宋逸婷
波洛克摘要:19世纪美国第一代本土化学家,路易斯(G. N. Lewis,1875-1946)不但是一位著名的化学家,而且是卓越导师和先驱。路易斯在化学教育方面成绩斐然,对19世纪末20世纪初美国化学的发展做出了突出的贡献,产生了深远的影响。 高三语文教学反思与今天相比,19世纪末20世纪初的美国化学在世界上的地位相对较低,本土的化学家为数并不多,路易斯(G. N. Lewis,1875-1946)是其中最引人注目者之一。他在加州大学伯克利分校带动研究,使得该地成为20世纪上半叶美国的化学重镇之一,而他的化学成就使美国在化学领域频频创新,路易斯因此成为美国化学的先驱者之一。
1 生平述略
路易斯1875年10月25日生于马萨诸塞州【1】。他的启蒙教育来自于父亲弗兰克和母亲玛丽,3岁就会读书,自幼聪慧好学。他13岁时入内布拉斯加大学预备学校,后转入该大学,2年后又转入哈佛大学。1896-1899年,短短3年时间他相继获得学士、硕士和博士学位。
距今110年前,年仅24的路易斯在物理化学家理查兹(T. W. Richards,1868-1928)先生的指导下,完成了有关电化学电势的博士论文。这里,有必要提一下理查兹教授,他因精确测定大量化学元素的原子量获得1914年诺贝尔化学奖。路易斯获得博士学位后,与同时代许多有抱负的科学家一样,决定到国外做博士后研究。他先到当时世界物理化学的中心——德国莱比锡大学,向杰出的物理化学家奥斯特瓦尔德(F.W.Ostwald,1853-1932)学习,随后到哥丁根大学师从能斯特(W. Nernst,1864-1941)先生深造。
路易斯回国后,1901年在哈佛大学任讲师,1904-1905年任菲律宾计量局局长,1905年他到麻省理工学院任教。1912年,他担任加州大学伯克利分校的物理化学教授兼化学系主任。1912年6月21日,他与玛丽(M.H. Sheldon)喜结连理,育有两儿一女。
1946年3月23日,路易斯在进行荧光实验时,猝然去世,享年71岁。加州大学伯克利分校于1948年修建了以其名字命名的路易斯会堂,以示纪念。
路易斯一生获得过很多荣誉。他曾获得戴维奖章、瑞典阿累尼乌斯奖章、美国吉布斯奖章、里查兹奖章和苏联科学院外籍院士。遗憾的是,他曾有过多次诺贝尔化学奖提名,但从未摘
小桥流水人家教学设计取该奖项,也许这是他心中永远的痛【2】。
2 学术成就
路易斯是一位精力充沛、意志坚强、才智过人、笔耕不辍的化学家。他一生出版或发表了168篇科学论文,这使得他成为当时美国化学界最活跃、最多产的学者【3】。路易斯一迈入化学领域的大门,就显示出极强的开辟研究新领域的能力,研究过许多化学基础理论。早在1902年,路易斯向大学生解释原子价理论时,就认为原子是由一系列立方体构成的,其中立方体的每个端点处有1个电子。然而,他的导师与那个时代大多数美国化学家一样,对路易斯的理论并不感兴趣。路易斯一直未发表他的立方体原子理论,但该理论却是其1916年共用电子对理论的重要组成部分。
年轻的路易斯异常聪慧和早熟,思想特立独行,也许归因于其经受的与众不同的教育。他总是对新领域有前瞻性的目光,能够预见一些在当时看来不可思议的理论。就拿爱因斯坦的相对论来说,1905年爱因斯坦发表相对论和质能方程,世人还以为他是个疯子,却使得路易斯的研究兴趣又重新转到早期关于放射线的推测。他在不运用相对论的情况下,仅从其早期关于光压的想法中就能推导出质能方程。他的发现与爱因斯坦的结果惊人地相似,这使得路易斯意
识到他自己早期思想的价值,并且也使得他成为爱因斯坦及其相对论为数不多的支持者之一。1912年,托尔曼(R.C.Tolman,1881-1948)从能量守恒定律和相对论中推导出质能方程,证明了使大多数人感到困惑的相对论是正确的。这足以看出,路易斯是一个喜欢冲破陈规旧习,颠覆传统思想的人。
1916年,他提出共价键的电子理论。该理论认为,2个(或多个)原子可以相互“共用”一对或多对电子,以便达成惰性气体原子的电子层结构,而形成共价键。路易斯在1916年《原子和分子》和1923年《价键及原子和分子的结构》中阐述了共价键电子理论的观点,并列出无机物和有机物的电子结构式。路易斯提出的共价键电子理论,基本上解释了共价键的饱和性,明确了共价键的特点。共价键理论和电价键理论的建立,使得19世纪中叶开始应用在两元素间的短线(即表示原子间的相互作用力或称“化学亲和力”)开始有明确的物理意义。但他的共价键理论还没解决共价键的本性问题,后来该理论经朗缪尔(I. Langmuir,1881-1957)拓展,并激励鲍林(L. Pauling ,1901-1994)研究共价键的性质。
1919年通过研究液态氮中氧溶液的磁性,他发现O4分子。这是首次证明四原子氧气的存在。1921年,他将离子强度的概念引入热力学,发现了稀溶液中盐的活度系数由离子强度决
定的经验定律,该问题一直困惑物理化学家20多年。众所周知,吉布斯(J. W. Gibbs,1839-1903)提出化学反应达到化学平衡是由反应物的自由能所决定。路易斯花费25年的心血来确定各种物质的自由能。
1923年他和兰得尔(M. Randall,1888-1950)合著《热力学及化学物质的自由能》,书中深入地讨论了化学平衡问题,对自由能、活度等概念做出了新的解释,这有助于现代化学热力学的形成。同年,他提出了新的广义酸碱概念,认为“酸”是在化学反应中能接受电子的物质,而“碱”是能给予电子的物质。这—见解深受化学界的重视,特别是路易斯碱的观点较早得到化学界的普遍接受;由于当时盛行酸的质子理论,化学界对路易斯酸的观点则接受较慢。
1926年,他创造性提出了辐射能最小单位的“光子”,他的光子不同于现代量子物理学中的光子。1933年,路易斯首次生产氧化氘(重水)的纯样。通过在劳伦斯(E. O. Lawrence,1901-1958)的回旋加速器中催化氘核(氘原子核),他研究了原子核的许多性质。
在路易斯生命的最后几年中,路易斯与学生一起发现有关激发三重态有机分子的磷光(在这一状态下,电子通常成对反向旋转来代替同一方向的自旋矢量)和测量该三重态的磁性能。路易斯被誉为继能斯特和哈伯(F. Haber,1868-1934)之后最杰出的化学热力学家之一,他以
对数据的仔细、广泛和透彻的分析而著名。
3 对教育的贡献
路易斯不但是一名科学家,而且是一位卓越导师和领军人物。1912年他就任加大化学系主任一职,当时的化学系百废待兴,路易斯从政策和财力两方面入手,重整旗鼓。在他的领导下,吸引了布雷、托尔曼和希尔德布兰德等人前来,这些人后来成为卓越的教师和教材编者。他们编写的教材培育了新一代美国化学家,这些化学家可与德国大学毕业的化学家媲美。当时德国物理化学最先进的,但被美国众多大学所忽视的思想——热力学,在加州大学伯克利分校却广为熟知。
路易斯虽然自己不授课,但他的影响却无处不在。路易斯提倡减负,同时鼓励教师和学生进行独创性的研究。不允许任何人成为狭隘的专家,鼓励思考和自由讨论。他十分怀念学生时代在哈佛的那种激进的、相互协作的“研究精神”,为此在每周研讨会上他主张教师和学生自由地讨论最新的专题。通过以上举措,他所领导的化学系迅速重获声誉。路易斯的教学改革和化学教育的现代化为美国化学建立了标准,为下一代化学家的培养做出了卓越的贡献。西博格(G.T. Seaborg,1912-1999)是路易斯的博士后学生,他于1951年获得诺贝尔化学奖,并有元
素以其名字命名,他取得的成就与导师的教导分不开。在路易斯所指导的学生中,先后有2人获得了诺贝尔化学奖。
在路易斯职业生涯中,除了本文中提到论文外他发表许多其他学科的文章,涉及的范围从光量子的性质到价格稳定的经济学。即使在职业生涯的最后阶段,他还发现一个富有理论趣味和实验机会的领域——光化学。在他整个学术生涯中,他一直充当拓荒者的角,将更多的宝藏留给后人挖掘,毫不吝啬。
参 考 文 献
[1] R.E. Kohler. Gilbert Newton Lewis [C]. In: Dictionary of Scientific Biography (Vol.6), New York: Princeton University Press, 1972:289-294
[2] 陈桂芝.自然辩证法通讯, 2002, 24(3):13-14
[3] H.H. Harris. A Biography of Distinguished Scientist Gilbert Newton Lewis. Journal of Chemical Education,1999, 76:1487-1488
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