雷恩瓦特

雷恩瓦特 Leo James Rainwater（1917～1986），因原子核內部結構方面的研究工作，與阿格·玻爾和莫特爾遜一起分享了1975年度的諾貝爾物理學獎金。

基本介紹

• 中文名：雷恩瓦特
• 外文名：Leo James Rainwater
• 出生日期：1917
• 逝世日期：1986

履歷

雷恩瓦特自1939年以來，一直與哥倫比亞大學物理系有著聯繫。他先是研究生，後任曼哈頓工程的科學家，1952年後任正式教授。他的大學生活是在加州理工學院度過的。在那裡，C.D.安德遜是他的指導老師，也就是在此期間，安德遜獲得了諾貝爾獎金。R.A.密立根當時是該學院的院長。T.H.摩根（T.H.Morgan）是他的生物學老師。在哥倫比亞大學時，他聽了費米、拉比和E.特勒的課程。諾貝爾獎獲得者如H.貝特、W.蘭姆、I.I.拉比、C.H.湯斯、T.D.李政道和P.庫什都和他在哥倫比亞大學共過事。諾貝爾獎獲得者庫珀的博士論文與雷恩瓦特、V.菲奇（V.Fitch）用X射線研究μ原子的開創性工作有關。他們的研究第一次確立了最小核電荷範圍。後來，他和庫珀合寫了一篇關於廣延核的多重庫侖散射的理論論文，否定了暗示反常μ子-核相互作用的宇宙線實驗。

從1948～1962年，雷恩瓦特講授高等核物理課程，這使得他在1949年初就認為核殼層模型是明顯有效的。因此，他對梅耶-詹森殼層模型的成功感到興奮。1949年末，湯斯做了一次學術報告，討論了從核電四極矩中得到的與梅耶殼層模型定性的符合的證據，但是這種電四極矩在稀土族中太大。就在那次報告的時候，雷恩瓦特得出了他的論點的大致特點，即價核子應該導致這類原子核發生偏離球形的畸變。這一論點導致了他1950年的論文，該論文是他獲諾貝爾獎的基礎。

1949～1950年，雷恩瓦特和A.玻爾在同一辦公室工作，他們進行了很多關於這一課題的討論，這些對促進和激發玻爾起了幫助作用，並且影響到玻爾和莫特爾遜以後在哥本哈根的工作。在哥本哈根他們的理論工作充滿著大量互相關聯的問題，由於這些工作，他們獲得了諾貝爾獎金。

雷恩瓦特基本上是個實驗物理學家，他與黑文斯（Havens）、吳健雄一起提供了截至1948年為止所知道的中子截面與能量的關係的大部分資料。1946～1978年，他通過哥倫比亞內維斯同步回旋加速器研究π介子、μ介子以及中子與核的相互作用。

雷恩瓦特1917年出生在愛達荷州的康斯爾，他是L.J.雷恩瓦特和E.E.雷恩瓦特夫婦的兒子。1942年，他與E.L.斯密斯（E.L.Smith）結婚，他們的女兒伊莉莎白（Elizabeth）在年輕時便去世了。他們的三個兒子，詹姆斯（James）、羅伯特（Robert）和威廉（William）現已長大成人。雷恩瓦特喜歡古典音樂，並對天文學和地質學很感興趣。他對世界上人口爆炸和資源枯竭非常關注。

主要成就

瓦特是世界公認的蒸汽機發明家。他的創造精神、超人的才能和不懈的鑽研為後人留下了寶貴的精神和物質財富。瓦特改進、發明的蒸汽機是對近代科學和生產的巨大貢獻，具有劃時代的意義，它導致了第一次工業技術革命的興起，極大的推進了社會生產力的發展。1736年，瓦特出生在英國蘇格蘭格拉斯哥市附近的一個小鎮格里諾克，他的父親是一個經驗豐富的木匠，祖父和叔父都是機械工匠。少年時代的瓦特，由於家境貧苦和體弱多病，沒有受過完整的正規教育。他曾經就讀于格里諾克的文法學校，數學成績特別優秀，但沒有畢業就退學了。但是，他在父母的教導下，一直堅持自學，很早就對物理和數學產生了興趣。瓦特從六歲開始學習幾何學，到十五歲時就學完了《物理學原理》等書籍。他常常自己動手修理和製作起重機、滑車和一些航海器械。1753年，瓦特到格拉斯哥市當徒工。由於收入過低不能維持生活，第二年他又到倫敦的一家儀表修理廠當徒工。憑藉著自己的勤奮好學，他很快學會了製造那些難度較高的儀器。但是繁重的勞動和艱苦的生活損害了他的健康，一年後，他不得不回家休養。一年的學徒生活使他飽嘗辛酸，也使他練就了精湛的手藝，培養了他堅韌的個性。1756年，當他的身體稍有好轉，瓦特再次踏上了坎坷的道路來到格拉斯哥市。他想當一名修造儀器的工人，但是因為他的手藝沒有滿師，當時的行會不允許。幸運的是，瓦特的才能引起了格拉斯哥大學教授台克的重視。在他的介紹下，瓦特進入格拉斯哥大學當了教學儀器的工人。這所學校擁有當時較為完善的儀器設備，這使瓦特在修理儀器時認識了先進的技術，開闊了眼界。這時，他對以蒸汽作動力的機械產生了濃厚的興趣，開始收集有關資料，還為此學會了義大利文和德文。在大學裡，他認識了化學家約瑟夫·布萊克和約翰·魯賓遜等。瓦特從他們那裡學到了很多科學理論知識。1764年，瓦特與表妹瑪格麗特·米勒結了婚。1764年，學校請瓦特修理一台紐可門式蒸汽機，在修理的過程中，瓦特熟悉了蒸汽機的構造和原理，並且發現了這種蒸汽機的兩大缺點：活塞動作不連續而且慢；蒸汽利用率低，浪費原料。以後，瓦特開始思考改進的辦法。直到1765年的春天，在一次散步時，瓦特想到，既然紐可門蒸汽機的熱效率低是蒸汽在缸內冷凝造成的，那么為什麼不能讓蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特產生了採用分離冷凝器的最初構想。在產生這種構想以後，瓦特在同年設計了一種帶有分離冷凝器的蒸汽機。按照設計，冷凝器與汽缸之間有一個調節閥門相連，使他們既能連通又能分開。這樣，既能把做工後的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸內產生同樣的真空，避免了汽缸在一冷一熱過程中熱量的消耗，據瓦特理論計算，這種新的蒸汽機的熱效率將是紐可門蒸汽機的三倍。從理論上說，瓦特的這種帶有分離器冷凝器的蒸汽機顯然優於紐可門蒸汽機，但是，要把理論上的東西變為實際上的東西，把圖紙上的蒸汽機變為實在的蒸汽機，還要走很長的路。瓦特辛辛苦苦造出了幾台蒸汽機，但效果反而不如紐可門蒸汽機，甚至四處漏氣，無法開動。儘管耗資巨大的試驗使他債台高築，但他沒有在困難面前怯步，繼續進行試驗。當布萊克知道瓦特的奮鬥目標和困難處境時，他把瓦特介紹給了自己一個十分富有的朋友--化工技師羅巴克。當時羅巴克是一個十分富有的企業家，他在蘇格蘭的卡隆開辦了第一座規模較大的煉鐵廠。雖然當時羅巴克已近50歲，但對科學技術的新發明仍然傾注著極大的熱情。他對當時只有三十來歲的瓦特的新裝置很是讚許，當即與瓦特簽訂契約，贊助瓦特進行新式蒸汽機的試製。從1766年開始，在三年多的時間裡，瓦特克服了在材料和工藝等各方面的困難，終於在1769年制出了第一台樣機。同年，瓦特因發明冷凝器而獲得他在革新紐可門蒸汽機的過程中的第一項專利。第一台帶有冷凝器的蒸汽機雖然試製成功了，但它同紐可門蒸汽機相比，除了熱效率有顯著提高外，在作為動力機來帶動其他工作機的性能方面仍未取得實質性進展。就是說，瓦特的這種蒸汽機還是無法作為真正的動力機。由於瓦特的這種蒸汽機仍不夠理想，銷路並不廣。當瓦特繼續進行探索時，羅巴克本人已瀕於破產，他又把瓦特介紹給了自己的朋友、工程師兼企業家博爾頓，以便瓦特能得到贊助繼續進行他的研製工作。博爾頓當時經四十多歲，是位能幹的工程師和企業家。他對瓦特的創新精神表示讚賞，並願意贊助瓦特。博爾頓經常參加社會活動，他是當時伯明罕地區著名的科學社團“圓月學社”的主要成員之一。參加這個學社的大多都是本地的一些科學家、工程師、學者以及科學愛好者。經博爾頓的介紹，瓦特也參加了圓月學社。在圓月學社活動期間，由於與化學家普列斯特列等交往，瓦特對當時人們關注的氣體化學與熱化學有了更多的了解，為他後來參加水的化學成分的爭論奠定了基礎。更重要的是，圓月學社的活動使瓦特進一步增長了科學見識，活躍了科學思想。瓦特自與博爾頓合作之後即在資金、設備、材料等方面得到大力支持。瓦特又生產了兩台帶分離冷凝器的蒸汽機，由於沒有顯著的改進，這兩台蒸汽機並沒有得到社會的關注。這兩台蒸汽機耗資巨大，使博爾頓也瀕臨破產，但他仍然給瓦特以慷慨的贊助。在他的支持下，瓦特以百折不撓的毅力繼續研究。自1769年試製出帶有分離冷凝器的蒸汽機樣機之後，瓦特就已看出熱效率低已不是他的蒸汽機的主要弊病，而活塞只能作往返的直線運動才是它的根本局限。1781年，瓦特仍然在參加圓月學社的活動，也許在聚會中會員們提到天文學家赫舍爾在當年發現的天王星以及由此引出的行星繞日的圓周運動啟發了他，也許是鐘錶中的齒輪的圓周運動啟發了他。他想到了把活塞往返的直線運動變為旋轉的圓周運動就可以使動力傳給任何工作機。同年，他研製出了一套被稱為“太陽和行星”的齒輪聯動裝置，終於把活塞的往返的直線運動轉變為齒輪的旋轉運動。為了使輪軸的旋軸增加慣性，從而使圓周運動更加均勻，瓦特還在輪軸上加裝了一個火飛輪。由於對傳統機構的這一重大革新，瓦特的這種蒸汽機才真正成為了能帶動一切工作及的動力機。1781年底，瓦特以發明帶有齒輪和拉桿的機械聯動裝置獲得第二個專利。由於這種蒸汽機加上了輪軸和飛輪，這時的蒸汽機在把活塞的往返直線運動轉變為輪軸的旋轉運動時，多消耗了不少能量。這樣，蒸汽機的效率不是很高，動力不是很大。為了進一步提高蒸汽機的效率，增大蒸汽機的效率，瓦特在發明齒輪聯動裝置之後，對汽缸本身進行了研究，他發現，他雖然把紐可門蒸汽機的內部冷凝變成了外部冷凝，使蒸汽機的熱效率有了顯著提高，但他的蒸汽機中蒸汽推動活塞的衝程工藝與紐可門蒸汽機沒有不同。兩者的蒸汽都是單項運動，從一端進入、另一端出來。他想，如果讓蒸汽能夠從兩端進入和排出，就可以讓蒸汽即能推動活塞向上運動又能推動活塞向下運動。那末，他的效率就可以提高一倍。1782年，瓦特根據這一構想，試製出了一種帶有雙向裝置的新汽缸。由此瓦特獲得了他的第三項專利。把原來的單項汽缸裝置改裝成雙向汽缸，並首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變為高壓蒸汽，這是瓦特在改進紐可門蒸汽機的過程中的第三次飛躍。通過這三次技術飛躍，紐可門蒸汽機完全演變為了瓦特蒸汽機。從最初接觸蒸汽技術到瓦特蒸汽機研製成功，瓦特走過了二十多年的艱難歷程。瓦特雖然多次受挫、屢遭失敗，但他仍然堅持不懈、百折不回，終於完成了對紐可門蒸汽機的三次革新。使蒸汽機得到了更廣泛的套用，成為改造世界的動力。1784年，瓦特以帶有飛輪、齒輪聯動裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機的綜合組裝取得了他在革新紐可門蒸汽機過程中的第四項專利。1788年，瓦特發明了離心調速器和節氣閥；1790年，他又發明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽機發明的全過程。1785年，瓦特被當選為英國皇家學會會員。1814年，他被法國科學家學會接納為外國會員。1790年以後，優厚的專利稅使瓦特成為一個很有錢的名人。1819年8月5日，瓦特在希思菲爾德郡的家裡去世，遺體埋葬在漢德沃爾斯郊區的教堂里。瓦特生活在十八、十九世紀的英國，所以在他的身上不可避免的帶有時代和階級的局限。他曾經阻撓雙筒蒸汽機和高壓蒸汽機的發明和推廣，還嘲笑別人用蒸汽機來驅動車輛的努力。瓦特為蒸汽機的推廣使用做出了不可磨滅的重要貢獻、有力的推動了社會的前進。恩格斯在《自然辨證法》中這樣寫道：“蒸汽機是第一個真正國際性的發明……瓦特個它加上了一個分離的冷凝器，這就使蒸汽機在原則上達到了現在的水平。”後人為了紀念這位偉大的發明家，把功率的單位定為“瓦特”。

蒸汽機的套用

瓦特發明的蒸氣機，使得紡紗織布效率大為提高，從而加快了國家的資本累積速度，對國家的資本主義發展作出了巨大的貢獻，間接提高了人民的生活水平。瓦特的創造性工作使蒸汽機迅速地發展，他使原來只能提水的機械，成為了可以普遍套用的蒸汽機，並使蒸汽機的熱效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽機的改良者。 自18世紀晚期起，蒸汽機不僅在採礦業中得到廣泛套用，在冶煉、紡織、機器製造等行業中也都獲得迅速推廣。它使英國的紡織品產量在20多年內(從1766年到1789年)增長了5倍，為市場提供了大量消費商品，加速了資金的積累，並對運輸業提出了迫切要求。長遠影響：蒸汽機的出現曾引起了18世紀的工業革命，推動了社會的發展。直到20世紀初，它仍然是世界上最重要的原動機，後來才逐漸讓位於內燃機和汽輪機等。