Нобелови лауреати – 1949 година

Уилям Джиок (William Giauque)

12 май 1895 г. – 20 март 1982 г.

Нобелова награда за химия

(За приноса му в областта на химическата термодинамика, особено по отношение на поведението на веществата при изключително ниски температури.)

Американският химик Уилям Франсис Джиок е роден в Ниагара фолс, щат Онтарио, Канада, и е най-големият от тримата синове на Изабел Джейн Дънкан и Уилям Текумзе Шърман Джиок, които са американски граждани. До 1908 г. семейството живее в Мичиган, но след смъртта на бащата на Джиок се връща в Канада. Като завършва академичния институт в Ниагара фолс, Джиок работи две години в лабораторията на компанията "Хукър електрокемикъл" в Ниагара фолс. Решава да стане инженер-химик, постъпва в Калифорнийския университет в Бъркли, а през 1920 г. взема изпитите си с отличен и получава степента бакалавър по химия.

Като остава да работи в Бъркли, Джиок продължава фундаменталните си изследвания под ръководството на известните химици Г. Н. Люис и Г. Е. Гибсън. За дисертацията си, изследваща свойствата на материалите при свръхниски температури, Джиок получава през 1922 г. докторска степен по химия и физика. Веднага след това става преподавател в химическия факултет в Бъркли, където остава по време на цялата си научна кариера, като става през 1927 г. асистент-професор, през 1930 г. - адюнкт-професор, през 1934 г. - пълен (действителен) професор и през 1962 г. - почетен професор.

Интересите на Джиок се съсредоточават върху свойствата и поведението на материята при свръхниски температури, върху научните области, засягащи принципите на термодинамиката. Термодинамиката разглежда свойствата на системите в равновесни условия и превръщането на топлината в механична, химическа и електрическа енергия. Този дял от физиката е развит през XIX в. в процеса на конструирането на ефективните машини, в които горещите газове се използват за извършване на полезна работа.

Първият закон на термодинамиката, законът за запазване на енергията, гласи, че енергията може да преминава от една форма в друга, но не може нито да се появява, нито да изчезва. Вторият закон на термодинамиката предсказва дали ще протича спонтанно една химическа реакция или някакъв физически процес. Математическият израз на втория закон използва концепцията за ентропията, която характеризира количествено мярката за неподреденост на системите. Природните процеси се стремят постоянно към необратимо състояние с по-голяма ентропия или към по-висока степен на неподреденост. Третият закон на термодинамиката, формулиран от Валтер Нернст, гласи, че ентропията на чистите кристални химически елементи е равна на нула при температура 0°К (абсолютна нула). При тези условия молекулите на веществата са организирани по определен начин и затова природните явления обикновено не могат да бъдат наблюдавани.

През първото десетилетие на ХХ в. в лабораторни условия е постигната температура около 1°К. Методът, предложен от датския физик Хайке Камерлинг Онес, се основава на изпарението на течнен хелий при ниска температура във вакуум. През 1924 г. Джиок предлага метод, който позволява да се получат даже по-ниски температури и който се основава на явлението, известно като адиабатно размагнитване.

Адиабатната система е система, която не получава топлина отвън и не отдава топлина. Парамагнитните вещества, каквито са йоните на редките и преходните метали, съдържат магнитни диполи благодарение на електроните с еднакъв спин. Джиок обяснява това така: "Тяхното нормално състояние е състоянието на неподреденост, което съответства на някаква величина на ентропията. Когато се натрупва достатъчно мощно магнитно поле, малките магнитчета се подреждат в линия и ентропията намалява". А понеже всеки процес, съпровождащ изменението на ентропията, може да бъде използван за затопляне или изстудяване, това довежда Джиок до мисълта, че адиабатното размагнитване може да позволи създаването на метод за получаване по-ниски температури от тези, които се получават при метода с използването на течен хелий.

В продължение на осем години Джиок и неговите сътрудници в Бъркли конструират оборудване, необходимо за адиабатно размагнитване. През 1933 г., като използват гадолиниев сулфат, той и колегата му Дънкън Макдъгъл достигат температура, равна на 0,25°К. За измерването на температури, по-ниски от 1°К, Джиок изобретява термометър, основаващ се на измерването на електрическото съпротивление на аморфния въглерод. Методът на магнитното охлаждане доказва допълнително правилността на третия закон на термодинамиката и има най-различно промишлено приложение, включително и за подобряване на качеството на каучука, бензина и стъклото.

Джиок сравнява стойността на ентропията, получена по метода на адиабатното размагнитване, със спектроскопичните данни. Заедно със студента Херик Джонстън той идентифицира спектроскопично в Бъркли два неизвестни по-рано изотопа на кислород-17 и кислород-18. Ядрата на повечето кислородни атоми съдържат осем протона и осем неутрона. Въпросните кислородни изотопи съдържат един или два допълнителни неутрона, присъствието на които води до незначителни, но важни изменения във физическите свойства. До откритието на Джиок химиците използват като стандарт за определяне на атомните тегла кислород-16. Откриването на кислородните изотопи води до промяна на скàлата на атомните тегла. Вернер Хайзенберг предсказва, че молекулите на водорода могат да съществуват в две различни форми в зависимост от относителната ориентация на молекулните ядра. Експерименталните наблюдения на Джиок потвърждават това теоретично предположение.

По време на Втората световна война Джиок участва във военни научни програми. Той конструира електромагнити с мощно поле и преносими блокове за производство на течен кислород.

След получаването на Нобеловата награда Джиок е все така активен изследовател в Калифорнийския университет в областта на ниските температури и едва една година преди смъртта си прекратява своята научна дейност.

През 1932 г. Джиок се жени за Мюриел Франсис Ашли, физичка по специалност, която прави ботанически изследвания. Съпрузите имат двама сина. По мнение на колегите му Джиок е истински "домашар" и не излиза много от лабораторията и класната стая. "Аз съм един от тези щастливи хора, които изпитват удоволствие от своята работа" - казва веднъж той. Умира в Оукланд, щат Калифорния.

Освен с Нобелова награда Джиок е удостоен с медала Чарлз Фредерик Чандлър на Колумбийския университет (1936 г.), с медала Кресонна Франклиновия институт (1937 г.) и с медалите Уилърд Гибс (1951 г.) и Джилбърт Нютон Люис (1956 г.) на Американското химическо дружество. Член е на американската Национална академия на науките, на Американското философско дружество, на Американското химическо дружество, на Американското физическо дружество и на Американската академия на науките и изкуствата. Присъдени са му почетни степени на Колумбийския и Калифорнийския университет.

Превод от руски: Павел Б. Николов