9],因为这些离子化的气体让他想起血浆(blood plasma)。朗缪尔和同僚通克斯发现等离子体中的等离子体震荡现象,震荡中的电子密度波后来被称为朗缪尔波

对于等离子体科学,朗缪尔引入了电子温度的概念,并于1924年发明了以静电探杆量测温度和密度的分析方法,今称此法所用之器具为朗缪尔探针英语Langmuir probe,朗缪尔探针后来被广泛地运用在等离子体物理的研究中,尤其低温等离子体物理更是注重这项器具。朗缪尔探针量测等离子体温度和等离子体密度的原理粗略为,将探针插入欲量测之等离子体局部区域,并将探针通以正负高低不同之偏压,量得不同偏压下所对应之电流,再以繁复的公式将这些电流资料换算成等离子体温度与等离子体密度,有时为简化计算,惯插两支朗缪尔探针来求取等离子体温度。朗缪尔透过他对等离子体的了解,还顺势发明了氢气焊接,氢气焊接利用对钨电极通电产生电弧,电弧稳定而有效地将氢分子分解成氢原子,再利用氢原子复合成氢分子放出的热量产生高达3400℃以上的高温,这种高温很适合用来处理多数的难熔金属。这是最早的等离子体焊接技术,比1957年罗伯特·盖吉(Robert M. Gage)注册专利的等离子体弧焊技术英语Plasma arc welding还要早。等离子体焊接技术经过无数岁月后,逐渐发展成后来的钨极气体保护电弧焊

1917年朗缪尔发表了一篇油膜化学的论文[10],为后来获得1932年诺贝尔化学奖奠下了基础。他的理论认为,油的结构有脂族链和末端的亲水官能基(通常是羟基羧基),因此油会倾向在水面上形成只有一个分子厚度的膜,油的亲水基会朝下没入水中,而疏水的脂族链则会纠缠在水面上。膜的厚度可以从油的体积及其展开面积算得,因此即便相关的光谱学技术尚未问世,也能窥探油类物质的分子组态。[11]

中晚年

一战后,朗缪尔在原子论上工作,定义了当今的同位素化合价这些概念。

1923年朗缪尔任无线电工程师组织英语Institute of Radio Engineers(今电机电子工程师学会的前身)主席。[12]

物理学家约翰·泰勒(John B. Taylor)基于朗缪尔在通用电器期间的研究成果开发出一种能使碱金属粒子束产生游离的侦测器。[13]这种侦测器后来被称为朗缪尔-泰勒侦测器英语Langmuir–Taylor detector

朗缪尔加入了凯瑟琳·布洛洁特英语Katharine Burr Blodgett的研究行列,两人一起研究薄膜和表面吸附现象。他们引进了“单分子层英语monolayer”(monolayer,只有一个分子厚度的材料层)的概念与二维物理理论来描述发生在固体与气体交接表面上的各种现象。1932年朗缪尔荣获诺贝尔化学奖,理由是"他在表面化学领域所做的探查与发现"(for his discoveries and investigations in surface chemistry.)。1938年,朗缪尔的科学兴趣开始转向大气科学天气学。他开始挑战一些与他本业略为扯不上边的领域,例如他反驳了昆虫学家查尔斯·亨利·泰勒·汤森德英语Charles Henry Tyler Townsend宣称鹿肤蝇英语Deer botfly时速超过800哩的说法。朗缪尔估计鹿肤蝇真正的飞行速率应该是在时速25哩左右。

在观察了马尾藻海漂浮海草形成的风积丘英语windrow后,朗缪尔发现了一种海洋的风驱表面循环,称之为朗缪尔循环英语Langmuir circulation

二战期间他研制军事用具,先是接下了改良声纳的工作强化盟军探测潜艇的能力,后来又开发了掩护用的烟幕以及将战机翼上的冰溶掉的除冰方法。在研究除冰的过程中,他建构出人工降雨的理论,认为在潮湿且低温的云体中加入干冰化合物可以提供凝结核而产生降雨。不过,虽然人工降雨技术已行之有年,尤其澳洲和中国等地更是经验丰富,人工降雨技术的效果至今仍存有争议。

1953年朗缪尔创造了"病科学英语pathological science"一词,描述研究虽然遵照科学方法进行,但研究结果却被无心偏差与主观效应等因素所污染。病科学与伪科学的不同之处在于,伪科学根本就没有按照科学方法进行。在朗缪尔的原始演讲中,将超感官知觉飞行圆盘英语Flying saucer举为病科学的例子。自此以后,大众也逐渐习惯将聚合水冷核聚变等项目贴上病科学的标签。

1976年位于斯克内克塔迪的欧文·朗缪尔宅邸英语Irving Langmuir House被指定为美国国家历史名胜

个人生活

朗缪尔与妻子玛里昂·梅瑟侯(Marion Mersereau,1883-1971)于1912年结婚,并育有两个领养而来的子女肯尼斯(Kenneth)与芭芭拉(Barbara)。在经历一场短暂的疾病后,朗缪尔于1957年8月16日死于伍德霍尔英语Woods Hole, Massachusetts侄子的避暑别墅英语Summer house,死因为心脏病发作,讣闻登载于纽约时报首页。[14]

朗缪尔信仰不可知论。[15]

小说

根据作家寇特·冯内果表示,朗缪尔是他的小说猫之摇篮英语Cat's Cradle中虚构角色宏尼克博士(Dr. Felix Hoenikker)的灵感原型。[16]该角色在故事中发明虚构材料九号冰英语Ice-nine最终摧毁了世界。朗缪尔曾和寇特·冯内果的哥哥柏纳德·冯内果英语Bernard Vonnegut是一同工作的同事。[17]

荣誉与奖项

专利

参见

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 Taylor, H. Irving Langmuir 1881-1957. 皇家学会院士传记回忆录英语Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. 1958, 4: 167. doi:10.1098/rsbm.1958.0015. 
  2. ^ Langmuir, Irving. The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules. Journal of the American Chemical Society. June 1919, 41 (6): 868–934. doi:10.1021/ja02227a002. 
  3. ^ Coffey, Patrick. Cathedrals of Science: The Personalities and Rivalries That Made Modern Chemistry. Oxford University Press. 2008: 134–146. ISBN 978-0-19-532134-0. 
  4. ^ Suits, C. Guy. (编), Langmuir - The man and the scientist. Collected Works of Irving Langmuir 12, Pergamon Press, 1962, ASIN B0007EIFMO  ASIN states author is Albert Rosenfeld; does not name an editor or state a volume.
  5. ^ Anil K. Rajvanshi, Irving Langmuir - A Pioneering Industrial Physical Chemist (PDF), Resonance, July 2008, 13 (7): 619–626, doi:10.1007/s12045-008-0068-z 
  6. ^ Irving Langmuir - Chemistry Tree
  7. ^ Coffey 2008,第64–70页
  8. ^ Anderson, J. M. Irving Langmuir and the origins of electronics. IEEE Power Engineering Review. 2002, 22 (3): 38. doi:10.1109/MPER.2002.989191. 
  9. ^ Langmuir, I., 1928, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 14, 627. NASA ADS DOI:10.1073/pnas.14.8.627
  10. ^ Langmuir, Irving. The Constitution and Fundamental Properties of Solids and Liquids: II. Liquids. Journal of the American Chemical Society. September 1917, 39 (9): 1848–1906. doi:10.1021/ja02254a006. 
  11. ^ Coffey 2008,第128–131页
  12. ^ Irving Langmuir. IEEE Global History Network. IEEE. [9 August 2011]. 
  13. ^ Taylor, John. The Reflection of Beams of the Alkali Metals from Crystals. Physical Review. 1930, 35 (4): 375–380. Bibcode:1930PhRv...35..375T. doi:10.1103/PhysRev.35.375. 
  14. ^ Staff writers. Dr. Irving Langmuir Dies at 76; Winner of Nobel Chemistry Prize. The New York Times. 17 August 1957 [20 October 2008]. 
  15. ^ Albert Rosenfeld. The Quintessence of Irving Langmuir. Pergamon Press. 1961: 150. Though Marion herself was not an assiduous churchgoer and had no serious objection to Irving's agnostic views, her grandfather had been an Episcopalian clergyman. 
  16. ^ Musil, Robert K. There Must Be More to Love Than Death: A Conversation With Kurt Vonnegut. The Nation. 2 August 1980, 231 (4): 128–132. ISSN 0027-8378. 
  17. ^ Bernard Vonnegut, 82, Physicist Who Coaxed Rain From the Sky, NY Times, 27 April 1997.
  18. ^ Book of Members, 1780-2010: Chapter L (PDF). American Academy of Arts and Sciences. [14 April 2011]. 
  19. ^ John J. Carty Award for the Advancement of Science. National Academy of Sciences. [25 February 2011]. (原始内容存档于29 December 2010).