ギルバート・N・ルイス

ルイスは1875年に生まれ、マサチューセッツ州ウェイマスで育った。ウェイマスにはサマー・ストリートから分岐するGNルイス・ウェイという、彼の名を冠した通りがある。さらに、新設されたウェイマス高校化学科の棟も彼の名にちなんで名付けられている。ルイスは、独立心旺盛な弁護士である父フランク・ウェズリー・ルイスと母メアリー・バー・ホワイト・ルイスから家庭で初等教育を受けた。彼は3歳で読み書きができるようになり、知的に早熟だった。1884年に一家はネブラスカ州リンカーンに引っ越し、1889年に大学進学準備学校で初めて正式な教育を受けた。

1893年、ネブラスカ大学で2年間学んだ後、ルイスはハーバード大学に編入し、 1896年に理学士号を取得した。アンドーバーのフィリップス・アカデミーで1年間教鞭を執った後、ルイスはハーバード大学に戻り、物理化学者のT・W・リチャーズのもとで学び、1899年に電気化学ポテンシャルに関する論文で博士号を取得した。^{[ 20 ] [ 21 ]}ハーバード大学で1年間教鞭を執った後、ルイスは物理化学の中心地であるドイツへの旅行奨学金を得て、ゲッティンゲンでヴァルター・ネルンストのもと、ライプツィヒでヴィルヘルム・オストヴァルトのもとで学んだ。^{[ 22 ]}ネルンストの研究所で働いていた間、ルイスはネルンストと生涯にわたる敵意を抱くようになったようだ。その後数年間、ルイスはかつての師を何度も批判し非難し、ネルンストの熱定理に関する研究を「化学史における嘆かわしい出来事」と呼んだ。^{[ 23 ]}ネルンストのスウェーデン人の友人、ヴィルヘルム・パルメールはノーベル化学賞選考委員会のメンバーであった。彼はノーベル賞の推薦と報告の手続きを利用して、ルイスを3回ノーベル賞に推薦し、その後委員としての立場を利用して否定的な報告書を書くことで、ルイスの熱力学におけるノーベル賞受賞を阻止したという証拠がある。 ^{[ 24 ]}

ネルンストの研究所での滞在後、ルイスは1901年にハーバード大学に講師として戻り、さらに3年間勤務した。彼は熱力学と電気化学の講師に任命された。1904年、ルイスは休職を認められ、フィリピンのマニラにある科学局の度量衡監督官となった。翌年、彼はマサチューセッツ州ケンブリッジに戻り、マサチューセッツ工科大学（MIT）の教員に任命された。そこで彼は、アーサー・エイモス・ノイズの指導の下、優れた物理化学者のグループに加わる機会を得た。彼は1907年に助教授、1908年に准教授、1911年に教授となった。

GN ルイスは 1912 年に MIT を離れ、カリフォルニア大学バークレー校の物理化学教授および化学学部長に就任した。^{[ 9 ] [ 15 ]} 1912 年 6 月 21 日、ハーバード大学のロマンス語教授の娘であるメアリー・ヒンクリー・シェルドンと結婚した。彼らには 2 人の息子がおり、どちらも化学教授になった。また、娘も 1 人いた。1913 年、彼はバークレー校の化学専門職友愛会であるアルファ・カイ・シグマに入会した。^{[ 25 ]}

ルイスがバークレーで指導した大学院生たちは、ノーベル委員会で非常に成功を収めた。最終的に、彼が教えた学生たちに14のノーベル賞が授与された。 ^{[ 26 ]}その中でも最も有名なのは、ハロルド・ユーリー（1934年ノーベル賞）、ウィリアム・F・ジオーク（1949年ノーベル賞）、グレン・T・シーボーグ（1951年ノーベル賞）、ウィラード・リビー（1960年ノーベル賞）、メルビン・カルビン（1961年ノーベル賞）である。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}彼の努力により、バークレーの化学部は世界トップクラスの化学センターとなった。^{[ 15 ] [ 18 ]}

バークレー在籍中、彼は女性の入学を拒否し、マーガレット・メルハースが大学院で研究を行うことも阻止した。^{[ 27 ] [ 28 ]}メルハースは学部生時代にシーボーグと共にセシウム137を共同発見していた。1913年、彼は米国科学アカデミーに選出された。^{[ 29 ]} 1918年にはアメリカ哲学協会に選出された。^{[ 30 ]}彼は1934年に辞任したが、辞任の理由を明かさなかった。その理由は、同協会の内部政治をめぐる論争、あるいは彼が推薦した人物が選出されなかったためではないかと推測されている。また、 1931年に重水素を単離し、そのスペクトルを確認した彼の教え子ハロルド・ユーリーが1934年のノーベル化学賞を受賞したことに対する彼の憤りも、辞任の動機となった可能性がある。これは、ルイスが重水の精製と特性評価に尽力したことに対して、ほぼ間違いなく自分が共有すべきだと感じていた賞だった。^{[ 31 ]}

ルイスの生涯にわたる関心のほとんどは、ハーバード大学時代に始まった。最も重要なのは熱力学であり、当時、彼の博士課程指導教官であるリチャーズが非常に活発に研究していた分野である。1895年までに重要な熱力学的関係のほとんどは知られていたが、それらは孤立した方程式と見なされており、1つの関係から残りの関係を導き出すことができる論理体系として合理化されていなかった。さらに、これらの関係は不正確であり、理想的な化学系にのみ適用された。これらは理論熱力学の2つの大きな問題であった。1900年と1901年に発表された2つの長くて野心的な理論論文で、ルイスは解決策を提供しようと試みた。ルイスは熱力学の活量の概念を導入し、「フガシティ」という用語を造語した。^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]フガシティ、または「脱出傾向」 [ 37 ]}という彼の新しい考えは、物質が1つの化学相から別の化学相に移行する傾向を表す圧力の次元を持つ関数であった。ルイスは、フガシティこそが、実際の熱力学的関係式体系を導き出すための根本原理であると信じていた。この期待は実現しなかったものの、フガシティは実在気体の記述において永続的な地位を占めることになった。

ルイスの初期の論文には、J.W.ギブスとP.デュエムの自由エネルギーと熱力学的ポテンシャルの概念に対する、異例なほど高度な認識が表れている。これらの概念は物理学者や数学者にはよく知られていたが、ほとんどの実務化学者には難解で化学系には適用できないと考えられていた。ほとんどの化学者は、ベルテロ、オストワルド、ファン・ト・ホッフの熱（エンタルピー）の熱力学と熱量測定学派に頼っていた。反応熱は当然、化学変化が起こる傾向の尺度ではなく、ルイスは自由エネルギーとエントロピーだけが正確な化学熱力学を提供できると認識していた。彼はフガシティから自由エネルギーを導き出し、 1901年当時低温では定義されていなかったエントロピー関数の正確な式を得ようと試みたが、成功しなかった。リチャーズも試みたが失敗し、1907年にネルンストが成功するまで、エントロピーを明確に計算することはできなかった。ルイスのフガシティに基づくシステムは長続きしなかったものの、彼が初期から抱いていた自由エネルギーとエントロピーへの関心は非常に実り多いものとなり、彼のキャリアの多くは、これらの有用な概念を実践的な化学者が理解できるようにすることに費やされた。

ハーバード大学在学中、ルイスは黒体放射の熱力学に関する理論論文も執筆し、その中で光には圧力があるという仮説を立てた。後に彼は、年上で保守的な同僚たちからこの考えを追求することを思いとどまるよう説得されたことを明かした。彼らは、ヴィルヘルム・ヴィーンらが既に同じ考え方を成功裏に追求していたことを知らなかったのだ。ルイスの論文は未発表のままだったが、放射と量子論、そして（後に）相対性理論への彼の関心は、この初期の、頓挫した試みから生まれた。ルイスはキャリアの最初から、自身を化学者と物理学者の両方であると認識していた。

1902年頃、ルイスは講義ノートに立方体原子の未発表の図を使い始めた。この図では、立方体の角が電子の可能な位置を表していた。ルイスは後に、1916年に発表した化学結合に関する古典的な論文の中で、これらのノートを自身の考えを初めて表現したものとして引用している。

ルイスがハーバード大学に在籍していた頃に抱いた3つ目の大きな関心事は、原子価理論でした。1902年、ルイスは学生たちに原子価の法則を説明しようとしていた際に、原子は各角に電子を持つ同心円状の立方体の連なりで構成されているという考えを思いつきました。この「立方体原子」は周期表の8元素の周期性を説明し、化学結合は各原子に8個の完全な電子を与えるために電子の移動によって形成されるという広く受け入れられていた考えと一致していました。この電気化学的な原子価理論は、1904年のリチャード・アベッグの研究で最も精緻な形で表現されましたが^{[ 38 ]}、具体的な原子モデルに具体化されたのはルイスの理論だけでした。しかし、当時のほとんどのアメリカ人化学者と同様に、そのような思索を好まなかったハーバード大学の指導者たちは、ルイスの理論には興味を示しませんでした。ルイスは立方体原子の理論を公表しなかったが、1916年にそれは彼の共有電子対結合理論の重要な一部となった。

1916年、彼は化学結合に関する古典的な論文「原子と分子」^{[ 39 ]}を発表し、共有電子対からなる共有結合の概念を定式化し、電子が共有されていない場合は奇数分子（現代ではフリーラジカルと呼ばれる）という用語を定義した。彼はルイス構造式や立方体原子モデルも紹介した。これらの化学結合に関する考え方はアーヴィング・ラングミュアによって発展させられ、ライナス・ポーリングによる化学結合の性質に関する研究のインスピレーションとなった。

1923年、彼は酸塩基反応の電子対理論を定式化した。この酸塩基理論では、「ルイス酸」は電子対受容体であり、「ルイス塩基」は電子対供​​与体である。^{[ 40 ]}また、同年には化学結合の理論に関するモノグラフも出版した。^{[ 41 ]}

J. ウィラード・ギブスの研究に基づき、化学反応は関与する物質の自由エネルギーによって決定される平衡状態に達することが知られていた。ルイスは25年間かけて様々な物質の自由エネルギーを測定した。1923年、彼とマール・ランドールはこの研究結果を発表し^{[ 42 ]} 、これは現代の化学熱力学の体系化に役立った。

ルイスは1933年に初めて純粋な重水（重水素酸化物）のサンプルを生成し^{[ 43 ]}、重水中での生命体の生存と成長を研究した最初の人物となった^{[ 44 ] [ 45 ]} 。アーネスト・O・ローレンスのサイクロトロンで重水素（重水素原子核）を加速することで、原子核の多くの性質を研究することができた^{[ 46 ]} 。 1930年代には、ルイスはグレン・T・シーボーグの指導者であり、シーボーグはルイスの個人研究助手として博士研究員として残された。シーボーグはその後、1951年にノーベル化学賞を受賞し、生前に彼の名にちなんで元素シーボーギウムと名付けられた。

1924年、ルイスは液体窒素中の酸素溶液の磁気特性を研究することで、O ₄分子が形成されることを発見した。^{[ 47 ]}これは四原子酸素の最初の証拠であった。

1908年、彼は相対性理論に関する一連の論文の最初のものを発表し、その中でアルバート・アインシュタインの導出とは異なる方法で質量とエネルギーの関係を導出した。 ^{[ 10 ]} 1909年、彼はリチャード・C・トルマンと共に、自身の手法を特殊相対性理論と組み合わせた。^{[ 48 ]} 1912年、ルイスとエドウィン・ビッドウェル・ウィルソンは、時空の研究に合成幾何学を応用しただけでなく、時空のスクイーズマッピングとローレンツ変換の同一性にも言及した、数理物理学における重要な研究を発表した。^{[ 49 ] [ 50 ]}

1926年、彼は放射エネルギー（光）の最小単位として「光子」という用語を造語した。実際には、ネイチャー誌への彼の手紙の結果は、彼が意図したものではなかった。^{[ 51 ]}その手紙の中で、彼は光子をエネルギーではなく構造要素として提案した。彼は、光子の数という新しい変数の必要性を主張した。彼の理論は、1905年にアルベルト・アインシュタインが提唱した光の量子論とは異なっていたが、彼の名前はアインシュタインが光量子（ドイツ語でLichtquant）と呼んだものに採用された。

1921年、ルイスは、物理化学者を20年間悩ませてきた問題である、強電解質が質量作用の法則に従わないことを記述する経験式を初めて提案した。 ^{[ 52 ]}彼がイオン強度と呼んだものに関する彼の経験式は、後に1923年に発表された強電解質のデバイ・ヒュッケル式と一致することが確認された。

ルイスは、そのキャリアを通じて、この項目で述べたもの以外にも、光量子の性質から価格安定化の経済学に至るまで、多くのテーマについて論文を発表した。晩年、ルイスと彼の最後の研究協力者であった大学院生のマイケル・カシャは、有機分子のリン光は励起三重項状態（2つの電子のスピンベクトルが同じ方向を向いているが、異なる軌道にある状態）にある1つの電子からの光の放出を伴うことを明らかにした。そして、この三重項状態の常磁性を測定した。^{[ 53 ]}