榮獲諾貝爾化學獎的物理學家們(一)

  • 阿文開講
  • 撰文者：高崇文
  • 發文日期：2020-10-29
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諾貝爾獎原始的五個獎項中，與物理獎關係最深的是化學獎。物理學家中得到化學獎的不乏其人，最有名的莫過於瑪莉·斯克沃多夫斯卡·居禮，她第一次與她的丈夫拿到了1903年的物理獎，第二次則是在1911年獨得化學獎。另一位赫赫有名的是核物理的祖師爺拉塞福。但是除了他們倆位之外，有不少物理學家也得到諾貝爾化學獎的肯定，像是索末非的得意門生德拜，就曾被提名物理獎三十三次，最後卻得了化學獎。而統計力學的鬼才昂山格，則是被提名物理獎二十五次，最後還是得了座化學獎。我們在這裡就簡單地介紹其他幾位曾被提名物理獎，後來卻得到化學獎的得獎人。雖然他們的名聲不如拉塞福與居禮來得響亮，但是他們的故事也饒富趣味，說不一定會讓你對物理與化學的互動，產生新的看法呢!


第一位上場的是斯萬特·奧古斯特·阿瑞尼斯（Svante August Arrhenius，1859－1927），他提出了電解質在水溶液中電離的阿瑞尼斯理論，研究了溫度對化學反應速率的影響，並寫下了是化學反應的速率常數與溫度之間的關係式，現在稱為阿瑞尼斯方程式。由於他在物理化學的多項貢獻，而得到了1903年諾貝爾化學獎的肯定。得獎前他被提名了三十四次，其中十二次是物理獎，兩次是生理醫學獎，二十次是化學獎。

 

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圖片來源：Nobel Prize



阿瑞尼斯出生於瑞典烏普薩拉附近的威克，父親斯萬特·古斯塔夫曾是烏普薩拉大學的土地測量員。阿瑞尼斯在1876年進入烏普薩拉大學，但是他對當時的大學教育特別是惟一的化學老師皮·特奧多爾·克利夫(Per Teodor Cleve )頗為不滿，所以在1881年進入斯德哥爾摩的瑞典科學院物理研究所，在埃里克·艾德隆德(Erik Edlund)指導下進行電解質導電性的研究。專研這個問題三年之後，阿瑞尼斯於1884年向烏普薩拉大學提交了150頁的博士論文，通過離子的概念解釋了的電解質溶液的導電機制，解釋了為什麼固體鹽類不能導電，而他們的溶液卻可以導電。阿瑞尼斯的解釋是，在形成溶液時，鹽解離成帶電粒子，法拉第將其命名為離子。法拉第的想法是離子是在電解過程中產生的，也就是說，形成離子需要外部直流電。 阿瑞尼斯則是認為，即使在沒有電流的情況下，鹽的水溶液也含有離子。 因此，他提出溶液中的化學反應是離子之間的反應。這篇論文中的很多概念至今仍在沿用。但是當時負責評審的教授們只給了他勉強通過的分數。他的指導教授Per Teodor Cleve 也不怎麼欣賞他的論文。不服氣的阿瑞尼斯將文章寄給了當時物理化學研究的領袖人物，如德國的克勞秀斯和瓦爾德(Wilhelm Ostwald)與荷蘭的范特霍夫(Jacobus Henricus van 't Hoff)，都得到了很高的評價。奧斯特瓦爾德甚至來烏普薩拉邀請阿瑞尼斯加入他的團隊，但是阿瑞尼斯還是為了照顧父親而決定留在烏普薩拉，婉拒了邀請。
1885年他的父親過世之後，阿瑞尼斯得到了一筆旅行資金，使得他可以到里加與奧斯特瓦爾德、到烏茲堡(Würzburg)與科爾勞施(Friedrich Wilhelm Georg Kohlrausch)；到格拉茨與波茲曼；到阿姆斯特丹與范特霍夫一起進行短期的研究。此時阿瑞尼斯的注意力放在化學反應速率問題上，通過與這些科學家的交流，他提出了活化能這一概念，對化學反應常常需要吸熱才能發生這一現象給出了解釋，並給出了描述溫度、活化能與反應速率常數關係的阿瑞尼斯方程式。1891年阿瑞尼斯回到瑞典，擔任斯德哥爾摩大學學院講師（現斯德哥爾摩大學）。1895年升為教授，1896年還當上了院長。 


進入二十世紀後，阿瑞尼斯關於電解質溶液的理論逐漸被承認，此時他的研究方向已經轉向生理學。希望通過化學理論解釋生理學的問題。1904年他在美國加州發表演講，討論用物理化學方法研究毒素和解毒物質產生過程的可能性。1907年以《免疫化學》為名出版。他還從事過地質學和天體物理的研究。1905年諾貝爾物理研究所建立，阿瑞尼斯一直擔任所長到1927年退休。

1900年起阿瑞尼斯參與到創立諾貝爾基金會和諾貝爾獎的活動中。1901年他被選為瑞典皇家科學院院士，而後一直是諾貝爾物理獎委員會委員和化學獎委員會的委員。他運用自己的地位試圖阻攔一些科學家得獎，例如沃爾瑟·能斯特和德米特里·門得列夫。前者最終還是得獎，但是後者終身與諾貝爾獎無緣死於1907年。另外一件不名譽的事情是1911年，他還曾寫了一封信，試圖阻止參加瑪莉 ·斯克沃多夫斯卡·居禮參加她自己的頒獎典禮，因為當時她身陷醜聞漩渦，但瑪莉·斯克沃多夫斯· 居禮拒絕這種示弱的提議。 瑪麗·斯克沃多夫斯卡·居禮與她的姐姐布羅尼亞及其女兒艾琳一起前往斯德哥爾摩參加12月10日舉行的諾貝爾獎頒獎典禮。這讓阿瑞尼斯相當臉上無光。阿瑞尼斯於1927年在斯德哥爾摩過世。


第二位要介紹的是威廉·拉姆齊爵士，（Sir William Ramsay，1852－1916），他是蘇格蘭出身的化學家，1904諾貝爾化學獎得主。威廉·拉姆齊於1852年出生於格拉斯哥。其叔父是頗為活躍的地質學家安德魯·拉姆齊。威廉·拉姆齊從格拉斯哥學院畢業後，進入格拉斯哥大學，他在化學家托馬斯·安德森 (Thomas Anderson，1819－1874) 指導下學習。安德森發現了吡，還確定了可待因Codeine 的分子結構。畢業後拉姆齊到德國杜賓根大學，在化學家威廉·魯道夫·菲蒂希 (Wilhelm  Rudolph  Fittig) 的指導下完成博士論文「甲苯甲酸和硝基甲苯酸的研究」。 拿到博士學位後，他回到格拉斯哥，擔任托馬斯·安德森的助手。1879年，拉姆齊被布里斯托大學任命為化學教授。1887年起，威廉·拉姆齊到倫敦大學學院擔任化學系主任。1885年至1890年間，他發表了幾篇關於氮氧化物的重要論文。但是讓他達到事業的高峰卻是在1894年4月19日傍晚，拉姆齊參加了瑞利男爵舉辦的一個講座。瑞利之前發現了一個費解的現象，就是他用亞硝酸銨分解法得到的氮氣與從空氣中除去已知的氧等已知成分以後得到的「氮氣」具有不同的密度。瑞利與拉姆齊討論後決定要一起找出原因。他們立刻在各自的實驗室對此展開研究，並幾乎每天保持聯絡，互相通報工作的進展情況。同年8月，拉姆齊和瑞利宣布發現氬元素。這個元素是第一個被發現的惰性氣體。

 



其實在發現氬之前，法國天文學家皮埃爾·讓森 (Pierre Jules César Janssen) 在印度的貢土爾觀測日全食時，發現了太陽光譜有一條光譜線，稱為D3線。這條線從未出現在地球的已知元素的光譜上，所以他主張太陽有某種未知元素。兩個月後英國天文學家約瑟夫·諾曼·洛克耶（Joseph Norman Lockyer）也觀察到相同的現象而得到相同的結論，他與讓森的論文在同一天送到法蘭西科學院呢。1881年，義大利物理學家路易吉·帕爾米耶里 (Luigi Palmieri)  在分析維蘇威火山的岩漿時發現了氦的D3線，這是氦在地球上的首次發現記錄。

1895年3月26日，拉姆齊將釔鈾礦（一種瀝青鈾礦，其質量的10%為稀土元素）用酸處理，首次在地球上分離出氦。拉姆齊當時用硫酸處理礦物，分離釋放出的氣體中的氮和氧。在剩下的氣體中，他發現了一條和太陽光譜中的D3線吻合的黃色譜線。洛克耶和英國物理學家威廉·克魯克斯(William Crookes)鑑定了這一氣體樣品，證明了它是氦氣。同一年，兩位化學家皮·特奧多爾·克利夫(就是阿瑞尼斯的老師!) 和尼爾斯·朗勒特(Nils Abraham Langlet) 在瑞典烏普薩拉獨立從釔鈾礦中分離出氦；他們收集的氦足以測定這一元素的原子量。在拉姆齊分離氦之前，美國地質化學家威廉·弗朗西斯·希爾布蘭德(William Francis Hillebrand)同樣注意到一份瀝青鈾礦樣品中的一條不尋常的譜線，並從中分離出氦；但他認為這些譜線來自氮氣，真是可惜。


繼氬與氦之後1898年拉姆齊與莫里斯·特拉弗斯（Morris Travers）在液態空氣幾乎所有成分都蒸發後留下的殘液中發現氪，氖與氙。他在1902年受封為爵士。


1903年，他與弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy)合作在鐳放射中探測到氦。[索迪在1921年也得到諾貝爾化學獎]。1904年，拉姆齊因為「發現空氣中的惰性氣體元素，並確定它們在元素周期表中的位置」，威廉·拉姆齊被授予諾貝爾化學獎。他得獎前被提名了三十一次，其中三十次是化學獎，只有一次是物理獎，提名他物理獎的人居然是大名鼎鼎的普朗克呢。普朗克將瑞利男爵與他一起提名1904年的諾貝爾物理獎。瑞利男爵則是被提名了二十次諾貝爾物理獎，得到了1904年的物理獎。得獎理由是「對那些重要的氣體的密度的測定，以及由這些研究而發現氬」


1909年，拉姆齊再接再厲與羅伯特·懷特洛-格雷(Robert H. Whytlaw-Gray，1877–1958)一起分離出氡，並量測了它的鎔點與大略的密度，隔年他們終於確定氡的密度是當時已知氣體中最高。除了最近被承認的人工合成新元素Og以外 (原子序118)外，拉姆齊幾乎發現了一整族元素呢！


第三位要介紹的是德國化學家瓦爾特·赫爾曼·能斯特（Walther Hermann Nernst，1864－1941），他提出了熱力學第三定律，這條定律對化學親和力的計算尤其重要，他因此榮獲1920年度的諾貝爾化學獎（1921年頒發）。得獎前他被提名了八十六次，其中十次是物理獎，其餘七十六次是化學獎。

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圖片來源：wikimedia common





能斯特生於西普魯士的貝利森（今波蘭境內的翁布熱伊諾）。他在蘇黎世大學、柏林大學及格拉茲大學等地學習數學與物理學。最後在烏茲堡大學拿到博士學位。指導教授是科爾勞施。瓦爾德從里加搬到萊比錫後邀請他參加自己的團隊，在萊比錫工作了一段時間後，他先去了海德堡，然後是哥廷根。他在哥廷根成為講座教授。


1897年，能斯特發明了能斯特燈（Nernst lamp），這是一種使用白熾陶瓷棒的電燈，是碳絲燈的替代品和白熾燈的前身。1905年，他確立了一種新理論，他稱之為「新熱定理」，這就是後來的熱力學第三定律，具體來講就是在溫度接近絕對零度時，與任何經歷可逆等溫過程的冷凝系統相關的熵的變化量也接近零。

[The entropy change associated with any condensed system undergoing a reversible isothermal process approaches zero as the temperature at which it is performed approaches 0 K.]

這個命題可推導出「不可能在有限步驟就將一個系統的溫度降至絕對零度。」。第三定律也指出，當溫度接近零時，純淨物質的完美晶體的熵接近零。 完美晶體的排列不會對晶體各部分的位置和方向產生歧義。 隨著晶體能量的減少，各個原子的振動被減小為零，晶體在各處都變得相同。


能斯特的實驗室發現當溫度持續降低時，比熱也會一直往下掉，與古典物理的預測完全不同。能斯特知道愛因斯坦在1909年的論文預測過這個現象後，親自跑到蘇黎世去找當時還不是那麼出名的愛因斯坦，引起蘇黎世小小的轟動。1913能斯特與普朗克為了愛因斯坦量身打造了一個職位在柏林大學，親自來勸愛因斯坦來柏林。可以算是愛因斯坦的貴人了。


能斯特在1914年作為志願者加入德國陸軍擔任司機。在前線，他發現戰壕導致戰事僵持，於是向德軍總參謀部負責與科學家聯絡的軍官馬克斯·鮑爾提議使用催淚彈奇襲，來清空敵方戰壕。在觀察了野外測試後，弗里茨·哈伯提出使用重於空氣的氯氣。德軍司令埃里希·馮·法金漢同意了這一提議，最後該武器被投入到第二次伊普爾戰役，造成5000名法國和比利時士兵的死亡，這是人類歷史上首次使用化學武器。但是步兵支援步足沒有能扭轉戰局。後來能斯特成為軍方顧問，發展炸藥與迫擊砲。他的兩個兒子都死在前線。一戰結束後，能斯特被列在戰犯名單上讓他不得不亡命海外，所幸後來無事。 


他於1924年出任柏林物理化學研究所主任開始研究電聲學和天體物理學。能斯特於1930年與貝希斯坦鋼琴公司及西門子公司合作開發了一種叫「新貝希斯坦之翼」（"Neo-Bechstein-Flügel"）的電子琴，當中用無線電放大器取代了發聲板。該電子琴使用了電磁感應器以產生電子調解及放大的聲音，跟電吉他是一樣的。當納粹上台後，他常常直言無諱批評納粹，甚至拒絕在文件上填寫”種族欄”所以就在1933年退休。在德國鄉下養老。能斯特於1941年在Zibelle逝世。 


第四位要介紹的是弗朗西斯·威廉·阿斯頓（Francis William Aston，1877－1945）。他於1877年9月1日出生於英國伯明罕。1894年，他在梅森學院（後併入伯明罕大學）開始大學生活，師從馬克斯威爾的學生約翰·亨利·波因廷(John Henry Poynting)學習物理，師從弗蘭克蘭(Percy Faraday Frankland)和威廉·蒂爾登(William Augustus Tilden)學習化學。1896年起，他還在父親家中的私人實驗室進行有機化學研究。1898年，他獲得Forster獎學金的贊助，成為弗蘭克蘭的學生，主要研究酒石酸化合物的光學性質。1900年起，他在伯明罕的釀酒學校研究發酵學，並被W·巴特勒釀酒廠僱用，直到1903年返回伯明罕大學擔任波因廷的助理,研究放電管中的克魯克斯暗區，很快便發現了「阿斯頓暗區現象」。這個現象是由於電子以大約1 eV的能量離開陰極，不足以電離或激發原子，僅在陰極旁邊留下一層薄的深色層所致。

 



1909年，阿斯頓成為伯明罕大學講師。一年後，受J·J·湯木生的邀請，轉投劍橋大學卡文迪許實驗室。這時湯木生已經在陰極射線的研究中取得重大成果，轉而研究歐根·戈爾德施泰因發現的陽極射線。湯木生和阿斯頓使用威廉·維恩發明的方法，通過磁場使陽極射線的粒子發生偏轉，並通過電場使具有不同電荷和質量的離子分隔開。這些實驗的成果便是首個扇形磁場質譜計的誕生：使離子沿拋物線飛行，將其軌跡記錄到底片上，由此來測定離子的精確質量。在卡文迪許實驗室的初期，阿斯頓已經通過實驗證明了氖有兩種同位素。後來由於一戰，他的研究中斷了5年。1919年，他回到實驗室以後，繼續研究氖的同位素。他很快就成功地研製了第一台質譜儀，並相繼做出性能更高的第二和第三部。藉助這些具備電磁聚焦性能的質譜儀，他鑑別出至少212種天然同位素。通過對大量同位素的研究，他闡述了「整數法則」，即：除了氫以外的所有元素，其原子量都是氫原子質量的整數倍。並且，通過質譜分析，他解釋造成實際值與上述法則偏差的原因是同位素的存在。現在我們知道，這是由於中子比質子重了1.3 MeV的關係。 

1920年，阿斯頓成為劍橋大學三一學院院士，此後一直在劍橋居住。1921年，阿斯頓當選皇家學會院士，次年由於「藉助自己發明的質譜儀發現了大量非放射性元素的同位素，以及闡明了整數法則(Whole Number Rule)，他榮獲1922年諾貝爾化學獎。得獎前他只被提名四次，其中三次是物理獎。阿斯頓一生發生許多論文，1922年出版專著Isotopes（《同位素》），1933年重印時更名為Mass-spectra and Isotopes（《質譜與同位素》）。

1945年11月20日，阿斯頓在英國劍橋逝世。

除了這四位，還有好幾位獲得諾貝爾化學獎的物理學家，一篇講不完就講兩篇囉，敬請期待。


參考資料:
(一)中文 英文 瑞典文維基相關條目
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