物理群星
瓦尔特·能斯特 肖像

图:Nicola Perscheid 摄,1906 年前(公有领域,维基共享资源)

瓦尔特·能斯特

Walther Nernst

1864–1941 · 生于普鲁士王国西普鲁士省布里森(今波兰瓦布热兹诺) · 德国

热学与统计凝聚态

写下电池电动势的公式,提出热力学第三定律,把固体比热一路测到液氢温度,又说动一位实业家出钱召开了第一届索尔维会议

诺贝尔化学奖 1920 表彰他在热化学方面的工作

「化学亲和力与反应热在低温下总是变得相同——不是在绝对零度处相交,而是在到达绝对零度之前一段距离就已经实际上相同;换句话说,两条曲线在绝对零度附近彼此相切。」

—— 能斯特 1920 年度诺贝尔化学奖演讲(1921 年 12 月),回述他 1906 年的热定理

1910 年初,柏林的能斯特把几种固体的比热测到了液态空气的温度,发现它们都在往下掉,而且掉的方式和一位专利局职员三年前的预言大体相符。据爱因斯坦当年的书信,能斯特随即专程去了一趟苏黎世,看看写出这个理论的年轻人到底是谁。一年后,他说动一位比利时实业家出钱,把欧洲最好的物理学家请到布鲁塞尔一家旅馆,专门讨论「量子」这件怪事。

能斯特自认是化学家,诺贝尔奖也是化学奖。但他留给物理学的东西——热力学第三定律、低温比热的数据、第一届索尔维会议——每一件都落在量子论最需要的地方。

从磁场里的热流到莱比锡

他 1864 年生在西普鲁士的小城布里森,父亲是地方法官。大学先后读了苏黎世、柏林、格拉茨和维尔茨堡:在格拉茨,玻尔兹曼是那里的物理教授,他跟埃廷斯豪森一起发现,让热流穿过一块放在磁场里的金属板,板的两侧会出现电压——这就是后来的埃廷斯豪森-能斯特效应,他 1887 年在维尔茨堡跟 F. Kohlrausch 拿博士学位,论文写的正是它。

毕业后他去了莱比锡,给奥斯特瓦尔德当助手。那里是新兴的物理化学的大本营:范托夫刚把稀溶液的渗透压写成和理想气体一样的公式,阿伦尼乌斯刚提出盐在水里会自己拆成带电的离子。能斯特后来在诺贝尔演讲里说,正是范托夫的渗透压、阿伦尼乌斯的电离理论和奥斯特瓦尔德教科书里的平衡处理,让他 1889 年的电池理论成为可能。

电池里的「溶解压」

1889 年他问了一个具体的问题:一块金属泡在含有它自己离子的溶液里,电位是怎么来的?他的回答是一场拉锯。金属有一种把离子推进溶液的倾向,他称为「电解溶解压」;溶液里已经有的离子则以渗透压往回顶。两者不平衡,离子就进出,电荷在界面上积累,直到电场把拉锯压住——这时的电位差就是电极电位。

按这个图像算下来,电位随离子浓度的对数变化:

E=E∘−RTzFln⁡QE = E^{\circ} - \frac{RT}{zF}\ln Q

今天的教科书不再用「溶解压」,而是从自由能 ΔG=−zFE\Delta G = -zFE 出发推出同一条式子。但对数关系、温度前因子、每十倍浓度约 59 毫伏的斜率,都是 1889 年的样子。同年他还推出了难溶盐从饱和溶液中析出的条件,两年后又提出溶质在两种互不相溶液体间分配的「分配定律」。

哥廷根:一盏不用真空的灯

1894 年,慕尼黑和柏林都请他去当物理教授,他却选了哥廷根新设的物理化学教席,在那里建起物理化学与电化学研究所,一待十一年。

这位教授极有商业头脑。1897 年他发明了一种电灯:发光体不是碳丝,而是一根氧化锆一类的陶瓷棒。这种材料冷时不导电,预热之后才导电发光,好处是不怕空气、不需要抽真空的玻璃泡。他 1898 年把专利卖给了德国通用电气公司(AEG),据德文传记材料所记,价钱超过一百万马克。诺贝尔基金会的传略评价说,要不是钽丝与钨丝灯泡随后问世,这盏灯本可能很重要。照明市场上它很快被淘汰了,但同样原理的「能斯特发光棒」此后几十年一直是红外光谱仪里的标准光源。

热定理:两条曲线在零度附近相切

十九世纪的化学家有一条好用的经验规则,贝特洛原则:放热越多的反应越容易进行。它常常对,但熔化这类吸热却自发的过程就说不通。热力学早就说明了原因——决定反应方向的是自由能 ΔG\Delta G,它与反应热 ΔH\Delta H 差一个 TΔST\Delta S——但熵变没法直接从热量测量里得到,于是「只凭热数据算出平衡」一直做不到。

1905 年 12 月,能斯特在哥廷根科学院报告了他的解决办法,次年发表为《由热测量计算化学平衡》。他在 1921 年的诺贝尔演讲里这样回述:

化学亲和力与反应热在低温下总是变得相同——不是在绝对零度处相交,而是在到达绝对零度之前一段距离就已经实际上相同;换句话说,两条曲线在绝对零度附近彼此相切。

「相切」这一个条件,等于说凝聚态物质之间反应的熵变在绝对零度趋于零。于是只要把参与反应的各物质的比热一直测到很低的温度,就能把自由能积分出来,平衡常数随之可算。贝特洛原则为什么常常对也清楚了:放热很多、温度又不太高时,比热的修正相对很小。

这条定理很快被推广。普朗克 1911 年主张更强的说法:凝聚态(固体或液体)的化学均一物质,熵本身在绝对零度就是零;后来发现玻璃与冰都有例外,今天的教科书把它收窄为「完美晶体」。能斯特自己在 1912 年给出了另一种表述:不可能用有限的步骤把一个物体冷却到绝对零度。这句话后来成了第三定律最常被引用的形式。但它从热定理推出的论证当时并不严密;据 Kox 2006 年的研究,1911 到 1916 年间爱因斯坦在书信与讨论中对它屡有质疑,对厘清热定理的适用范围起了重要作用。

把比热测到液氢温度

热定理要成立,比热在低温下必须趋于零——而按经典的能量均分,固体比热应该是个与温度无关的常数。能斯特于是让柏林的研究所去测低温比热。他在诺贝尔演讲里说,所里为验证热定理做了一百多项实验研究。

1910 年前后的数据给出了清楚的答案:银、铜、铅、金刚石的比热在低温下一路下降。能斯特很快意识到,这正是爱因斯坦 1907 年用量子化振子预言过的行为,并公开把它当作量子论的证据——在此之前,爱因斯坦那篇比热论文少有人响应。

但数据也显示爱因斯坦的曲线掉得太快。1911 年,能斯特与年轻的英国人林德曼凑出一条半经验公式,一半权重给频率 ν\nu,一半给 ν/2\nu/2,与测量符合得好得多,却讲不出道理。一年后德拜用晶体的整个振动谱给出了解释,得到低温下的 T3T^{3} 律。能斯特在诺贝尔演讲里的原话是:德拜「在我的实验结果的基础上」证明了这一点,随后他的实验室在许多物质上确证了它。

1911 年的布鲁塞尔

量子这件事在 1910 年还只是少数人的困扰。能斯特想把它摆上台面。他说动比利时化学实业家欧内斯特·索尔维出钱,邀请欧洲主要的物理学家到布鲁塞尔开一次闭门会议。据 Mehra 与 Barkan 的叙述,普朗克起初觉得时机未到,能斯特坚持办了下来。

1911 年 10 月 30 日到 11 月 3 日,第一届索尔维会议以「辐射理论与量子」为题召开,洛伦兹主持,与会的有普朗克、爱因斯坦、居里、庞加莱、卢瑟福、索末菲等人。能斯特自己在学术上退居幕后,只作了量子论在物理化学问题上应用的报告。此后索尔维会议成了物理学的固定节目,1927 年那一届的量子力学论战最为有名。

两年后,他和普朗克一起到苏黎世,劝爱因斯坦来柏林:普鲁士科学院院士的薪俸、不必授课,外加一个为他筹建的研究所。爱因斯坦 1914 年春天到了柏林。

与哈伯:氨与恩怨

能斯特对热定理的第一批应用之一是氨的合成平衡。他与学生在高压下测了氮与氢化合的平衡,得到的氨含量比哈伯此前的数据低。1907 年 5 月在汉堡的本生学会年会上,他公开批评哈伯的数字不准。

哈伯把这当作羞辱,与助手 Le Rossignol 在更高的压力下重做测量。这批数据最终把他引向了高压合成氨,也就是后来的哈伯-博施法。怎样分配这件事的功劳,科学史家各有侧重:Johnson 2022 年的专著《制造氨》把两人 1905 到 1908 年间的论文逐篇并排分析,把这项发现写成两人往来交锋的结果,而不只是哈伯一方的故事。

据德文传记材料的归纳,两人在帝国时期关系疏远:争经费、争人手,也有学术上的分歧和能斯特出了名的刻薄;但与勒纳德、斯塔克等人不同,他从未拿哈伯的犹太出身攻击哈伯。

战争:刺激性炮弹、迫击炮与两个儿子

一战爆发时能斯特五十岁,从没服过兵役。他是柏林少数有汽车的人,1914 年 8 月加入帝国志愿汽车队,给向巴黎推进的第一集团军当传令司机,经历了马恩河战役。

10 月,他和拜耳公司的杜伊斯贝格受军方委托,研究能不能在炮弹里装化学品,于是有了「能斯特-杜伊斯贝格委员会」。第一个产物是 Ni 弹:把一种刺激眼睛和呼吸道的二茴香胺盐粉末装进榴霰弹。据 Bartel 2014 年的文章与 Baumann 2008 年的博士论文,1914 年 10 月 27 日在新沙佩勒,德军在能斯特主持下发射了约三千发 Ni 弹,守军似乎根本没有察觉。此后他主要负责发射化学弹药的弹体与迫击炮,包括气动迫击炮与装毒剂的迫击弹,1915 年 4 月起任最高统帅部的科学顾问。据 Bartel,他从不参与哈伯那种从钢瓶里放出氯气的做法。1915 年 4 月 22 日在伊普尔第一次大规模施放氯气的,是哈伯的路线。

关于他怎样看待致命毒剂,材料彼此对立:

  • 一方。 爱因斯坦传记作者 Fölsing(1993)写道,能斯特主张在「现代、科学理性地进行的战争」中,让敌人失去战斗力就够了,不必追求杀死对方;Huebener 更直接地说他拒绝使用致命毒气(两说均据德文维基百科条目转引)。他的学生林德曼与弗朗茨·西蒙在 1942 年的讣告中写道,他「与毒气战的引入有些关系,他一直坚持那是使用炮弹最人道的方式」(据 Bartel 转引)。
  • 另一方。 据 Baumann 查阅的档案,委员会 1914 年 10 月 23 日提交军方的第一份报告已经讨论过:若要「彻底毒害敌人」,只有氢氰酸可用。Baumann 认为执笔的杜伊斯贝格对此并不原则上反对。Bartel 列出委员会后来试验的弹药中也有会生成光气的物质,但也指出这些毒物在实战浓度下一般达不到致死效果;他的结论是,能斯特在确立化学武器上的分量「毋庸置疑」,他把毒气迫击弹称为人道的看法「今天看来至少令人诧异」。Bartel 还注意到,他 1940 年又主动要为海军研究鱼雷推进。德文维基百科条目据这些材料认为,把他写成致命毒气反对者的说法是选择性的。

战争也夺走了他的两个儿子。据 Bartel,长子 Rudolf 在他加入汽车队十二天后阵亡于比利时;次子 Gustav 1917 年 4 月在法国上空的空战中阵亡。1917 年 12 月,他给热定理专著写序,第一句是「在充满忧患与困苦的时代」。

同一个人也在找出路。据 Bartel,1915 年 5 月和 1916 年 6 月,他受首相贝特曼-霍尔维格委托,在布鲁塞尔与银行家 Franz Philippson 秘密会面,试探和谈;他也反对恢复无限制潜艇战,认为德国在这方面力量不足,而美国必将因此参战。他的名字出现在 1914 年 10 月的《告文明世界书》上,但据女儿 Edith 的回忆,签名是在他不在柏林时,母亲在电话里被催逼着同意的(据 Bartel 转引)。战后他与哈伯都上了协约国要求引渡的名单,1919 年一度避居瑞典与瑞士,最后没有被起诉。

1933 年以后

能斯特两个女儿嫁进了犹太家庭,后来分别移居伦敦和巴西。

1933 年纳粹上台时他六十九岁,当年退休,搬到上卢萨蒂亚的 Zibelle 庄园养鱼、打猎。关于退休的缘由,据 Coffey 的《科学的大教堂》,是他不愿按新颁布的公务员法解雇研究所里的犹太同事,以退休表示抗议;Coffey 还记下他在普鲁士科学院拒绝起立唱纳粹党歌,此后不再出席科学院的会议(据德文维基百科条目转引,未见原书)。Bartel 则只概括为他「拒绝纳粹政权」,同时提到上面说的 1940 年那件事。爱因斯坦 1942 年在悼文里写他:

他与几乎所有同胞不同的地方,是他非同寻常地不带成见。他既不是民族主义者,也不是军国主义者。他评判事与人几乎只看直接的成效,而不看某种社会或伦理的理想。

(据 Bartel 转引,中文为本站译。)他 1941 年 11 月 18 日死在 Zibelle,1951 年,女儿们把他和妻子的骨灰迁葬到哥廷根市立公墓,离普朗克与劳厄的墓不远。

诺贝尔奖与身后

1920 年度的诺贝尔化学奖当年保留,1921 年补授给他,理由是「表彰他在热化学方面的工作」,实指热定理。

他的学生和合作者里,林德曼后来在牛津主持克拉伦登实验室,西蒙则把低温实验和第三定律的表述推进了一大步,二人在二十世纪三十年代同在牛津。今天化学系学生最先记住他的名字是因为电极电位,物理系学生则是因为第三定律——同一个人,在两本教科书里各占一章。

代表方程

能斯特方程

E=E∘−RTzFln⁡QE = E^{\circ} - \frac{RT}{zF}\ln Q

一节电池的电动势 EE 不是定值,它随溶液里离子的浓度而变。E∘E^{\circ} 是各物质都处在标准浓度时的电动势,QQ 是反应商(产物浓度与反应物浓度按计量数之比),zz 是每次反应转移的电子数,FF 是法拉第常数。室温下 RT/FRT/F 约 25.7 毫伏,所以一价离子浓度每变十倍,电位就移动约 59 毫伏——pH 计、离子选择电极与神经细胞的静息电位,都用这把尺子。能斯特 1889 年的原始形式是从电极的「溶解压」与离子的渗透压相抗衡推出来的。

能斯特热定理

lim⁡T→0∂ΔG∂T=lim⁡T→0∂ΔH∂T=0lim⁡T→0ΔS=0\begin{aligned} \lim_{T\to 0}\frac{\partial \Delta G}{\partial T} &= \lim_{T\to 0}\frac{\partial \Delta H}{\partial T} = 0 \\ \lim_{T\to 0}\Delta S &= 0 \end{aligned}

化学家一直想只凭反应热 ΔH\Delta H 预言反应能走多远,但真正决定平衡的是自由能 ΔG\Delta G,两者之差是 TΔST\Delta S。能斯特 1906 年提出:凝聚态物质之间的反应,ΔG\Delta G 与 ΔH\Delta H 两条曲线不但在绝对零度处重合,而且在那里彼此相切,于是反应的熵变趋于零。有了这一条,只要把比热测到足够低的温度,就能从热量数据算出化学平衡。普朗克 1911 年更进一步,主张凝聚态(固体或液体)的化学均一物质,熵本身在绝对零度为零。

能斯特-林德曼比热公式

CV=3R2[E(βνT)+E(βν2T)]E(x)=x2ex(ex−1)2\begin{gathered} C_{V} = \frac{3R}{2}\left[E\left(\frac{\beta\nu}{T}\right) + E\left(\frac{\beta\nu}{2T}\right)\right] \\ E(x) = \frac{x^{2}e^{x}}{(e^{x}-1)^{2}} \end{gathered}

爱因斯坦 1907 年只用一个振动频率 ν\nu 描写晶体,比热在低温下掉得比能斯特实验室测到的更快。1911 年能斯特与林德曼凑出这条半经验公式:一半权重给频率 ν\nu,一半给 ν/2\nu/2,与银、铜、铅、金刚石等的数据贴得明显更好(EE 是爱因斯坦函数,β=h/k\beta = h/k)。他们并没有给出理由,一年后德拜用晶体的整个弹性振动谱解释了为什么单一频率不够。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.诺贝尔基金会《瓦尔特·能斯特传略》(据《诺贝尔演讲集·化学 1901–1921》)
  2. 2.能斯特《化学热力学研究》,1920 年度诺贝尔化学奖演讲(1921)
  3. 3.埃廷斯豪森与能斯特《论热流经过、置于磁场中的金属板中出现的电动势》,《物理学年鉴》第 265 卷第 343 页(1886)
  4. 4.能斯特《离子的电动效能》,《物理化学杂志》第 4 卷第 129 页(1889)——能斯特方程的源头
  5. 5.能斯特《由热测量计算化学平衡》,《哥廷根皇家科学会通报·数学物理类》1906 年第 1–40 页——热定理
  6. 6.能斯特《论氨平衡》,《电化学杂志》第 13 卷第 521 页(1907)
  7. 7.哈伯与 Le Rossignol《论氨平衡》,《德国化学会会刊》第 40 卷第 2144 页(1907)
  8. 8.能斯特《固体的能量含量》,《物理学年鉴》第 341 卷第 395 页(1911)
  9. 9.能斯特与林德曼《比热与量子论》,《电化学杂志》第 17 卷第 817 页(1911)
  10. 10.普朗克《论新的热力学理论(能斯特热定理与量子假说)》,《德国化学会会刊》第 45 卷第 5 页(1912)
  11. 11.能斯特《热力学与比热》,《普鲁士皇家科学院会议报告》1912 年第 134–140 页——绝对零度不可达的表述
  12. 12.Lindemann 与 F. Simon《瓦尔特·能斯特,1864–1941》,《皇家学会会士讣告》第 4 卷第 101 页(1942)
  13. 13.爱因斯坦《瓦尔特·能斯特的工作与为人》,《科学月刊》第 54 卷第 195 页(1942)
  14. 14.Mehra《索尔维物理学会议》,Reidel(1975),第一章「欧内斯特·索尔维与索尔维会议的起源」
  15. 15.Kox《混乱与澄清:爱因斯坦与能斯特热定理,1911–1916》,《现代物理学史与哲学研究》第 37 卷第 101 页(2006)
  16. 16.Barkan《瓦尔特·能斯特与向现代物理科学的过渡》,剑桥大学出版社(1999)
  17. 17.Bartel《军中的枢密顾问:处在战争研究与和平努力之间的瓦尔特·能斯特》,《物理学杂志》(Physik Journal)第 13 卷第 7 期第 49–53 页(2014)——一战经历、两个儿子之死、讣告与悼文的转引
  18. 18.Baumann《毒气与硝石:1906 年至 1914/15 年第一次弹药计划期间的化学工业、自然科学与军队》,杜塞尔多夫大学博士论文(2008)——新沙佩勒的 Ni 弹与 1914 年 10 月 23 日的委员会报告
  19. 19.Johnson《制造氨:弗里茨·哈伯、瓦尔特·能斯特与科学发现的本性》,Springer(2022)
  20. 20.Coffey《科学的大教堂:塑造现代化学的人物与竞争》,牛津大学出版社(2008)第 169–170 页——1933 年以后;本页据德文维基百科「Walther Nernst」条目转引,未见原书