杜瓦制造出固态气体

■萧如珀、杨信男/译

■译自 APS News，2007 年 12 月

■原标题：《1938 年 12 月：核分裂的发现》

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（SirJames 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），在家里是六兄弟中最小的。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）。

杜瓦拿着杜瓦瓶

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 。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，著名的物理学家法拉第（Michael Faraday）已成功地将大部分已知的气体液化，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凯泰（Louis Cailletet）和皮克泰（RaoulPictet）分别将温度降低至 80 K，很不容易地制造出液态氧和氮。

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，还示范了凯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，杜瓦已经可以大量制造液态氧，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从周遭的空气中吸热，而蒸发回到气体的状态。他试过使用充满粉状软木或干草的箱子，其中还包括他太太的帽箱。

1892～1895 年间，杜瓦还和弗莱明（AmbroseFleming）一起研究超低温气体的电性质。他发现冷却的木炭有助于制造出高度的真空，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。他的科学家同事昂内斯（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 月做了六次一系列的圣诞演讲，1894 年 1 月做结论时，在演讲厅液化了一些空气给观众看。他示范说，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 日的会议中制造出固态的空气。

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），营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 13 K，此温度除了氦外，可以液化任一种气体。

第一个成功液化氦气的荣誉终于在 1908 年落在昂内斯身上，他利用了杜瓦开创的方法。昂内斯于 1908 年 3 月 5 日发了一电 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。”

昂内斯因此研究于1913 年获得诺贝尔物理学奖，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著名奖章。他于 1904 年被封为爵士。

杜瓦于 19 世纪 80 年代末期在政府炸药委员会任职，他和同事阿贝耳（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划，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。

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。