33卷第5期 2011年5月 物理教学 PHYSICS TEACHING VoI．33 No．5 May．2011 欧文·朗缪尔和充气白炽灯 林信惠 (首都师范大学物理系北京100048) 摘要本文主要追述朗缪尔发明充气白炽灯的过程，重点介绍朗缪尔的思考和创新过程，并提出从朗缪尔的工作得到 的几点启示 关键字 白炽灯 朗缪尔 致黑现象 热损耗 1879年，爱迪生发明实用碳丝白炽灯，电灯的研制由试 验研究转入实际应用阶段，掀开了电照明技术革命的序幕 后经库利吉用钨丝取代碳丝延长了灯泡的寿命，也大大提高 了灯泡的发光效率但是，随着应用范围的扩展，人们迫切 需要效率更高、寿命更长的电灯为此，许多科学家继续为 了制造出更加实用的电灯进行了艰辛的探索而在其中做 出突出贡献的是——欧文·朗缪尔正是他的工作，使白炽 灯臻于完善 l 朗缪尔及其主要贡献 欧文·朗缪尔(Irving Langmuir，1881—1957)是美国物 理化学家1903年毕业于哥伦比 亚大学矿业学院，后到德国格廷根 大学留学，师从热力学第三定律的 建立者能斯特(Wahher H． Nernst，1865一I951)1906年取 得博士学位后，朗缪尔回到美国， 在斯蒂文斯工学院任教三年。
1909年，28岁的朗缪尔进入通用 电气公司，后在此工作达41年之 久，1932--1950年任通用电气公 司研究实验室副主任1950年退 休后，一直担任该公司的顾问 图1朗缪尔像[ ] 在通用电气公司实验室工作的几十年中，朗缪尔在广泛 的研究领域中取得了多项重大科学发现和技术发明很少 有科学家能像他那样在科学上有广泛创造性贡献一直延续 到生命的最终他的多产令人惊叹，1909--1953年的44年 中，他发表科学论文二百多篇朗缪尔15次获得名誉学位， 22次获得国内外各种奖章 朗缪尔曾将自己做出过重大贡献的领域分为八类： (1)一般课题，科学研究，科学哲理，科学在工作中的促进和 激励，以及科学教育；(2)物质的结构，包括分子、原子、晶体、 蛋白质和铁磁性材料等；(3)热的传导、对流和辐射，气体的 扩散和蒸发，充气白炽灯等；(4)高温低压下化学反应的机 理，催化作用；(5)高真空物理，真空泵，电子发射和空间电荷 效应；(6)低压下的气体放电；(7)表面化学，吸附作用，表面 张力，单分子膜，多分子组合膜，以及在生物上的应用；(8)气 象学有关领域，航空学，海洋学，水和空气的湍流运动，潜水 艇的探测，飞机的结冰问题，雨、雪、冰雹的形成等o[23 而朗缪尔这么多的科学贡献是从研制充气白炽灯开 始的1 2改进自炽灯 在斯蒂文森工学院三年里，朗缪尔发现沉重的教学任 务，让他根本无暇去从事研究。
1909年他得知通用电气公 司有一个暑期职位，朗缪尔就申请在那里工作一个暑假时 任通用实验室主任的惠特尼一看到朗缪尔就觉得此人不同 寻常，马上就接受他为实验室顾问朗缪尔刚进入实验室 时，惠特尼并没有马上安排研究工作，而是让他在实验室里 逛逛，熟悉一下实验室，希望朗缪尔研究自己感兴趣的问题 暑假很快结束了，他发现在通用的研究工作是如此的有 趣，在这里可以自由地研究而不必从事繁重的教学工作，再 则通用提供给他满意的薪金，所以他选择留在通用，继续自 己的研究 早前，惠特尼就发现了一个令人疑惑不解的现象：在灯 泡抽真空后，残留的气体有消失的迹象朗缪尔就想，如果 “放大”这些气体是否更容易观察呢?也就是，往灯泡内引入 不同的气体，看看将发生什么! 当时在业界有这样一个共识：在灯泡内越完美的真空就 意味着越理想的灯泡朗缪尔的想法似乎与此背道而驰，但 是惠特尼并没有制止他，虽然惠特尼是这一共识的坚定支持 者，但是他还是鼓励朗缪尔继续实践自己的想法 朗缪尔当时到底是怎么想的呢?1928年1月13日，朗 缪尔在获得珀金奖章(Perkin Meda1)的演讲中回忆道：“科学 研究有一个很重要的原则：为了避免不利因素的产生而阻碍 了理想结果的出现(但是这些不利因素又是无法避免的)时， 一个好的实验方案是：那我们就反其道而行，有意识地增加 这些不利因素去放大其所产生的不利结果，这样我们就可以 · 6】 · 33卷第5期 物理教学 从中发现避免这些不利因素是否是有价值的。
比如：如果你 有一个灯泡里面的真空已经足够理想，但是你为了制造出更 理想的灯泡，就不要再去设计继续改善真空环境的方案了 而是应该按你自己掌握的方式去尽量破坏灯泡内的真空环 境，那么你可能发现，或者改善真空是不必要的，或者真空还 需多大程度的改善I-3]，255) 这样，就在别人还在为真空环境下如何制造出理想灯泡 苦苦挣扎的情况下，朗缪尔却往灯泡内引入各种气体先往 灯泡内充入相当于一个大气压的氢气，观察到非常独特的现 象：有限的氢气消失了(实质上这些氢气被分解成氢原子被 吸附在灯泡的内壁上)经过研究发现，这些氢气在高温下 吸热分解成氢原子这意味着，引入氢气的钨丝将会有热损 耗(heat losses)I-3]，256) 那这个热损耗是多大呢? 于是朗缪尔就研究了钨丝温度与其电阻的关系在钨 丝上连接电流表和电压表，就可以通过测得的电压、电流计 算出电阻，知道钨丝上的热损耗但是“当温度升高到极高， 将会有什么异常情况发生呢?”([3]，256) 结果引起了朗缪尔的兴趣，当温度在1800 K时，热损耗 就与温度的二次方成正比；当温度超过1800 K，达到几近钨 丝的熔点时(3380℃)，热损耗就与温度的五次方成正比。
这一结果被朗缪尔解释为：氢气在高温下被离解成原 子，而从灯丝扩散开来的氢原子，在一定距离处再结合成氢 分子，导致了热传导急剧的增加所致 在得到了这些结论之后，朗缪尔自然而然对这些氢原子 所表现出来的性质感兴趣开始了连续数年对氢原子的研 究但是，获得理想灯泡却遥遥无期，“这些实验对于致力于 改善灯泡的人来说，几乎都是无用的，甚至是愚蠢的”(E3]， 257)然而，就是在这些“愚蠢的”实验中，朗缪尔发现分解成 的氢原子能被灯泡壁和金属表面强烈地吸附，从此开始了气 体在金属表面上的吸附现象的研究，而且获得了令人惊讶的 成果他用大量实验证明被固体吸附的气体在固体表面上 铺成只有一个分子厚度的单分子吸附层，最终通过对铺展在 水面上的油膜的研究，发现这种现象具有普遍意义，于是在 1917年提出了气体在固体表面上的单分子层吸附理论，促 进了表面化学的迅速发展由于朗缪尔在这一领域做出了 开拓性贡献，获得了1932年的诺贝尔化学奖 当氮气在低压下(低于一个大气压)被引入灯泡，温度达 到2800 K时，氮气以一定速率消失(这一速率与氮气的压强 大小无关)换句话说，这是一种零级反应的情况这表明 反应速度受到钨从灯丝蒸发速率的限制。
为了验证这一假 定，朗缪尔在较理想真空以及不同温度下，测得了钨丝重量 损失速率这一速率随着温度的变化而变化，这符合已知的 热力学定律并且由于单位面积上灯丝损失速率与灯丝的 粗细无关，那么可知，钨丝重量的损失确实是由于蒸发，而不 是由于与残留气体的化学反应，也不是由于通过灯丝的电流 对周围空间的作用导致的 随着时间的推移，一个问题越来越凸显——如果能够得 · 62· 到完美的真空，就能制造出完美的灯泡吗?从以上的实验， 朗缪尔开始得出答案 氢气、氧气、氮气、一氧化碳这些气体，任何一种被引人 灯泡都不会导致灯泡致黑除了水蒸气，水蒸气分子与热钨 丝接触产生易蒸发的氧化钨而且由于高温，此时氢气被分 解成氢原子，这些具有高度化学活性的氢原子与氧化钨反 应，生成了钨和水蒸气这些生成的水蒸气反过来又作用于 钨丝上，这样导致了无休止的反应这样不断的循环反应， 其中氢原子起了主要作用，是它把越来越多的钨沉积在泡壁 上因此，哪怕一丁点的水蒸气都能导致数量巨大的钨丝被 带到泡壁上 那么，水蒸气就是导致灯泡致黑、寿命缩短的“元凶”吗? 还有，水蒸气是从何而来? 朗缪尔发现：水蒸气其实是在抽制真空的过程中，不慎 混入的。
为了不让水蒸气有可乘之机，朗缪尔做了这样的实 验，把很好地抽过真空的灯泡浸在液化空气里，这样水蒸气 就无法与钨丝接触但是实验的结果是：灯泡照样致黑 这就说明了导致灯泡致黑的元凶是：蒸发(evaporation) 这样就可以得到答案：即使获得完全的真空，也无法改 善灯泡的寿命 接着，朗缪尔继续把氮气引入泡内进行研究发现，引 入大于一个大气压(或者更高的压强)的氮气，其结果对改进 钨丝灯的性能没有太大意义然而，在相当于一个大气压的 氮气环境下，实验却发现：灯丝维持逼近其熔点的温度所维 持的时间比在真空下要久的多同时研究表明引入惰性气 体可以大大降低热损耗而且由于氮气的存在，钨丝蒸发率 大大降低，而且即使已蒸发的钨原子，由于在氮气分子的碰 撞下又回到灯丝上 通过这种方式制得的充气白炽灯寿命超过了1000小 时，效率也提高了3O％～4O 后来，朗缪尔发现引入氩一氮 的混合气体效果最佳 这种充气白炽灯虽然在50瓦以下其效率不会比真空灯 高出多少，但是优势是发出了更多的白光而在更大功率的 灯泡上，不仅发出了更多的白光，而且效率是真空灯的两倍 1913年5月19日，朗缪尔申请的“白炽灯专利”得到 批准。
l_4 3有益的启示 朗缪尔对白炽灯的改进，以及后来的学术成就都对科学 发展做出了杰出的贡献回顾朗缪尔的科学成就，尤其是对 充气白炽灯的研究过程，我们可以得到一些有益的启示 (1)强烈的好奇心 早在青少年时期，朗缪尔就表现出对事物强烈的好奇 心朗缪尔6岁时，哥哥(Arthur)从学校带回家一瓶自己制 备的氯气，叫朗缪尔闻一闻，谁知这天真的孩子对此气体异 常着迷，满满吸了一大口，窒息了过去，几乎送了命十二岁 时，朗缪尔在自家地下室里建造了一个小的实验室，他最喜 欢干的事情就是把碘和氨气混合起来，放在各处因此，当 (下转第64页) 33卷第5期 物理教学 机将杯换了一个方向，拿出的自然是连好的环了 拓展：在魔术表演中，能将物体或人放入后变无又变回 的道具魔术箱子，大多数情况下就是在箱子中装了一个双面 镜，如图5所示镜子沿箱子对角线安装，从而把箱子分成 两个对称的空间，且箱子的顶部和底部都设置了可以开合的 盖由于平面镜成像与物体对称，箱 内部的棱角在镜中的像与镜子另一 边的棱角完全吻合，因此从某一反射 面观察箱子就会产生空箱子的错觉 因此，放在镜子背面物体或人是看不 到的，从而产生以假乱真的效果。
图5 四、隐身术 场景：如图6所示，桌面上摆放着一个果盘，里面装有苹 果与香蕉此时，一个年轻小伙子轻松自如地从隐身屋后走 入隐身屋内观众却只看到小伙子的一颗头颅和苹果、香蕉 一起搭配成～个果盘 探秘：在如图6所示桌子下面的桌腿内，镶嵌着完全反 光并相交9O度的镜子，镜面朝向观众，且镜面与两面墙壁互 (上接第62页) 母亲和弟弟经过就会碰到对人无害的爆炸从中朗缪尔获 得了很大的乐趣，按他自己的说法，“我最大的爱好就是从简 单、熟悉的自然现象中去领悟其中的内在机制”口]也是对灯 泡内残留气体的消失感到极大的好奇，才激起他探索这一现 象背后的原因，最终出色地完成了对白炽灯的完善就这个 发明，每晚为美国节约了上百万美金的电费 (2)科学洞察力和勇于创新 受到良好科学训练的科学家很多，但是有着良好科学洞 察力的科学家却为数甚少这是否是先天优势暂且不论 但是毫无疑问，有着敏锐科学洞察力的科学家会做出更大、 更突出的成就在当时的科学界，在当时的通用研究实验 室优秀科学家、杰出的技术人员甚多，为何只有朗缪尔发明 了充气白炽灯?为什么在大家还在拼命为抽取更理想的真 空做出努力的时候，只有朗缪尔反其道而行——往灯泡内 引入气体?从中我们不难发现科学洞察力以及良好的创新 意识的重要作用。
(3)锲而不舍的科学精神 在灯泡内首先引入氢气，但是并没有改善多少灯泡的 效率；朗缪尔又引入氧气，还是效果不佳!也许，同样面对 这。