Введение

Американский физический химик (1875–1946)

Гарвард, Манила и МТИ

После пребывания в лаборатории Нернста Льюис вернулся в Гарвард в 1901 году и преподавал там еще три года в качестве инструктора. Он был назначен инструктором по термодинамике и электрохимии. В 1904 году Льюису предоставили отпуск, и он стал руководителем Бюро мер и весов при Научном бюро в Маниле, Филиппины. В следующем году он вернулся в Кембридж, штат Массачусетс, где Массачусетский технологический институт (MIT) назначил его на преподавательскую должность, предоставив возможность работать в группе выдающихся физико-химиков под руководством Артура Амоса Нойса. В 1907 году он стал ассистент-профессором, в 1908 году – доцентом, а в 1911 году – полным профессором.

Калифорнийский университет, Беркли

Г. Н. Льюис покинул МТИ в 1912 году, чтобы стать профессором физической химии и деканом колледжа химии в Калифорнийском университете в Беркли. 21 июня 1912 года он женился на Мэри Хинкли Шелдон, дочери профессора романских языков Гарвардского университета. У них родилось двое сыновей, оба из которых стали профессорами химии, и дочь. В 1913 году он вступил в братство Альфа Чи Сигма в Беркли, профессиональное химическое братство. Выпускники Льюиса в Беркли добились выдающихся успехов, отмеченных Нобелевским комитетом. В конечном итоге 14 Нобелевских премий были присуждены его ученикам. Среди наиболее известных – Гарольд Юри (Нобелевская премия 1934 года), Уильям Ф. Гиаук (Нобелевская премия 1949 года), Гленн Т. Сиборг (Нобелевская премия 1951 года), Уиллард Либби (Нобелевская премия 1960 года) и Мелвин Кальвин (Нобелевская премия 1961 года). Благодаря его усилиям колледж химии в Беркли стал одним из ведущих химических центров в мире. В Беркли он также отказывал женщинам в доступе к образованию, в том числе не позволял Маргарет Мелхаз заниматься аспирантурой. Мелхаз ранее совместно с Сиборгом открыла цезий-137, будучи студенткой. В 1913 году он был избран в Национальную академию наук, а в 1918 году – в Американское философское общество. Он подал в отставку в 1934 году, отказавшись назвать причину; предполагается, что это было связано со спором по поводу внутренней политики общества или с неудачей тех, кого он номинировал на избрание. Его решение об отставке могло быть также вызвано обидой на присуждение Нобелевской премии по химии в 1934 году его ученику Гарольду Юри за изоляцию дейтерия в 1931 году и подтверждение его спектра. Льюис почти наверняка считал, что должен был разделить эту награду за свои усилия по очистке и характеристике тяжелой воды.

Смерть

23 марта 1946 года аспирант обнаружил безжизненное тело Льюиса под лабораторным столом в Беркли. Льюис работал над экспериментом с жидким цианистым водородом, и смертельные пары, вытекшие из поврежденной линии, заполнили лабораторию. Судмедэксперт установил причиной смерти ишемическую болезнь сердца, поскольку признаков цианоза не было обнаружено, однако некоторые полагают, что это могло быть самоубийство. Профессор-эмерит Берклийского университета Уильям Джолли, описавший различные точки зрения на смерть Льюиса в своей истории колледжа химии Беркли, опубликованной в 1987 году под названием «От реторты до лазера», писал, что один из руководителей кафедры считал, что Льюис совершил самоубийство.

Термодинамика

Большинство устойчивых интересов Льюиса зародились в годы обучения в Гарварде. Наиболее важной была термодинамика, область, в которой Ричардс был очень активен в то время. Хотя к 1895 году большинство важных термодинамических соотношений уже были известны, они рассматривались как изолированные уравнения и еще не были систематизированы в логическую систему, из которой, зная одно соотношение, можно было бы вывести остальные. Более того, эти соотношения были неточными и применимы только к идеальным химическим системам. Это были две основные проблемы теоретической термодинамики. В двух объемных и амбициозных теоретических работах, опубликованных в 1900 и 1901 годах, Льюис попытался найти их решение. Льюис ввел термодинамическое понятие активности и предложил термин "убегаемость" (fugacity). Его новая идея об убегаемости, или "тенденции к уходу", представляла собой функцию с размерностью давления, выражающую стремление вещества переходить из одной химической фазы в другую. Льюис полагал, что убегаемость является фундаментальным принципом, на основе которого можно построить систему реальных термодинамических соотношений. Эта надежда не оправдалась, хотя убегаемость заняла прочное место в описании реальных газов. Ранние работы Льюиса также демонстрируют необычно глубокое понимание идей свободной энергии и термодинамического потенциала, выдвинутых Дж. В. Гиббсом и П. Дюгемом. Эти идеи были хорошо известны физикам и математикам, но не большинству практических химиков, которые считали их отвлеченными и неприменимыми к химическим системам. Большинство химиков опирались на привычную термодинамику тепла (энтальпию) Бертело, Оствальда и Ван-т-Гоффа, а также на калориметрическую школу. Тепло реакции, разумеется, не является мерой тенденции к протеканию химических изменений, и Льюис осознал, что только свободная энергия и энтропия могут обеспечить точную химическую термодинамику. Он выводил свободную энергию из убегаемости; он безуспешно пытался получить точное выражение для функции энтропии, которая в 1901 году еще не была определена при низких температурах. Ричардс также пытался, но потерпел неудачу, и только после успеха Нернста в 1907 году стало возможным однозначно рассчитывать энтропии. Хотя система Льюиса, основанная на убегаемости, не получила дальнейшего развития, его ранний интерес к свободной энергии и энтропии оказался чрезвычайно плодотворным, и значительная часть его карьеры была посвящена тому, чтобы сделать эти полезные концепции доступными для практических химиков. В Гарварде Льюис также написал теоретическую работу о термодинамике излучения абсолютно черного тела, в которой он предположил, что свет обладает давлением. Позже он признался, что его старшие, более консервативные коллеги отговорили его от развития этой идеи, не подозревая, что Вильгельм Вин и другие успешно двигались по тому же пути. Работа Льюиса осталась неопубликованной, но его интерес к радиации, квантовой теории, а затем и к теории относительности, возник из этих ранних, несостоявшихся попыток. С самого начала своей карьеры Льюис считал себя и химиком, и физиком.

Теория валентности

Около 1902 года Льюис начал использовать неопубликованные рисунки кубических атомов в своих лекционных заметках, в которых углы куба представляли возможные положения электронов. Позже Льюис сослался на эти заметки в своей классической работе 1916 года о химической связи, считая их первым выражением своих идей. Третьим важным направлением, возникшим в годы обучения Льюиса в Гарварде, была его теория валентности. В 1902 году, пытаясь объяснить законы валентности своим студентам, Льюис пришел к идее, что атомы построены из концентрических кубов с электронами в каждом углу. Этот «кубический атом» объяснял периодичность, охватывающую восемь элементов в периодической таблице, и соответствовал широко распространенному мнению о том, что химические связи образуются путем переноса электронов, обеспечивая каждому атому полный набор из восьми. Эта электрохимическая теория валентности нашла наиболее полное выражение в работе Ричарда Абегга в 1904 году, однако именно версия Льюиса была воплощена в конкретной атомной модели. Эта теория не вызвала интереса у его гарвардских наставников, которые, как и большинство американских химиков того времени, не одобряли подобные спекуляции. Льюис не опубликовал свою теорию кубического атома, но в 1916 году она стала важной частью его теории ковалентной связи, основанной на общей электронной паре. В 1916 году он опубликовал свою классическую статью о химической связи «Атом и молекула», в которой сформулировал идею, впоследствии известную как ковалентная связь, состоящую из общей пары электронов, и ввел термин «нечетная молекула» (современный термин – свободный радикал) для случая, когда электрон не образует пару. Он также включил то, что стало известно как структуры Льюиса, а также кубическую модель атома. Эти идеи о химической связи были развиты Ирвингом Лангмуиром и послужили вдохновением для исследований природы химической связи, проведенных Линусом Полингом.

Кислоты и основания

В 1923 году он сформулировал теорию электронных пар кислотно-основных реакций. В этой теории кислот и оснований "кислота Льюиса" является акцептором электронной пары, а "основание Льюиса" – донором электронной пары. В этом же году он опубликовал монографию, посвященную своим теориям химической связи. Основываясь на работах Дж. Уилларда Гиббса, было известно, что химические реакции протекают до состояния равновесия, определяемого свободной энергией участвующих веществ. Льюис посвятил 25 лет определению свободных энергий различных веществ. В 1923 году он и Мерл Рэндалл опубликовали результаты этого исследования, которые способствовали формализации современной химической термодинамики.

Тяжелая вода

Льюис первым получил чистый образец оксида дейтерия (тяжелой воды) в 1933 году и первым изучил выживание и рост живых организмов в тяжелой воде. Ускоряя дейтероны (ядра дейтерия) в циклотроне Эрнеста О. Лоуренса, он смог исследовать многие свойства атомных ядер. В 1930-х годах он был научным руководителем Гленна Т. Сиборга, который остался работать в качестве постдокторанта и личного научного ассистента Льюиса. Сиборг впоследствии получил Нобелевскую премию по химии в 1951 году, а элемент сиборгий был назван в его честь при его жизни.

O4 Тетрокислород

В 1924 году, изучая магнитные свойства растворов кислорода в жидком азоте, Льюис обнаружил образование молекул O4. Это было первым свидетельством существования тетраатомного кислорода.

Относительность и квантовая физика

В 1908 году он опубликовал первую из нескольких статей по теории относительности, в которых вывел соотношение между массой и энергией другим способом, нежели Альберт Эйнштейн. В 1909 году он и Ричард Толман объединили его методы со специальной теорией относительности. В 1912 году Льюис и Эдвин Бидвелл Уилсон представили значительную работу по математической физике, в которой не только применили синтетическую геометрию к изучению пространства-времени, но и указали на тождество преобразования сжатия пространства-времени и преобразования Лоренца. В 1926 году он ввел термин "фотон" для обозначения наименьшей единицы излучаемой энергии (света). Фактически, результат его письма в журнал Nature оказался не тем, на который он рассчитывал. В письме он предложил рассматривать фотон как структурный элемент, а не как энергию. Он настаивал на необходимости введения новой переменной – числа фотонов. Хотя его теория отличалась от квантовой теории света, предложенной Альбертом Эйнштейном в 1905 году, именно его имя закрепилось за тем, что Эйнштейн называл квантом света (Lichtquant в немецком языке).

Другие достижения

В 1921 году Льюис первым предложил эмпирическое уравнение, описывающее отклонение сильных электролитов от закона действующих масс – проблему, которая в течение двадцати лет ставила в тупик физико-химиков. Его эмпирические уравнения для величины, которую он назвал ионной силой, впоследствии были подтверждены как согласующиеся с уравнением Дебая–Хюкеля для сильных электролитов, опубликованным в 1923 году. На протяжении своей карьеры Льюис публиковался по многим другим вопросам, помимо упомянутых в данной статье, от природы световых квантов до экономики стабилизации цен. В последние годы жизни Льюис и его аспирант Майкл Каша, последний научный сотрудник, установили, что фосфоресценция органических молекул связана с излучением света одним электроном, находящимся в возбужденном триплетном состоянии (состояние, в котором спиновые векторы двух электронов ориентированы в одном направлении, но в разных орбиталях), и измерили парамагнетизм этого триплетного состояния.