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第6章 能斯脱

能斯脱是一位伟大的科学家,他于1896年6月7日出生在马萨诸塞州纽伯里波特,1986年10月3日卒于阿灵顿。

能斯脱的一生是丰富多彩的,他于1917年获麻省理工学院学士学位,1921年获芝加哥大学物理化学博士学位,1921~1925年,在全国研究理事会任职,1926~1928年执教于纽约大学,后回芝加哥大学,历任物理学教授、物理化学教授,1936年当选为美国科学院院士,1961年退休。

能斯脱是一个品格高尚的科学家,他不仅在科学领域取得了卓越的成就,在培养人才方面也做出了伟大的贡献。他在莱比锡大学设立贫苦学生奖学金,经常和研究生们共度周末,并以严谨的学术作风影响这些年轻人。他曾以拒绝讲学等方式抗议希特勒的法西斯暴政,并斥责“希特勒一伙是摧毁人类文明的暴徒”。在他逝世之后,人们纷纷纪念他,并把他的骨灰移葬到格丁根大学,使这位该校第一任物理化学教授安息在校园内。

能斯脱在科学上也取得了巨大的成就:

他发现热力学第三定律,即“绝对零度不能达到”,并应用这个定律解决了许多工业生产上的实际问题,如炼铁炉设计、金刚石人工制造和合成氨生产以及直接计算平衡常数等。

他用量子论研究低温下固体比热。

他用实验证明,在绝对零度下理想固体的比热也是零。

能斯脱与老师奥斯特瓦尔德共同研究溶液的沉淀和其平衡关系,提出溶度积等重要概念用以解释沉淀平衡等。同时,他还独立地研究金属和溶液界面的性质,导出能斯脱方程,开创用电化学方法来测定热力学函数值。

提出光化学反应链式理论——光引发后以一个键一个键传递下去,直至链结束为止,并用它解释氯气和氢气在光催化下的合成氯化氢反应。

发明新的白热灯代替旧的碳精灯,即能使光能和热能集中于一点的能斯脱灯。

能斯脱一生著作有14部,有关热力学、电化学、光化学等方面的论文157篇,代表作是《物理化学》,一生获得包括1920年诺贝尔化学奖在内的10多项奖赏。

亥姆霍兹是德国物理学家、生理学家。1821年8月31日生于柏林波茨坦,1894年9月8日卒于柏林附近夏洛滕堡。中学毕业后在军队服役8年,取得公费后进入柏林的皇家医科学院学习。1842年获医学博士学位后,被任命为波茨坦驻军军医。1847年他在德国物理学会发表了关于力的守恒讲演,在科学界赢得很大声望。1848年他担任了柯尼斯堡大学生理学副教授。

亥姆霍兹在一次讲演中第一次以数学方式提出能量守恒定律。主要论点是:一切科学都可以归结到力学。强调了牛顿力学和拉格朗日力学在数学上是等价的,因而可以用拉氏方法以力所传递的能量或它所做的功来量度力。

亥姆霍兹发展了迈尔、焦耳等人的工作,讨论了已知的力学的、热学的、电学的、化学的各种科学成果,严谨地论证了各种运动中能量守恒定律。这次讲演内容后来写成专著《力的守恒》出版。

在柯尼斯堡工作期间,亥姆霍兹测量了神经刺激的传播速度,发表了生理力学和生理光学方面的研究成果。在1851年,他发明了眼科使用的检眼镜,并提出了这一仪器的数学理论。1855年他转到波恩大学任解剖学和生理学教授,出版了《生理学手册》第一卷,并开始流体力学的涡流研究。1857年起,他担任海德堡大学生海德堡理学教授,利用共鸣器分离并加强声音的谐音。1863年出版了他的巨著《音调的生理基础》。1868年亥姆霍兹将研究方向转向物理学,于1871年任柏林大学物理学教授,这期间,他研究了电磁作用理论。由于他进行了一系列讲演,麦克斯韦的电磁理论才引起欧洲物理学家的注意,并导致他的学生赫兹在电磁波的研究中取得巨大成就。他还研究过化学过程中的热力学,发表了论文《化学过程的热力学》,并从克劳修斯的方程中导出了早于吉布斯提出的方程,亥姆霍兹导出的方程后来被称为吉布斯—亥姆霍兹方程。

亥姆霍兹不仅对医学、生理学和物理学有重大贡献,而且一直致力于哲学认识论。他确信:世界是物质的,而物质必定守恒。但他企图把一切归结为力,是机械唯物论者,这是当时文化、社会、历史条件的局限性所致。1887年,亥姆霍兹任国家科学技术局主席。

美国物理家、化学家吉布斯,1839年2月11日生于康涅狄格州的纽黑文,他的父亲是耶鲁学院教授。吉布斯于1854~1858年在耶鲁学院学习,学习期间,因拉丁语和数学成绩优异曾数次获奖。1863年获耶鲁学院哲学博士学位,留校任助教。1866~1868年在法、德两国听了不少著名学者的演讲。1869年回国后继续任教。1870年任耶鲁学院的数学物理教授,曾获得伦敦皇家学会的科普勒奖章。1903年4月28日在纽黑文逝世。

吉布斯在1873~1878年发表的3篇论文中,以严密的数学形式和严谨的逻辑推理导出了数百个公式,特别是引进热力学问题,并在此基础上建立了关于物相变化的相律,为化学热力学的发展做出了卓越的贡献。1902年,他把玻尔兹曼和麦克斯韦所创立的统计理论推广和发展成为系统理论,从而创立了近代物理学的统计理论及其研究方法。吉布斯还发表了许多有关矢量分析的论文和著作,奠定了这个数学分支的基础。此外,他在天文学、光的电磁理论、傅里叶级数等方面也有一些著述。主要著作有:《图解方法在流体热力学中的应用》、《论多相物质的平衡》、《统计力学的基本原理》等。

吉布斯从来都不轻视自己的工作,他认为自己的工作是非常重要的,但从不因为这个重要性炫耀自己的工作。他的心灵宁静而恬淡,从不烦躁和恼怒,是笃志于事业而不乞求同时代人承认的罕见伟人。他毫无疑问可以获得诺贝尔奖,但他在世时从未被提名。直到他逝世47年后,才被选入纽约大学的美国名人馆,并立半身像。

能斯脱是德国卓越的物理学家、物理化学家和化学史家,他主要从事电化学、热力学和光化学方面的研究。1887~1906年在电化学和热动力学方面做出了卓越贡献,提出热力学第三定律,并于1920年获诺贝尔奖。热力学第三定律在高炉建造与炼铁等生产实践中有广泛的应用价值。1889年他提出了伽伐尼电池理论,证明伽伐尼电池电动势可用电极的“溶解压力”来解释。他推导出电极电势与溶液浓度的关系式,从此热力学数据便可用电化学的方法来测定。

1906年,能斯脱提出了热力学第三定律,断言绝对零度不可能达到。证明热定理可以用于从热化学数据直接计算范托夫方程中的平衡常数K。能斯脱早年在阿累尼乌斯的影响下引入溶解压概念建立了电池理论,又根据溶度积概念和热定理使平衡条件精密化,后来,他又吸收了量子论成果,为验证热定理而测定了低温固体的比热,引入了“链锁过程”的概念以解释光化学反应机制。能斯脱动手能力很强,先后发明了固体电解质电灯和电子回路钢琴。

人类进入20世纪40年代以后,电化学暂态技术的应用和发展、电化学方法与光学和表面技术的应用使人们可以研究快速和复杂的电极反应,可提供电极界面上分子的信息。电化学一直是物理化学中比较活跃的分支学科,它的发展与固体物理、催化、生命科学等学科的发展相互促进、相互渗透。

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