诺贝尔物理学奖史演义系列(十)——范德华博士论文解物态

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-03-30

壁虎能在平滑的玻璃上爬行,是因为它脚趾的绒毛分子与玻璃分子产生强大的范德华力。

气体为何凝聚成液体?气体的体积、温度、压力等要素之间有何联系?用数学公式可否表达?150年前,西方科学家对这些问题非常感兴趣。前赴后继研究持续近半个世纪。最后, 一位荷兰物理教师在博士论文中完美解答了这些问题,并由此获得1910年度诺贝尔物理学奖,论文中的公式则他的名字命名。

自学成才考博士

1873年2月,荷兰莱顿市春寒料峭,街边花儿已含苞待放。在城东哈佛商学院的一处实验室里,物理教师范德华专心致志地做着关于氧气的实验。当他把氧气通过高压变为液氧后,运用克拉佩龙物态方程计算的结果与实验测试的结果并不一样,他不禁生出疑问。

范德华的诺贝尔奖官方照片(来源:物理双月刊网)

范德华的诺贝尔奖官方照片(来源:物理双月刊网)

克拉佩龙物态方程是1837年法国科学院院士伯诺瓦·保罗·埃米尔·克拉佩龙总结出来的热力学方程,主要描述气体体积、压力、温度等之间的数学关系。此方程包括三方面内容:气体体积与压力成反比、与温度成正比、与粒子数目成正比。

没过几年,科学家发现克拉佩龙物态方程有一个缺点,就是它不适用高压力下气体与液体的互换描述。换言之,就是此方程只能计算出普通气压下气体各要素之间的关系。科学界有个不成文的现象:当旧理论在一般条件下不适用的时候,新理论就成为科学家们追逐的重点。科学家纷纷加入到新理论的研究中,也包括范德华。

范德华原名约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯。他父亲是莱顿市的普通木匠,生了十个子女。作为长子,范德华很早就担起大哥的责任,做弟弟妹妹们的表率。在学校是学霸,门门成绩都很好,15岁时中学毕业当小学教师,用工资补贴家用。

没上大学的范德华不甘平庸,他赚钱养家,一边到当地知名学府莱顿大学旁听物理、数学和天文学讲座。没过几年自学成才,他的知识见闻就超过正规大学生。

荷兰第一所大学,莱顿大学(来源:留学网)

荷兰第一所大学,莱顿大学(来源:留学网)

机会是留给有准备的人。1865年,荷兰政府创立专门服务中高产阶级孩子的哈佛商学院,公开招聘教师。范德华通过层层考试,成为该校的物理学教师。他十分珍惜来之不易的机会,一边兢兢业业教学,一边从事物理学研究。

要想科学有作为,考取博士是关键。范德华深知当时的成功密码,他报考了莱顿大学的物理博士和数学博士,准备进行论文答辩。

他首先准备的是物理论文,并选择一块“硬骨头”作论文主题,那便是找出克拉佩龙物态方程在高压下失效的真正原因,并得出新的物态方程。这便是前文他在实验室里的疑问。

博士论文创新律

沉醉于气体状态研究的范德华教学之余与显微镜、定量仪等打交道。同时,他坚持阅读同时代的热力学典籍,麦克斯韦、玻尔兹曼、吉布斯等大咖的作品都给他很多帮助。日子就在繁忙的工作中一天天过去。

范德华的努力没有白费。1873年6月14日,他的博士论文《论气态与液态之连续性》在莱顿大学顺利通过答辩。他进入欧洲首屈一指的物理学家之列。

在这篇论文中他提到两个前所未有的理论:一是克拉佩龙物态方程在高压下失效的真正原因是其没有考虑气体分子之间的吸引力;二是创新导出能应用于高压气体下的物态方程,文章中称这个方程被叫“范德华方程”。

范德华方程,其中a、b为常数(来源:百度)

范德华方程,其中a、b为常数(来源:百度)

欧洲乃至全球的科学家都对两个理论产生兴趣。经过多年研究,科学家们终于得知:无论是固体、液体还是气体,它们的分子或原子之间都存在吸引力。他们把这种吸引力称为“范德华力”,它对物质的熔点、沸点、溶解度等物理性质都有决定性影响。关于范德华方程,欧洲的科学家除了纷纷进行研究,荷兰皇家科学院院刊相继刊载了关于范德华方程的论文。这些论文还被翻译成其它国语言,以增进世界科学的交流。无怪乎麦克斯韦在《自然》杂志上发表预言:“毫无疑问地,范德华的名字很快会出现在分子科学的前沿之中。”

再接再厉攀高峰

范德华通过博士论文答辩,一跃成为欧洲科学界的知名人物。面对荣誉,他不骄不躁,继续向科学高峰攀登。后来,他用函数表示范德华方程,并将方程中的化合物用a或b来代替,这样更利于计算。由此,科学家先后制出液化氢、液化氦。再后来,范德华把他发现的方程与热力学第二定律相结合,用数学公式或图形来表示热力的各种性质。科学家从范德华的论文入手,得出一个惊人的结论:壁虎之所以能在平滑的玻璃上爬行,是因为它脚趾的绒毛分子与玻璃分子产生了强大的范德华力。

壁虎脚上的分子与物体分子产生范德华力(来源:搜狐)

壁虎脚上的分子与物体分子产生范德华力(来源:搜狐)

范德华的贡献首先得到荷兰政府的认可。1877年,他被任命为阿姆斯特丹市立大学的第一任物理学教授。10多年后,荷兰皇家科学院聘请他为秘书。世界各国也给了他足够多的荣誉:先后被授予英国剑桥大学荣誉博士、柏林皇家科学院通讯院士、美国国家科学院外籍院士等。

卓越贡献、荣誉等身、热力巨擘,1909年度诺贝尔物理学奖颁给无线领域的科学家后,立马提名范德华为新一届物理学奖人选。一切按流程进行,范德华站到1910年度诺贝尔物理学奖的领奖台上。从旁听穷学生到世界级大师,他用亲身经历谱写了一曲自学成才的赞歌。

热力学是经典物理的主要内容之一。与范德华同时代的一位东普鲁士物理学家也在热力学上做出杰出贡献。他因发现热辐射定律而获得诺贝尔物理学奖,这些定律后来被运用到LED照明技术上,大大地改善了人类的生活。他是谁?他是怎么研究出热辐射定律的?欲知后事如何,且听下集分解。

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【参考资料】

1. 图书《诺贝尔物理学奖一百年》,2002年上海科学普及出版社出版,作者是郭奕玲、沈慧君。

2. 论文《20世纪物理学的伟大缩影》,作者清华大学郭奕玲,《物理研究》2009年第2期。

3. 论文《壁虎爬墙的科学分析 》,作者赵兴华,《物理通报》2014年第10期。


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