Как проверяли третье начало термодинамики, чем изотопы кислорода огорчили химиков и как будущий лауреат усовершенствовал достижения прежних лауреатов, читайте в рубрике «Как получить Нобелевку».

Уильям Френсис Джиок

Родился 12 мая 1895 года, Ниагара-Фолс, Канада

Умер 28 марта 1982 года, Беркли, Калифорния, США

Нобелевская премия по химии 1949 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За вклад в химическую термодинамику, особенно в ту ее область, которая изучает поведение веществ при экстремально низких температурах».

Будем честны, наш герой не сильно прославился в химии как таковой, то есть в науке о превращении веществ друг в друга. Более того, он получил Нобелевскую премию по химии за усовершенствование того, за что дали премию по физике за 36 лет до него. Что делать, даже в середине ХХ века границы наук уже сильно размылись. Давайте начнем с самого начала.

Уильям Джиок родился в Канаде, несмотря на то, что его родители — Уильям Текумсе Шерман Джиок и Изабелла Джейн Джиок, урожденная Дункан, — имели американское гражданство. Семья Джиоков в 1895 году жила в штате Онтарио, в городке Ниагара-Фолс на самой границе с США. Как вы можете догадаться, главной достопримечательностью городка была (и есть) речка Ниагара и Ниагарский водопад. Тем не менее, несмотря на прекрасную природу и свежий воздух, родители Уильяма-младшего переехали в штат Мичиган, где и жили до 1908 года, до смерти отца. Потом семья вернулась в Ниагара-Фолс.

В 1909 году юноша поступил в академический институт Ниагара-Фолс (что-то вроде нашего колледжа), который окончил четыре года спустя, и затем два года проработал в компании Hooker Electro-Chemical Company. В городе Ниагара-Фолс. Только уже в другом штате и другом государстве: Нью-Йорк, США. Именно там Уильям ощутил вкус к инженерии и науке и решил стать инженером-химиком.

Потом он снова начал учиться, но уже в серьезном вузе, Калифорнийском университете в Беркли. Там Уильяму посчастливилось поработать с великим Гилбертом Льюисом, фамилия которого для химика всегда будет связана с теорией кислот и оснований, а также с понятием ковалентной связи. Именно в Беркли в 1922 году Джиок защитил свою PhD. За изучение свойств материалов при сверхнизких температурах Джиок получит степень сразу «по химии и в меньшей степени по физике».

После этого Джиок остался в Беркли на целых шестьдесят лет. И сразу же после получения степени он взялся за работу, которая и привела его к Нобелевской премии.

К тому моменту «королем холода» считался Хейке Камерлинг-Оннес, который впервые в истории сумел получить жидкий гелий, открыть сверхпроводимость и приблизиться к абсолютному нулю всего на один градус. За это он и был удостоен Нобелевской премии по физике в 1913 году.

Важно отметить, что в 1921 году премию за предыдущий год (снова по физике) получил немец Вальтер Нернст за то, что создал физическую химию как таковую и сформулировал третье начало термодинамики. Оно гласит, что все процессы при абсолютном нуле, при которых система переходит из одного равновесного состояния в другое, происходят без изменения энтропии. Другая формулировка описывает поведение системы при приближении к абсолютному нулю. Поскольку сформулировано было начало термодинамики, оно претендовало на фундаментальный закон природы, однако проверить его было возможно только экспериментально.

И Джиок решил убить одной работой двух зайцев: проверить положения Нернста и открыть человечеству мир температур, близких к абсолютному нулю. В случае сверхнизких температур между одним кельвином и абсолютным нулем — огромная пропасть и новая физика (потом мы узнаем, что Джиок был прав, один конденсат Бозе — Эйнштейна чего стоит), однако для начала этот мир нужно было открыть.

Метод Камерлинг-Оннеса, то есть испарение жидкого гелия, в вакууме уже не позволял продвигаться дальше. Через два года после начала работ по тематике Джиок придумал более хитрый трюк — адиабатическое размагничивание. Что такое адиабатическая система вообще? Это замкнутая система, которая не получает теплоты извне и не отдает ее.

Еще один важный факт: парамагнитные вещества, такие как ионы некоторых редкоземельных и переходных металлов, содержат магнитные диполи благодаря спину неспаренных электронов. Как писал сам Джиок, «их нормальное состояние — это состояние неупорядоченности, которое соответствует какой-то величине энтропии. Когда мы прилагаем достаточно мощное магнитное поле, эти микромагниты выстраиваются в линию и энтропия понижается».

Восемь лет ушло на создание установки, которую никто до него не делал. В качестве парамагнитных ионов взяли ионы гадолиния (он и сейчас помогает нам своими парамагнитными свойствами, усиливая сигнал при исследовании МРТ как контраст). В 1933 году Джиок вместе с коллегой Дунканом Макдугаллом сумел достичь температуры всего лишь в четверть кельвина. Это был двойной успех: во-первых, третье начало термодинамики обрело статус закона природы, проверенного экспериментально, а во-вторых, химическая технология получила новый метод охлаждения, который потом много где пригодился.

А сам Джиок, занявшись сравнением своих данных по энтропии со спектроскопическими данными, огорчил химиков и заставил переписывать таблицу Менделеева. Дело в том, что до того времени эталоном для атомных масс служил атом кислорода. Считалось, что изотоп один, у него восемь протонов и восемь нейтронов. Оказалось, что среди кислорода-16 «прячутся» еще кислород-17 и кислород-18. Пришлось срочно все пересчитывать и использовать конкретный изотоп углерода-12. Более того, именно Джиок в низкотемпературных исследованиях открыл предсказанные Гейзенбергом те самые «аллотропические» формы молекулярного водорода, когда атомы водорода в молекуле имеют разные ориентации спинов. Предсказание было настолько важным, что его включили в формулировку Нобелевской премии Гейзенберга. Поэтому в том, что Джиок получил свою безусловно заслуженную Нобелевскую премию именно по химии, есть достаточно глубокий смысл.

Любопытно, что вручал премию член Нобелевского комитета, лишь за год до Джиока ставший нобелиатом, — уже знакомый нам Арне Тиселиус. Представляя кандидата, он сказал: «Достижения Джиока в области химической термодинамики и особенно его работа по поведению материи при низких температурах — это один из наиболее важных вкладов в современную физическую химию». И был, безусловно, прав.

После премии Джиок продолжил заниматься своей любимой холодной темой в Беркли. Удивительно, но он не стал «звездой-нобелиатом», а просто ходил каждый день в свою лабораторию и в университет на лекции. Не зря же его любимой фразой было «Я один из тех счастливых людей, которые находят удовольствие в своей работе».