ДЖИОК (Giauque), Уильям Фрэнсис

12 мая 1895 г. – 20 марта 1982 г.
Нобелевская премия по химии, 1949 г.

Американский химик Уильям Фрэнсис Джиок родился в г. Ниагара-Фоле, штат Онтарио, Канада, и был старшим из трех сыновей Изабеллы Джейн Джиок (в девичестве Дункан) и Уильяма Текумсе Шермана Джиока, имевших гражданство США. До 1908 г. семья жила в Мичигане, но после смерти отца Джиока они вернулись в Канаду. По окончании Ниагара-Фолсского академического института Джиок в течение двух лет работал в лаборатории компании «Хукер электрокемикал» в Ниагара-Фоле. Решив стать инженером-химиком, он поступил в Калифорнийский университет в Беркли, а в 1920 г., с отличием сдав экзамены, получил степень бакалавра по химии.

Оставленный на работе в Беркли, Джиок продолжил фундаментальные исследования под руководством выдающихся химиков Дж.Н. Льюиса и Г.Е. Гибсона. За диссертацию, посвященную исследованиям свойств материалов при сверхнизких температурах, Джиок в 1922 г. была присуждена докторская степень по химии и физике. Сразу же после этого он становится преподавателем химического факультета в Беркли, где и оставался на протяжении всей своей научной карьеры, став в 1927 г. ассистент-профессором, в 1930 г. – адъюнкт-профессором, в 1934 г. – полным (действительным) профессором и в 1962 г. – почетным профессором.

Интересы Джиока концентрировались на свойствах и поведении материи при сверхнизких температурах, на тех областях науки, которые затрагивали принципы термодинамики. Термодинамика рассматривает свойства систем в равновесных условиях и превращение тепла в механическую, химическую и электрическую энергию. Этот раздел физики был развит в XIX в. в процессе конструирования эффективных машин, в которых горячие газы использовались для совершения полезной работы.

Первое начало термодинамики, т.е. закон сохранения энергии, гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но не может ни появляться, ни исчезать. Второе начало термодинамики предсказывает, будет ли спонтанно протекать химическая реакция или какой-либо физический процесс. Математическое выражение второго начала (закона) использует концепцию энтропии, которая количественно характеризует меру неупорядоченности системы. Природные процессы постоянно стремятся к необратимому состоянию с более высокой энтропией или к более высокой степени неупорядоченности. Третье начало термодинамики, сформулированное Вальтером Нернстом, гласит, что энтропия чистого кристаллического химического элемента равна нулю при температуре абсолютного нуля (обозначается как 0 К). В этих условиях молекулы вещества организованы определенным образом, и поэтому природные явления обычно не поддаются наблюдению.

В первом десятилетии XX в. температура около 1 К была достигнута в лабораторных условиях. Метод, предложенный датским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом, основывался на испарении жидкого гелия при низкой температуре в вакууме. В 1924 г. Джиок предложил метод, который позволил получать даже более низкие температуры и который основывался на феномене, известном как адиабатическое размагничивание.

Адиабатическая система – это система, которая не получает теплоты извне и не отдает ее. Парамагнитные вещества, такие, как ионы редкоземельных и переходных металлов, содержат магнитные диполи благодаря спину неспаренных электронов. Джиок объяснял это так: «Их нормальное состояние – это состояние неупорядоченности, которое соответствует какой-то величине энтропии. Когда накладывается достаточно мощное магнитное поле, магнитики выстраиваются в линию и энтропия понижается». А так как любой процесс, сопровождающийся изменением энтропии, может быть использован для получения тепла или холода, то это привело Джиока к мысли, что адиабатическое размагничивание может дать возможность создать метод получения более низких температур, чем методы с использованием жидкого гелия.

В течение восьми лет Джиок и его сотрудники в Беркли конструировали оборудование, необходимое для адиабатического размагничивания. В 1933 г., используя сульфат гадолиния, Джиок и его коллега Дункан Макдугол достигли температуры, равной 0,25 К. Для измерения температуры ниже 1 К Джиок изобрел термометр, основанный на измерении электрического сопротивления аморфного углерода. Этот метод магнитного охлаждения предоставил дополнительные доказательства правильности третьего начала термодинамики и имел самое различное промышленное применение, включая улучшение качества каучуков, бензина и стекла.

Джиок сравнил значения энтропии, полученные методом адиабатического размагничивания, со спектроскопическими данными. Вместе со студентом Герриком Джонстоном он в Беркли спектроскопически идентифицировал два ранее неизвестных изотопа кислорода-17 и -18. Ядра большинства атомов кислорода содержат 8 протонов и 8 нейтронов. Эти же изотопы кислорода содержали один или два дополнительных нейтрона, присутствие которых привело к незначительным, но важным изменениям их физических свойств. До открытия Джиока кислород-16 использовался химиками как стандарт для определения атомных весов. Открытие изотопов кислорода привело к изменению шкалы атомных весов. Вернер Гейзенберг предсказал, что молекулы водорода могут существовать в двух различных формах в зависимости от относительной ориентации молекулярных ядер. Экспериментальные наблюдения Джиока подтвердили это теоретическое предположение.

В течение второй мировой войны Джиок принимал участие в военных научных программах. Он сконструировал электромагниты с мощным полем и передвижные блоки для производства жидкого кислорода.

В 1949 г. Джиок был награжден Нобелевской премией по химии «за вклад в химическую термодинамику, особенно в ту ее область, которая изучает поведение веществ при экстремально низких температурах». По мнению члена Шведской королевской академии наук Арне Тиселиуса, который вручал награду, «достижения Джиока в области химической термодинамики и особенно его работа по поведению материи при низких температурах... является одним из наиболее важных вкладов в современную физическую химию».

После получения Нобелевской премии Джиок продолжал оставаться активным исследователем в Калифорнийском университете в области низких температур и лишь за год до смерти прекратил научную деятельность.

В 1932 г. Джиок женился на Мюриэль Фрэнсис Эшли, физике по специальности, проводившей ботанические исследования. Супруги имели двух сыновей. По мнению коллег, Джиок был настоящей «ломовой лошадью» и мало стремился вырваться из лаборатории и классной комнаты. «Я один из тех счастливых людей, которые находят удовольствие в своей работе», – сказал он однажды. Джиок умер 29 марта 1982 г. в г. Окленде (штат Калифорния).

Кроме Нобелевской премии, Джиок был награжден медалью Чарлза Фредерика Чендлера Колумбийского университета (1936), медалью Крессона Франклиновского института (1937) и медалями Уилларда Гиббса (1951) и Джилберта Ньютона Льюиса (1956) Американского химического общества. Он являлся членом американской Национальной академии наук, Американского философского общества, Американского химического общества, Американского физического общества и Американской академии наук и искусств. Ему были присвоены почетные степени Колумбийского и Калифорнийского университетов.

 
        Источник:

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.