Ирвинг Ленгмюр

(1881–1957)

«В течение своей долгой карьеры Ленгмюр никогда не брался специально за исследования, преследуя прямую практическую цель, – пишет М. Уилсон. – Все эти полезные результаты были просто побочными продуктами изучения основных загадок природы. Ленгмюра часто спрашивали, почему он начал то или другое исследование, и он неизменно отвечал: «Наверное, потому что я очень любопытен». Когда же его спрашивали, почему он продолжал работать в этом направлении, он отвечал: «Меня это забавляет»».

Ирвинг Ленгмюр родился 31 января 1881 года в Бруклине (Нью‑Йорк). Он был третьим ребенком в семье Чарлза и Сэйди (Каминг) Ленгмюр. Отец его, шотландец по происхождению, работал страховым агентом.

Мальчик подрос и его поместили в одну из местных начальных школ. Когда Ирвингу исполнилось одиннадцать лет, семья переехала в Париж, где он обучался в небольшом пансионе на окраине французской столицы.

Мальчик отличался способностями и с огромной энергией отдавался любому интересующему его делу. Если он не теребил своего обожаемого старшего брата Артура расспросами о химии, то старался вбить в голову младшего братишки все, что он узнал об электричестве. Его мать однажды сказала: «Ребенок приходит в такой энтузиазм, что не помнит себя: просто страшно, как много он знает!»

Когда Артур получил степень доктора, причин оставаться в Европе не осталось и Ленгмюры вернулись в США. Учебу Ирвинг продолжил в Академии Честнат‑Хилл в Филадельфии. Здесь самостоятельно в течение шести недель он изучил книгу о дифференциальном и интегральном исчислении. В четырнадцать лет Ирвинг поступил в институт Пратта в Бруклине, а когда ему исполнилось семнадцать, стал студентом Колумбийской горной школы. В 1906 году он получил диплом доктора физики в Геттингене. Институт Стивенса в Хобокене пригласил его преподавать химию.

По истечении третьего года работы в институте Ленгмюру пришла мысль вместо обычного отдыха в горах провести лето в новых лабораториях «Дженерал электрик» в Скенектеди. Так начался новый этап в его жизни, до самого ее конца связанный с «Дженерал электрик».

Директора этой фирмы А.Г. Дэвис и Е.В. Раис решили, что компания сама должна внести свой вклад в фундаментальные науки. Необходимо было создать новый тип лабораторий. С этой целью в качестве директора был приглашен профессор Массачусетсского технологического института В.Р. Уитни.

Когда в 1909 году Ленгмюр впервые приехал в Скенектеди, он имел весьма смутное представление о том, что ему там предстоит делать. «Когда я стал работать в лаборатории, – писал ученый позднее, – я обнаружил, что там гораздо больше «академической свободы», нежели в любом университете».

«Когда я впервые пришел в «Дженерал электрик» в 1909 году, – продолжил ученый, – большая часть сотрудников лаборатории была поглощена работой над выплавкой вольфрамовой нити».

Поскольку докторская диссертация Ленгмюра была посвящена газам. Он высказал предположение, что одной из причин неудач с вольфрамовой нитью является чрезмерное количество газа, остававшееся в металле при ее изготовлении. Он заявил Уитни, что ему бы хотелось заняться именно этой проблемой.

«Среди инженеров‑электриков существовало мнение, что, если бы можно было повысить вакуум в лампе, лампа стала бы работать значительно лучше… Однако я не знал, как добиться большего разрежения, и вместо этого предложил изучить отрицательное действие газа, наполняя газами лампу. Я надеялся, что таким образом настолько хорошо изучу воздействие газа, что смогу экстраполировать до нулевого давления газа и тем самым предсказать, не ставя на самом деле эксперимента, насколько улучшится работа лампы при идеальном вакууме».

После трех лет работы Ленгмюр, наконец, смог утверждать, что вольфрамовая нить имеет тенденцию испускать электроны в количестве, зависящем только от ее температуры и не зависящем от количества газа в лампе. Следовательно, идея идеального вакуума для идеальной лампы неверна. Так, в конце концов, Ленгмюр пошел наперекор всем установившимся представлениям. Он наполнил лампу азотом.

Исходя из результатов того же исследования действия газов на раскаленную нить, Ленгмюр смог предсказать, что триоды де Фореста будут работать с неслыханной чувствительностью, если удастся создать в них вакуум, который, как когда‑то полагали инженеры, был необходим для обычных осветительных ламп.

Наиболее важный результат исследования Ленгмюром нити накаливания появился на свет случайно. Испытывая способность вольфрамовых нитей испускать электроны, он случайно взял нить, изготовленную для какой‑то особой цели. В испытательном аппарате ученого эта нить начала испускать электроны в дотоле невиданном количестве. Оказалось, что эта вольфрамовая нить была пропитана окисью тория. Когда Ирвинг продолжил наблюдение, он обнаружил, что нить действует лучше всего, если она покрыта слоем тория не толще, чем в одну молекулу.

«Я начал работать в лаборатории «Дженерал электрик» в 1909 году над явлением высокого вакуума в лампах с вольфрамовой нитью и стал вводить в баллон лампы различные газы, чтобы увидеть, что произойдет, просто ради удовлетворения своего любопытства. Я наполнил баллон азотом, водородом и кислородом и разогрел нить накаливания до 3000° по Цельсию.

Произошло нечто весьма удивительное. Прежде всего, кислород образовал пленку на поверхности нити. Пленка эта была такой прочной, что могла бы выдержать даже нагревание до 1500° по Цельсию в течение нескольких лет, и ее нельзя было восстановить водородом. Я наткнулся еще на несколько подобных явлений. Я обнаружил, что молекулярный слой окиси тория на вольфраме может увеличить эмиссию электронов из вольфрамовой нити в вакууме в 100 тысяч раз».

Капля маслянистого вещества, помещенная на поверхности жидкости, может вести себя двояко: сохраниться как компактный шарик или разлиться по поверхности в чрезвычайно тонкую пленку. Ленгмюр впервые высказал идею о том, что такая пленка будет распространяться по поверхности жидкости, пока не достигнет толщины в одну молекулу. Сила сцепления молекул не позволит пленке растекаться дальше этого предела.

«Прибором ему служил таз с водой, – пишет М. Уилсон. – На поверхности воды плавал легкий стержень. Когда образовывалась маслянистая пленка, Ленгмюр перемещал стержень боком, сжимая пленку. Динамометр – прибор для измерения силы – показывал ему, какая сила требовалась, чтобы сжать пленку. Даже самое ничтожное усилие можно было измерить. При передвижении стерженька Ленгмюр обнаружил, что до определенного предела площадь маслянистой пленки уменьшается почти без приложения силы. Однако при сокращении площади наступал момент, когда пленка оказывала существенное сопротивление. Динамометр регистрировал резкое возрастание силы.

Первые опыты Ленгмюр ставил с органическими кислотами – длинными углеводородными молекулами, представлявшими собой цепи от 14 до 34 атомов углерода в каждой. Больше всего Ленгмюра поразило то, что критическое усилие было одним и тем же для всех кислот – длина молекул не играла роли!»

Ленгмюр рассуждал следующим образом:

«Для наглядности представьте молекулу, являющуюся длинным углеводородом с атомами углерода в ней и с группой на конце, имеющей сродство к воде. Концевые группы стремятся погрузиться в воду. Если же у вас есть чистый углеводород без этих групп… он образует маленькие шарики на поверхности воды.

Я думаю о молекулах на воде как о реальных предметах. Видите ли, в тот момент, когда вы пытаетесь представить их себе, как представляет химик‑органик, вы думаете о них как о чем‑то, имеющем форму, длину, объем. Не следует рассматривать эти углеводородные цепи как твердые негнущиеся цепочки. Их надо представлять себе, как куски обычной железной якорной цепи… Молекула… может принимать различные формы, в которых атомы углерода всегда расположены в одну линию. Поэтому, когда вы сжимаете пленку… цепи приобретают вертикальное положение.

Тогда молекулы займут минимальную площадь; и когда молекулы сжаты вместе и растянуты до максимальной длины, измерение этой площади дает возможность высчитать их поперечное сечение.

Что же происходит затем? Ну, прежде всего, когда вы увеличиваете длину цепи, покрывая воду пленкой, составленной из молекул, имеющих более длинную углеводородную цепь, это не изменяет площади пленки, но изменяет ее толщину. Объем, поделенный на площадь, равен толщине, так что можно высчитать толщину».

Однако толщина пленки в этом случае равна длине одной молекулы. «Общая площадь, поделенная на количество молекул, равна площади, занимаемой каждой молекулой», – заявил Ленгмюр.

Подобные измерения, начатые в 1917 году, позволили Ленгмюру точно определить размеры многих молекул и дали новые сведения о группировке молекул в сложных молекулах белка.

Так, при помощи небольшого металлического таза с водой и несложных измерительных приборов ученый сумел получить сведения, которые позже удалось получить повторно только с помощью сложнейших рентгеновских аппаратов и вычислений!

На долгие годы методы Ленгмюра стали образцом для современных исследований: в биологии – для изучения сложных вирусов, в химии – для изучения гигантских молекул.

В 1932 году Ирвинг Ленгмюр был удостоен Нобелевской премии по химии «за открытия и исследования в области химических процессов, протекающих на поверхности тел».

В 1919 году Ленгмюр сделал один из важнейших научных докладов года – о причинах возникновения химических реакций и соединения атомов в молекулы. Американский ученый предложил модель атома, отвечающую потребностям химиков.

В атоме Ленгмюра, так же как и в модели Бора–Резерфорда, ядро находится в центре. Это ядро, словно сердце жемчужины, является центром концентрических оболочек. Каждая оболочка может иметь только строго определенное количество электронов. Самая первая внутренняя оболочка способна вместить всего два электрона. Водород имеет один электрон, так что его оболочка заполнена лишь наполовину. Поэтому водород химически активен, так как он стремится привлечь еще один электрон, даже если последний уже входит в другой атом. По мнению Ленгмюра, именно тот факт, что водород проявляет тенденцию присоединить один электрон, определяет его валентность, равную единице.

В гелии, имеющем два электрона, внутренняя оболочка заполнена, и это объясняет инертность гелия.

Ленгмюр утверждал, что, когда внутренняя оболочка заполняется до отказа, атом, имеющий большее количество электронов, располагает их на следующей оболочке, способной вместить восемь электронов.

Подобное объяснение Ленгмюр распространил на все соединения и реакции, известные в химии. Молекулы, составленные из атомов, которые используют электроны друг друга, чтобы заполнить свои оболочки, чрезвычайно прочны. Чтобы разрушить их, требуется большое количество энергии.

Огромная работа Ленгмюра была, конечно, впоследствии дополнена новыми открытиями. Но именно учение Ленгмюра легло в основу трудов Л. Полинга, исследовавшего природу химических связей.

Страсть Ленгмюра к альпинизму вызвала в нем интерес к метеорологии и структуре облаков. Занимаясь исследованиями по созданию искусственного снегопада и дождя в переохлажденных облаках, ученый пришел к выводу, что кристаллы определенных веществ могут стать ядром для цепной реакции конденсации. В 1949 году теория прошла успешную апробацию.

Ленгмюр женился в 1912 году на Мэрион Мерсеро. Супругов объединяли такие увлечения, как походы в горы, морские путешествия, авиация, любовь к классической музыке. Ленгмюры воспитывали приемных сына и дочь.

Умер Ленгмюр 16 августа 1957 года.

Date: 2015-11-15; view: 439; Нарушение авторских прав