[物理史] 杜瓦(James Dewar)製造出固态气体

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  • 日期(2020-06-10)



(译自APS News,2012年1月)

[物理史] 杜瓦(James Dewar)製造出固态气体

杜瓦(James Dewar)拿着杜瓦瓶

科学家长期以来都为物质不同的状态而着迷,尤其在不同的温度与压力下,物质的状态会改变。19 世纪末期,有一位苏格兰的化学和物理学家杜瓦爵士(Sir James Dewar)在这方面做了一些最具开创性的研究,将气体转变成液体和固体。

1842 年,杜瓦出生在苏格兰金卡丁(Kincardine, Scotland),在家里是六兄弟中的老幺。他虽于 15 岁时成了孤儿,但仍设法获得教育,先上达乐寄宿学校(Dollar Academy),后到爱丁堡大学(University of Edinburgh)研读,碰到了一位良师─化学家普莱费尔(Lyon Playfair)。

杜瓦对于物理和化学极感兴趣,他在 1867 年之前就说明了苯几个不同的分子式,还发表了像电测光术、太阳的温度、以及电弧的化学性质等这些不同议题的论文。1875 年,他当上剑桥大学实验哲学的教授,两年后被选入皇家研究所(Royal Institution,1799 年英国顶尖的几位科学家所设立。)。1878 年,他开始一系列气体光谱学的研究,包括气体被降低到极低温度时的行为。

这在当时是热门的研究领域,直至 1845 年为止,着名的物理学家法拉第(Michael Faraday)已成功地将大部份已知的气体液化,除了六种为人所知的永久气体:氧、氢、氮、一氧化碳、甲烷、以及一氧化氮之外。杜瓦在剑桥才刚满两年,就有两位法国化学家卡耶泰(Louis Cailletet)和皮克泰(Raoul Pictet)分别将温度降低至绝对温度 80 度,很不容易地製造出液态氧和氮。

杜瓦利用一个他在皇家研究所每星期五晚上的演讲,专门介绍此议题,还示範了卡耶泰用来液化气体的装置。他梦想能以此为基础,来液化其余的几个永久气体。经过六年多的努力,他终于在 1885 年 6 月 5 日成功地完成液化空气的目标。

到了 1891 年,杜瓦已经可以大量製造液态氧,还证明液态的氧和臭氧都会被磁铁强力吸引。他期盼进一步研究极低温度的气体液化情形,但因缺乏所需将气体控制在够低温度够久状态的方法而受阻。已液化的气体会很快地自週遭的空气吸热,而蒸发回到气体的状态。他试过使用充满粉状软木或乾草的箱子,其中还包括他太太自己的帽箱。

1892-1895 年间,杜瓦还和弗莱明(Ambrose Fleming)一起研究超低温气体的电性质。他发现冷却的木炭有助于製造出高度的真空,主要是因为木炭可以极有效地吸收气体,尤其在极低温状态,因而产生更好的真空。

杜瓦想出使用一玻璃容器套进另一玻璃容器,双层壁则由一薄真空层隔开的方法,这样可以使液体冷却较久一段时间,有助于低温研究的突破。他的科学家同事昂尼斯(Heike Kamerlingh Onnes)称此方法是一个「了不起的发明,也许可说是在操作极低温实验时最重要的装置。」

这正是杜瓦要继续他的研究所需的一个技术上的突破。他于 1893 年 12 月给了一系列六次的圣诞演讲,1894 年 1 月做结论时,在演讲厅液化了一些空气给观众看。他示範说,假如能够适当地保存在「杜瓦瓶」中,即可将其维持在液体状态好一段时间。两星期后,他又成功地在皇家研究所 1 月 19 日的会议中製造出固态的空气。

唉!不过由于杜瓦疏忽,未将他的发明申请专利,因此当两位德国吹玻璃师傅根据他的设计,组成膳魔师(Thermos GmbH,温控容器公司),行销一种非常成功的商用产品─热绝缘饮料容器,适合储存热与冷的液体,还申请了专利,杜瓦并没有从中获得巨大的经济利益。后来杜瓦要求收回他的发明权,但法院判他败诉。

虽然如此,杜瓦的科学研究依旧成果辉煌。他使用他在皇家研究所建造的大型再生冷却机器(1),成功地于 1898 年液化了氢气。他持续改进他的方法,终于成功降低温度至绝对零温度 13 度,此温度除了氦外,可以液化任一种气体。

杜瓦非常希望能液化那最后一种气体,但他第一次尝试去液化氦气时却失败了。氦在当时很稀少,而且似乎他的氦来源受到了氖气的汙染,由于氖气的结冰温度较高,因此他的实验设备积满了冰。

第一个成功液化氦气的荣誉终于在 1908 年落在昂尼斯身上,他利用了杜瓦开创的方法。昂尼斯于 1908 年 3 月 5 日发了一电报给杜瓦,宣布他的成功:「将氦气转变成固态,最后蒸发的部分显示出相当大的蒸汽压力,好像液态跳脱了。」杜瓦的回答很亲切:「恭喜了!很高兴我期待能以已知的方法,成功达成的可能性获得了证实。我的氦研究因我健康不佳而受阻,希望以后能再继续。」

昂尼斯因此研究于 1913 年获得诺贝尔物理奖,杜瓦虽被提名了几次,但并没有获得诺贝尔奖。虽然如此,他的一生却是获得了许多其他的奖项与荣誉,其中包括许多科学学会所颁赠的着名奖章。他于 1904 年被封为爵士。

杜瓦于 1880 年代末期在政府炸药委员会任职,和同事阿贝耳(Frederick Abel)发展出柯代炸药,是一种无烟的火药。

第一次世界大战的爆发打断了杜瓦研究元素低温性质的计划,也让他失去了几个主要的研究伙伴。杜瓦没再重建他的计画,甚至战后也没有,他转而集中精神研究肥皂泡的表面张力,以及用他自己设计的测温器测量大气的红外线。

杜瓦一直到最后都是一位活跃的科学家,他拒绝从皇家研究院的职位上退休。1923 年 3 月 27 日,杜瓦在伦敦辞世,但他对低温气体的研究,尤其他发明的杜瓦瓶为低温学领域奠下了基础。


注(1):再生冷却(regenerative cooling)是一种低温的方法,透过拟将之液化的气体,让其部分急速膨胀,以使其他部分降温冷却。

原文刊载于物理双月刊2013年2月号35卷第1期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。