Ленгмюр (Lengmuir), Ирвинг

Американский химик Ирвинг Ленгмюр родился в Нью-Йорке, в Бруклине. Он был третьим ребенком в семье Чарльза и Сэйди (Каминг) Ленгмюр. Отец его, шотландец по происхождению, работал страховым агентом, а род его матери восходил к первым английским переселенцам-пуританам, которые высадились на землю Северной Америки с корабля «Мейфлауэр» в 1620 г. Ленгмюр посещал школы в Париже, Нью-Йорке и Филадельфии, а затем поступил в Институт Пратта в Бруклине, который окончил в 1899 г.

Став студентом Колумбийского университета, Ленгмюр записался и в Горный институт, поскольку, как он объяснял позднее, «там давали хорошую подготовку по химии». «Знаний по физике там давали больше, чем на химическом отделении, по математике – больше, чем на физическом, а я хотел изучить все три эти дисциплины». В 1903 г. он получил диплом инженера-металлурга и уехал в Германию, где продолжил свое обучение в Геттингенском университете под руководством физикохимика Вальтера Нернста. Занимаясь исследовательской работой в Геттингене, Ленгмюр сосредоточил внимание на диссоциации различных газов при соприкосновении с раскаленной платиновой проволокой – теме, тесно связанной с его будущими промышленными исследованиями электрического освещения. В 1906 г. Геттингенским университетом ему была присуждена докторская степень.

Получив два образования – химическое и по математической физике, – Ленгмюр встал перед выбором: начинать ли свою карьеру в высокооплачиваемой сфере промышленной химии, как это сделал его старший брат Артур, или посвятить свою жизнь фундаментальным научным исследованиям? Отдав предпочтение последнему, он вернулся в Америку и в течение трех лет работал преподавателем химии в Стивенсоновском технологическом институте в Хобокене (штат Нью-Джерси).

Поскольку Ленгмюр обнаружил, что у него остается слишком мало времени на проведение собственных исследований, он летом 1909 г. ушел из технологического института в научно-исследовательскую лабораторию компании «Дженерал электрик» в Шенектаде (штат Нью-Йорк). Лаборатория «Дженерал электрик», которой тогда руководил Уиллис Р. Уитни, разрабатывала новую концепцию промышленных исследований. Дело в том, что первоначально промышленное применение электричества приносило доход благодаря знаниям, которые были собраны академическими учеными в XIX столетии. Затем, в первом десятилетии XX в., руководство «Дженерал электрик» решило, что компания должна внести свой вклад в развитие научных знаний. Уитни, который в свое время пришел сюда по окончании Массачусетского технологического института, поощрял желание Ленгмюра разработать собственную программу исследований. Свобода и великолепные возможности, которые предоставлялись в лаборатории для проведения научных исследований, открыли перед Ленгмюром весь спектр тех спорных и важных проблем, которые он решал на протяжении своей профессиональной деятельности.

В основе его первого крупного вклада в науку лежали исследования, проведенные им в ходе подготовки докторской диссертации. Они касались характеристик нитей по их способности гореть в различных газах. Через три года после того, как Ленгмюр начал работать в компании «Дженерал электрик», он оспорил общепринятое среди инженеров-электриков представление о том, что безукоризненная лампа получается благодаря безукоризненному вакууму. Вместо этого он доказал, что если колба электрической лампы наполнена азотом, то лампа светит сильнее и ярче, чем любая другая. Простота и эффективность новой электрической лампы обеспечивала экономию огромного количества энергии (что в свою очередь позволяло потребителям экономить приблизительно миллион долларов в день на счетах за электричество) и принесла большую прибыль компании «Дженерал электрик».

Интерес Ленгмюра к явлениям, связанным с вакуумом, привел его к изобретению в 1916 г. ртутного высоковакуумного насоса. Этот насос был в 100 раз более мощным, чем любой из ранее существовавших, и с его помощью Ленгмюру удалось создать низкое давление, необходимое для изготовления вакуумных трубок, которые применяются в радиотехнике. Приблизительно в это же время Ленгмюр подверг анализу узкую пластинку вольфрама, покрытую оксидом тория, с целью установить ее способность испускать электроны. Он обнаружил, что вольфрамовая нить «ведет себя лучше всего», если она покрыта слоем оксида тория толщиной всего в одну молекулу. Это открытие заставило Ленгмюра обратиться к изучению поверхностных явлений – молекулярной активности, которая наблюдается в тонких покрытиях или на поверхностях. В этом фактически двухмерном мире он изучал адсорбцию и поверхностное напряжение, а также поведение тонких покрытий жидких и твердых тел. Адсорбцию – способность определенных веществ удерживать на своей поверхности молекулы других веществ – исследовали в XIX в. шотландский химик Джеймс Дьюар и американский физик Джозайя Уиллард Гиббс. Однако обобщенная, опирающаяся на результаты экспериментов концепция все еще не была выработана.

Основываясь на имеющихся достижениях в области теории строения атома, Ленгмюр описал химическое поведение поверхностей как поведение отдельных атомов и молекул, которые занимают определенные места, подобно фигурам на шахматной доске. Он также установил, что в явлении адсорбции принимают участие 6 сил: кулоновские силы, дипольные межмолекулярные силы, валентные силы, силы притяжения Вандер-Ваальса (названные так по имени Яна Дидерика Ван-дер-Ваальса), силы отталкивания, вызываемые непроницаемостью заполненных электронных оболочек, и электронное давление, которое уравновешивает силы кулоновского взаимодействия. Во время первой мировой войны Ленгмюру пришлось прервать изучение химии поверхностей, так как он разрабатывал механизм обнаружения подводных лодок для военно-морских сил США.

После войны Ленгмюр заинтересовался атомной структурой, в особенности вопросами, лежащими на стыке химии и физики. Опираясь на модель атома, предложенную Нильсом Бором, и химические теории Джилберта Ньютона Льюиса, Ленгмюр внес свой вклад в развитие учения об атоме, описав химическую валентность (способность атомов образовывать химические связи) как зависящую от заполнения электронами электронной «оболочки», которая окружает атомное ядро.

В 1923 г. Ленгмюр приступил к продолжавшемуся в течение девяти лет исследованию свойств электрических разрядов в газах. Ученый ввел термин «плазма» для ионизированного газа, который образовывался, когда в ходе экспериментов применялись чрезвычайно мощные переменные токи. Он также разработал теорию электронной температуры и способ измерения как электронной температуры, так и ионной плотности с помощью специального электрода, называемого теперь щупом Ленгмюра. Контролируемый термоядерный синтез основывается на теориях плазмы, которые были впервые выдвинуты Ленгмюром.

В 1932 г. Ленгмюру была присуждена Нобелевская премия по химии «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений». Его вклад в химию поверхностных процессов имел очень большое значение для многих технических областей: в биологии – для изучения сложных вирусов, в химии – для исследования гигантских молекул, в оптике – для изучения передачи света. В год получения Нобелевской премии Ленгмюр был назначен директором лаборатории компании «Дженерал электрик».

Начиная с 1938 г. и до выхода в отставку Ленгмюр посвятил себя изучению мира природы, особенно атмосферы. Он исследовал форму рядов, образованных скошенной травой, которые представляют собой типичный рисунок морских водорослей на открытой ветрам поверхности моря, а также формирование облаков из находящихся в воздухе жидких частиц различных размеров. Во время второй мировой войны Ленгмюр участвовал в создании аппаратуры, обеспечивающей дымовую завесу, которая скрывала войска и корабли от наблюдения противника. Ученый работал также над созданием методов предотвращения оледенения самолетов. После войны Ленгмюр вернулся к интересовавшим его занятиям метеорологией и выступал за создание контроля над погодой, осуществляемого путем рассеивания облаков с помощью сухого льда (твердой углекислоты) и йодида серебра.

В 1912 г. Ленгмюр женился на Мэрион Мерсеро. Супругов объединяли такие увлечения, как походы в горы, морские путешествия, авиация, любовь к классической музыке. Ленгмюры воспитывали приемных сына и дочь. Ленгмюр, которого постоянно приглашали выступать в качестве лектора и популяризатора научных знаний, с удовольствием делился своими взглядами на философию науки и взаимоотношение науки и общества. Одной из его наиболее любимых тем была: «Свобода, которая характерна для демократии и необходима для научных открытий». Ученый умер 16 августа 1957 г. в Вудс-Холе (штат Массачусетс).

Помимо Нобелевской премии, Ленгмюр получил много других наград, в т. ч. медаль Хьюза Лондонского королевского общества (1918), медаль Румфорда Американской академии наук и искусств (1920), медали Николса (1920) и Уилларда Гиббса (1930) Американского химического общества, медаль Франклина Франклиновского института (1934) и медаль Фарадея Лондонского института инженеров-электриков (1944). Он был членом американской Национальной академии наук и Лондонского королевского общества, президентом Американского химического общества (1929) и Американской ассоциации содействия развитию науки (1941). Ленгмюру были присвоены 15 почетных ученых степеней. Его именем названа гора на Аляске, а также один из колледжей Нью-Йоркского государственного университета в Стони-Брук.