Митчел Уилсон - Американские ученые и изобретатели

Наиболее важный результат исследования Лангмюром нити накаливания появился на свет случайно. Испытывая способность вольфрамовых нитей испускать электроны, он случайно взял нить, изготовленную Кулиджем для какой-то особой цели. В испытательном аппарате Лангмюра эта нить начала испускать электроны в дотоле невиданном количестве. Оказалось, что эта вольфрамовая нить была пропитана окисью тория. Когда Лангмюр продолжил наблюдение, он обнаружил, что нить действует лучше всего, если она покрыта слоем окиси тория не толще, чем в одну молекулу.

Как раз в тот момент, когда наука стремилась постигнуть эйнштейновскую вселенную с четырьмя измерениями, Лангмюр стал пионером доселе неизведанного мира двух измерений, полного противоречий, сложности и красоты.

«Я начал работать в лаборатории „Дженерал Электрик“ в 1909 году над явлением высокого вакуума в лампах с вольфрамовой нитью и стал вводить в баллон лампы различные газы, чтобы увидеть, что произойдет, просто ради удовлетворения своего любопытства. Я наполнил баллон азотом, водородом и кислородом и разогрел нить накаливания до 3000° по Цельсию. Произошло нечто весьма удивительное. Прежде всего, кислород образовал пленку на поверхности нити. Пленка эта была такой прочной, что могла бы выдержать даже нагревание до 1500° по Цельсию в течение нескольких лет, и ее нельзя было восстановить водородом. Я наткнулся еще на несколько подобных явлений.

Я обнаружил, что мономолекулярный слой окиси тория на вольфраме может увеличить эмиссию электронов из вольфрамовой нити в вакууме в 100 тысяч раз».

В 1909 году, когда Лангмюр начал работу, существование молекул не было общепризнанным фактом. Милликен в то время еще не ставил своих экспериментов, но все же Лангмюр утверждал, что «уже можно считать доказанным, что атомы и молекулы — реальные вещи». «Тогда я сказал себе: если это так, доведи эту мысль до конца».

Лангмюр наблюдал за поведением нерастворимых веществ на поверхности жидкости. То были обыкновенные пленки смазочного масла, плававшие в тазу с водой, но Лангмюр сумел претворить свои наблюдения в проницательные выводы относительно размеров и формы молекул в пленке и их химии.

Капля маслянистого вещества, помещенная на поверхности жидкости, может вести себя двояко: сохраниться как компактный шарик или разлиться по поверхности в чрезвычайно тонкую пленку. Идею о том, что такая пленка будет распространяться по поверхности жидкости, пока не достигнет толщины в одну молекулу, впервые высказал Лангмюр. Сила сцепления молекул не позволит пленке растекаться дальше этого предела.

Прибором ему служил таз с водой. На поверхности воды плавал легкий стержень. Когда образовывалась маслянистая пленка, Лангмюр перемещал стержень боком, сжимая пленку. Динамометр — прибор для измерения силы — показывал ему, какая сила требовалась, чтобы сжать пленку. Даже самое ничтожное усилие можно было измерить. При передвижении стерженька Лангмюр обнаружил, что до определенного предела площадь маслянистой пленки уменьшается почти без приложения силы. Однако при сокращении площади наступал момент, когда пленка оказывала существенное сопротивление. Динамометр регистрировал резкое возрастание прикладываемой силы.

Первые опыты Лангмюр ставил с органическими кислотами — длинными углеводородными молекулами, представлявшими собой цепи от 14 до 34 атомов углерода в каждой. Больше всего Лангмюра поразило то, что критическое усилие было одним и тем же для всех кислот — длина молекул не играла роли!

Лангмюр рассуждал следующим образом. Маслянистую пленку следует считать системой молекулярных цепочек, лежащих просторно бок о бок. Сжатие, не встречавшее сопротивления, было просто выпрямлением и выравниванием цепочек в более четкий порядок. При дальнейшем сжатии пленки цепочки, сопротивляясь, «вставали на дыбы», чтобы занимать меньше места. Наконец, наступала критическая точка, когда все молекулы «стояли дыбом» и свободного пространства между ними больше не оставалось. Затем наступала точка критического давления, когда двухмерная «жидкость» превращалась в двухмерное твердое вещество, не поддающееся сжатию.

Теперь Лангмюр должен был найти объяснение этому явлению. Некоторые простые парафиновые углеводороды, представлявшие собой длинные цепочки атомов углерода, насыщенных водородом, не образовывали пленки на воде. Они оставались на поверхности в виде упругих маленьких капель. Далее Лангмюр обнаружил, что если одну из концевых углеродных групп такого углеводорода заменить группой, близкой к неорганической кислоте или растворимому основанию, образуется пленка.