諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)-1910

1、 1910年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1910年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 氣液物態(tài)方程 1910年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的凡得瓦(J. van der Waals，18371923 )，以表彰他對(duì)氣體和液體的物態(tài)方程（equation of state）所作的工作。 十九世紀(jì)末，分子運(yùn)動(dòng)論逐步形成了一門(mén)有嚴(yán)密體系的精確科學(xué)。與此同時(shí)實(shí)驗(yàn)也越做越精，人們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)氣體的行為與理想氣體的性質(zhì)不符。1847年勒尼奧(H. V. Regnault)做了大量實(shí)驗(yàn)，證明除了氫以外，沒(méi)有一種氣體嚴(yán)格遵守波以耳(Boyle)定律，這些氣體的膨脹係數(shù)都會(huì)隨壓力（壓強(qiáng)）增大而變大。1852年焦耳和W.湯姆森合作做了多孔

2、塞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際氣體在膨脹過(guò)程中內(nèi)能會(huì)發(fā)生變化，證明分子之間有作用力存在。1863年安卓士(T. Andrews)的二氧化碳等溫線敘述二氧化碳?xì)怏w存在一個(gè)臨界溫度31.3，高於這個(gè)溫度無(wú)論如何也無(wú)法使氣體液化。1871年J.湯姆森(James Thomson)對(duì)氣液兩態(tài)問(wèn)題提出了新的見(jiàn)解，他對(duì)安卓士的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了補(bǔ)充，認(rèn)為在臨界溫度以下氣液兩態(tài)應(yīng)有連續(xù)性的過(guò)渡，並且提出一個(gè)“”形的等溫線。不過(guò)他既沒(méi)作定量計(jì)算也沒(méi)有用分子理論加以解釋。 把分子運(yùn)動(dòng)論的原理運(yùn)用於氣液兩態(tài)，並成功地從理論上對(duì)兩態(tài)之間的連續(xù)性過(guò)渡作出定量分析的就是荷蘭物理學(xué)家凡得瓦。1873年他在博士論文論氣態(tài)和液態(tài)的連續(xù)性中考慮了

3、分子體積和分子間吸力的影響，推出了著名的物態(tài)方程：這就是膾炙人口的凡得瓦方程，其中p、V、T分別是氣體的壓力（壓強(qiáng)）、體積和溫度，R是氣體常數(shù)。他還進(jìn)一步導(dǎo)出了常數(shù)b是分子體積的4倍。這個(gè)方程不僅能解釋安卓士的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及J.湯姆森的見(jiàn)解，而且能從常數(shù)a、b值計(jì)算出臨界參數(shù)，這對(duì)“永久氣體”液化的理論起了指導(dǎo)作用。這篇論文是用荷蘭文發(fā)表的，起初影響不大，後由於馬克士威注意到了他的論文，並於次年(1874年)在有國(guó)際影響的自然雜誌上對(duì)該文作了熱情的述評(píng)。馬克士威寫(xiě)道：“毫無(wú)疑問(wèn)，凡得瓦的名字將很快出現(xiàn)在第一流的分子科學(xué)家的名單中”，“可以肯定，不止一個(gè)科學(xué)家正在注意學(xué)習(xí)他的論文所用的低地荷蘭語(yǔ)?！?/p>

4、後來(lái)，果然在荷蘭皇家科學(xué)院學(xué)報(bào)和荷蘭年鑑(Archives Neerlandaises)上陸續(xù)發(fā)表了許多這一課題以及與之有關(guān)的論文，並被譯成其它文字。凡得瓦和他的學(xué)派在國(guó)際物理學(xué)界開(kāi)始引起廣泛的迴響。 凡得瓦1837年l1月23日出生於荷蘭的萊頓，在家鄉(xiāng)結(jié)束了教育後，成為一名中學(xué)教員。雖然他因不懂古典語(yǔ)言而未能參加大學(xué)入學(xué)考試，但在l8621865年期間，他利用業(yè)餘時(shí)間在萊頓大學(xué)繼續(xù)學(xué)習(xí)，並獲得了數(shù)學(xué)和物理學(xué)的教師證書(shū)。 1864年，凡得瓦任德文特(Deventer)一所中學(xué)的教師。1866年到海牙，先當(dāng)該城一所中學(xué)的教師，後任該校校長(zhǎng)。 新的立法取消了理工科大學(xué)生入學(xué)前必須受古典語(yǔ)言教育的規(guī)

5、定，使凡得瓦能夠參加大學(xué)考試。1873年他以“論氣態(tài)和液態(tài)的連續(xù)性”這篇論文取得了博士學(xué)位，使他立刻進(jìn)入了第一流物理學(xué)家的行列。在這篇論文中，他提出了包括氣態(tài)和液態(tài)的“物態(tài)方程”，論證了氣液態(tài)混合物不僅以連續(xù)的方式互相轉(zhuǎn)化，而且事實(shí)上它們具有相同的本質(zhì)。 1876年頒佈了新的高等教育法，將阿姆斯特丹古老的雅典語(yǔ)學(xué)院擴(kuò)充成綜合大學(xué)，凡得瓦被任命為該校第一名物理學(xué)教授。他和同事范托夫(Vant Hoff)、遺傳學(xué)家德弗裏斯(Hugo de Vries)使該校聲譽(yù)大增。儘管各處向他發(fā)出盛情的邀請(qǐng)，但他一直忠實(shí)地留在該校，直到退休。 凡得瓦對(duì)他論文的課題發(fā)生興趣的直接原因，是克勞修斯(Clausius

6、)的論文中將熱看成是一種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，使他想對(duì)安卓士l869年證明氣體存在臨界溫度時(shí)所作的實(shí)驗(yàn)尋找一種解釋。凡得瓦的天才在於，他發(fā)現(xiàn)必須考慮分子的體積和分子間的作用力(現(xiàn)在一般稱(chēng)為凡得瓦力)，才能建立氣體和液體的壓力（壓強(qiáng)）、體積、溫度之間的關(guān)係。 凡得瓦經(jīng)過(guò)艱苦的努力，於1880年發(fā)表了第二項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)他稱(chēng)之為“對(duì)應(yīng)態(tài)定律”。這個(gè)定律指出：如果壓力（壓強(qiáng)）表示成臨界壓力（壓強(qiáng)）的單調(diào)函數(shù)，體積表示成臨界體積的單調(diào)函數(shù)，溫度表示成臨界溫度的單調(diào)函數(shù)，就可得到適用於所有物質(zhì)的物態(tài)方程的普遍形式：在這個(gè)方程中，原來(lái)在凡得瓦方程中的a、b、R這三個(gè)常數(shù)可用特殊物質(zhì)的臨界值p、q來(lái)表示。正是由於在這個(gè)

7、定律的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，杜而(Dewar)才在1898年製成了液態(tài)氫，卡末林-昂納斯在1908年製成了液態(tài)氦，並因此榮獲1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?？┝?昂納斯在1910年寫(xiě)道：“我們一直把凡得瓦的研究看成是實(shí)驗(yàn)取得成功的關(guān)鍵，萊頓的低溫實(shí)驗(yàn)室就是在他的理論影響下發(fā)展起來(lái)的?！?十年後，即1890年，關(guān)於“二元溶液理論”的第一篇論文在荷蘭年鑑上刊出，這是凡得瓦的又一項(xiàng)重大成就。他把物態(tài)方程和熱力學(xué)第二定律結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造了一種圖示法，以吉布斯在“非均勻物質(zhì)的平衡”這篇論文中首次提出的形式用一個(gè)面表示他的數(shù)學(xué)公式。為紀(jì)念吉布斯，他把這個(gè)面稱(chēng)為“Y面”，因?yàn)榧妓褂孟ＥD字母Y作為自由能的符號(hào)，他認(rèn)為

8、自由能對(duì)平衡有著重大意義。二元混合物理論引起了一系列實(shí)驗(yàn)，其中庫(kù)恩(J. P. Kuenen)的實(shí)驗(yàn)是最早的實(shí)驗(yàn)之一。庫(kù)恩發(fā)現(xiàn)，臨界現(xiàn)象的特徵完全可由理論預(yù)言。關(guān)於這個(gè)課題的報(bào)告後來(lái)收編進(jìn)了凡得瓦和柯恩斯塔姆教授合著的熱力學(xué)教程之中。 還應(yīng)當(dāng)提到的是凡得瓦的毛細(xì)現(xiàn)象熱力學(xué)理論，其基本形式第一次出現(xiàn)在l893年。這一理論認(rèn)為，在液體和蒸氣之間的邊界層存在著密度連續(xù)的但又十分迅速的變化。這個(gè)觀點(diǎn)和吉布斯的不同，吉布斯則假設(shè)從液體到蒸氣之間密度是突變的。拉普拉斯(Laplace)早年建立了毛細(xì)現(xiàn)象的理論，凡得瓦卻認(rèn)為分子永遠(yuǎn)在作高速運(yùn)動(dòng)。在臨界溫度附近所作的關(guān)於這個(gè)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)支援了凡得瓦的觀點(diǎn)。 凡得瓦獲得了許多榮譽(yù)，特別應(yīng)提到的是：他是劍橋大學(xué)的榮譽(yù)博士，莫斯科帝國(guó)