吉爾伯特·路易斯

吉爾伯特·牛頓·路易斯（Gilbert Newton Lewis，1875年10月25日（或23日）－1946年3月23日），美國物理化學家、美國加州大學伯克利分校前化學院院長。路易斯以其電子對共價鍵理論、路易斯結構表示法而最為知名，此外他也是化學熱力學的建立者之一。他成功地為熱力學、光化學和同位素分離做出了貢獻，也因其酸和鹼的概念而聞名。路易斯也從事相對論及量子物理的研究，並於1926年命名了「光子（photon）」，用以表示電磁輻射能的最小單位。

吉爾伯特·路易斯是美國國家科學院院士、英國皇家學會外籍院士，曾獲得41次諾貝爾化學獎提名卻從未獲獎，成為諾貝爾獎歷史上的巨大爭議之一。另一方面，路易斯在伯克利任教期間培養、影響了包括哈羅德·尤里（1934年諾貝爾獎）、威廉·吉奧克（1949年諾貝爾獎）、格倫·西奧多·西博格（1951年諾貝爾獎）、威拉得·利比（1960年諾貝爾獎）、梅爾文·卡爾文（1961年諾貝爾獎）等眾多諾貝爾獎得主，使得伯克利化學院成為世界上最負盛名的化學院之一。1946年3月23日，路易斯被發現在伯克利的實驗室內身亡，許多人相信他的離世為自殺。路易斯去世後，他的子女延續了他的化學事業，而伯克利化學院的「路易斯樓（Lewis Hall）」也以其名字命名。

## 生平

### 早年

路易斯在美國麻薩諸塞州的韋茅斯出生並長大，此處有一條街和當地高中的化學部分後以其命名。路易斯最早在家中由父母教育。1884年路易斯家搬到了內布拉斯加州的林肯，1889年他進入內布拉斯加大學的預科學校就讀。1893年，在內布拉斯加大學就讀兩年的路易斯轉入哈佛大學，1896年他獲得學士學位。在麻省菲利普斯學院執教一年後，他回到哈佛在物理化學家理查茲指導下進行研究，於1899年以電化學勢的論文獲得化學博士學位。

在哈佛任教一年之後，他獲得獎學金，到當時物理化學研究的中心德國，在能斯特和奧斯特瓦爾德指導下進行研究。在能斯特的實驗室工作室，能斯特和路易斯逐漸產生終生敵意。在之後的很多年裡，路易斯在很多場合批評和貶低能斯特。能斯特的朋友威廉·巴耳末（Wilhelm Palmær）後來擔任諾貝爾獎評審委員，就曾阻止諾貝爾獎授予路易斯在熱力學上的貢獻。

### 哈佛、馬尼拉和麻省理工

離開能斯特的實驗室之後，路易斯回到哈佛擔任了三年教師。講授熱力學和電化學教程。1900和1901年路易斯發表了兩篇野心勃勃且篇幅很長的論文，介紹了活度和逸度的概念路易斯早期的論文也體現了他對喬賽亞·威拉德·吉布斯和皮埃爾·迪昂關於自由能和熱力學勢的深刻認識。這些思想當時被物理學家和數學家接受，但大多數關注實際的化學家並不接受。路易斯從逸度中推導出了自由能，他試圖推導出熵函數的精確描述，但是失敗了。直到1907年，能斯特才給出來計算熵的辦法。在哈佛時，路易斯還曾寫過一篇關於黑體輻射的熱力學的文章。在其中他假設光有壓力。由於他的合作者的保守，路易斯沒發表這篇文章，但從此時他就對輻射、量子力學和相對論感興趣了。根據吉布斯的工作，化學反應會趨近於由反應物的熱力學自由能決定的平衡狀態。路易斯用了二十五年時間測定很多純淨物的自由能，1923年他和Merle Randall發表了這方面的研究這一研究形成了現代化學熱力學。

1904年路易斯被授予停薪留職，擔任菲律賓馬尼拉的科學局度量衡部門的主管。1905年他回到麻省，到麻省理工學院任教，加入了阿瑟·阿莫斯·挪亞斯（Arthur Amos Noyes）所領導的傑出物理化學家團隊。逐次升任助理教授（1907年）、副教授（1908年）以至正教授(1911年)。

### 加州大學伯克利分校

1912年，路易斯離開麻省理工、前往加州伯克利，擔任加州大學伯克利分校化學學院院長，並在此一直任教直至去世。路易斯在伯克利任教期間培養、影響了包括哈羅德·尤里（1934年諾貝爾獎）、威廉·吉奧克（1949年諾貝爾獎）、格倫·西奧多·西博格（1951年諾貝爾獎）、威拉得·利比（1960年諾貝爾獎）、梅爾文·卡爾文（1961年諾貝爾獎）等眾多諾貝爾獎得主，使得伯克利化學院成為世界最頂尖的化學院之一，而伯克利化學院的「路易斯樓（Lewis Hall）」也以其名字命名。

1946年3月，吉爾伯特·路易斯在其位於伯克利校園的實驗室內身亡，疑似自殺。

## 科研成果

### 共價鍵理論

1902年左右，路易斯提出一種原子表示法，將原子畫成立方體，然後在立方體的角上畫電子，這可以解釋周期表中第二三周期都是八個電子，和元素通過得失電子達到八電子穩定的八隅律。但這一理論不為哈佛的教師們歡迎，路易斯也就沒有發表。

1916年，路易斯在伯克利發表了他的經典論文「The Atom and the Molecule」。在這篇論文中，他提出了原子通過共用電子形成共價鍵，從而達到八電子穩定結構的理論；他使用路易斯結構式來表達共用電子對，還指出某些分子只有單電子（即現在所說的自由基）。路易斯的價鍵理論被歐文·朗繆爾發揚光大，最終啟發了萊納斯·鮑林對化學鍵本質的研究。

### 酸鹼電子理論

1923年，路易斯給予電子對的得失提出了自己的酸鹼理論，被稱為酸鹼電子理論或路易斯酸鹼理論。在路易斯的理論中，可以得到電子對的被稱為酸，而給出電子對的被稱為鹼。1921年，路易斯首先用經驗方程來解決強電解質溶液不滿足質量作用定律這個問題，他基於離子強度所發展的經驗公式後來被證明與1923年德拜-休克爾方程（Debye–Hückel equation）等效。

### 重水

1933年，路易斯首先提純出了重水並且研究了重水環境下生命的存活和生長形式。格倫·西奧多·西博格曾作為博士後接受過路易斯的指導。1913年，路易斯入選美國國家科學院院士。1934年他從科學院辭職，這可能是抗議當年的諾貝爾獎授予了他的學生哈羅德·尤里，路易斯自己認為他可以因對重水的純化和表徵和尤里分享諾貝爾獎。

### 氧4分子

1924年，通過研究氧在液氮溶液的磁性，他發現了氧4分子的存在。

### 相對論及量子物理

1908年路易斯發表了一篇有關相對論的文章，在其中他用和愛因斯坦不同的方法推導出了質能關係。1912年，路易斯和威爾遜發表了重要的工作，不僅應用綜合幾何學（synthetic geometry）在對空間時間的研究上，也注意到時空收縮變換（squeeze mapping）和洛倫茲變換的等效性。

1926年，路易斯創造了「光子（photon）」一詞，用於表達組成的結構單元，但後來被愛因斯坦借用表示光量子。

## 參閱

- 分子結構
- 路易斯結構

## 外部連結

- The Atom and the Molecule (1916)
- Gilbert Newton Lewis (1875–1946) and Irving Langmuir (1881–1957) - Chemical Achievers
- http://scienceworld.wolfram.com/biography/Lewis.html - Eric Weisstein's World of Scientific Biography
- Lewis Acid-Base Concept - Overview

## 基本資料

- 日語原文：吉爾伯特·路易斯、Gilbert Lewis
- 出生日期：1875年10月25日
- 出生地：美國麻薩諸塞州韋茅斯
- 逝世日期：1946年3月23日
- 逝世地：美國加利福尼亞州柏克萊
- 國籍：美國
- 研究領域：物理化學
- 機構：柏克萊加州大學、麻省理工學院、哈佛大學
- 母校：哈佛大學
- 博士導師：西奧多·威廉·理查茲
- 博士生：哈羅德·尤里、格倫·西奧多·西博格
- 知名於：共價鍵、路易斯結構、價電子、路易斯酸鹼理論、化學熱力學、重水、光子命名者、首先解釋磷光
- 獲獎：皇家學會院士、威拉德·吉布斯獎（1924年）、戴維獎章（1929年）