【物理史中的四月】1916 年 4 月 18 日:朗謬爾(Irving Langmuir)取得白熾燈的專利

1916 年 4 月 18 日:朗謬爾(Irving Langmuir)取得白熾燈的專利

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2003 年 4 月)

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朗謬爾(Irving Langmuir)

朗謬爾(Irving Langmuir)出生在紐約布魯克林,從小父母就鼓勵他細心觀察自然,詳實做記錄。他也受到化學家哥哥阿瑟(Arthur)的影響,阿瑟幫他在他臥房的一角設立第一個實驗室。

1892 年,朗謬爾一家搬到巴黎,回到美國後,朗謬爾畢業於布魯克林普瑞特學院附屬中學(the Pratt Institute’s Manual Training High School),1903 年在哥倫比亞大學礦冶學院(Columbia University School of Mines)獲得冶金工程學士。

朗謬爾在哥廷根大學(Göttingen University)上研究所,追隨能斯特(Walter Nernst,1920年諾貝爾化學獎)做研究。能斯特既是理論家,也是「能斯特燈」,一種電燈的發明者。

1906 年,朗謬爾獲得博士學位,論文使用能斯特燈做研究,去測定熱鉑絲週遭不同氣體的反應。此研究奠定他日後許多興趣的基礎。

之後,朗謬爾回到美國,在位於紐澤西州何波肯的史蒂文斯理工學院(Stevens Institute of Techonology in Hoboken, New Jersey)教化學。

1909 年夏天,朗謬爾在紐約斯克內塔第的奇異(General Electric Company)訪問研究,隨即接受那裏的研究員職位。他早期的研究集中在使用燈泡來研究不同溫度和壓力下的氣體,類似他在哥廷根的博士論文研究。

朗謬爾第一個計畫是要解決奇異當時面臨的新鎢絲燈泡的問題:當燈泡內充滿著揮發的鎢絲時,燈會「變黑」或變暗。根據朗謬爾對熱鎢絲催化的化學反應研究,他發現加入氮氣會降低鎢絲揮發的過程,且細的鎢絲比粗的鎢絲更快發熱,而盤繞的鎢絲會像條狀的燈絲一樣發熱。他主張在燈泡內加氮(後來加氬)氣,並將燈絲繞成螺旋狀以抑制鎢絲的揮發。

朗謬爾改良後的燈泡於 1916 年 4 月 18 日取得專利,很快地把能斯特燈,以及其他類似的燈都淘汰,是目前仍在使用的設計的基礎。

然而,朗謬爾最為人稱道的研究是他在表面化學方面的研究,以及詳細闡述最先由路易斯(Gilbert Lewis)所提出的以電子說明化學鏈結的理論。

在路易斯模型中,8 個電子分據在立方體 8 個頂角而形成平衡穩定組(八隅體規則)。朗謬爾主張,這些八隅體也可由 2 個原子間的共享電子形成:共價鍵。

在表面化學領域,他發展出吸附的新概念,說明每一個撞擊表面的分子在揮發之前都會和表面黏結著,因而形成緊密的單分子層。1932 年,朗謬爾因此研究獲得諾貝爾化學獎,是第一個非學術界化學家獲此殊榮的。

在朗謬爾漫長且成就豐碩的生涯中,他在物理和化學方面還做出許多其他的貢獻。他發現原子形式的氫,進而發展出原子氫焊接焰,所產生的火焰溫度極高(3400-4000℃),現在仍被用來焊接一般氧乙炔無法熔化的金屬。他的研究也最先清楚地描述了熱離子發射:熱金屬釋放電粒子的流動。

朗謬爾是最先研究電漿者之一,事實上他是第一個使用這個名詞來描述這種具有獨特電磁性質的電離子氣體的聚集體。他也提出電子溫度的概念,還發明熱離子探針儀器來測量它。

不僅如此,他的研究也有助於發展用來贏得兩次世界大戰的科技:第一次世界大戰偵測潛水艇的設施,後來朗謬爾用它來改良錄音的品質;第二次世界大戰他負責防護罩與掩蔽煙幕的開發,以及飛行機翼除冰的方法。戰後煙霧的研究使用乾冰粒和碘化銀晶體催雲造雨,在天氣控管方面產生一些爭議性。

除了科學外,朗謬爾其他的興趣也很廣泛。阿拉斯加的朗謬爾山以他命名;他終生熱愛登山,爬過阿爾卑斯山最著名的馬特洪峰(the Matterhorn),也到紐約州東北部的阿第倫達克山脈(the Adirondacks)探險。他還駕駛飛機、滑雪、溜冰、曾經一天行走 52 哩。朗謬爾是他孫子薩蒙黑斯(Roger Summerhayes)於1999所執導的公共電視紀錄影片《朗謬世界》(Langmuir’s World)的主題。

朗謬爾的奇異同事馮內古特(Bernard Vonnegut)是美國名小說家庫爾特‧馮內古特(Kurt Vonnegut)的哥哥,因此關係,朗謬爾成了馮內古特科幻小說《貓的搖籃》(Cat’s Cradle)中一個角色的典型。

朗謬爾也提出固態水的概念,認為可能有一種冰在常溫下是結晶狀的,馮內古特稱它為「ice-nine」(冰-9)。1957 年,朗謬爾在麻薩諸塞州伍茲霍爾(Woods Hole, Massachusetts)過世。

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