陶愉生

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陶愉生,物理化学家。他曾建议在即将更名为中国科学院化学物理研究所内开展激光应用于拉曼光谱、光化学、催化反应、化学动力学等方面的研究。后他又建议在该所开展化学激光研究。他所领导的课题组实现了我国第一台化学能泵浦的振动激发的氯化氢化学激光器。他还曾最早建议进行激光分离同位素。他的小组发现了4个低增益化学激光新反应,1个化学激光新反应通道和30余条新的红外激光谱线,并用化学激光光栅选频技术测出10个基元反应的产物初始振动能分布。
中文名
陶愉生
国    籍
中国
职    业
物理化学家
毕业院校
北京大学

陶愉生个人履历

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1923年10月9日 出生于北平
1941年末至1942年 西南联合大学先修班。
1942-1943年 西南联合大学化学系一二年级。
1943年11月至1945年9月 中国远征军译员。
1945年9月至1946年5月 继续求学,西南联合大学化学系二年级。
1946年11月至1948年6月 北京大学化学系三四年级并毕业。
1948年9月至1950年8月 美国斯坦福大学化学系研究生并获1951年硕士学位。
1950年10月 进入大连大学科学研究所工作(该所先后易名为东北科学研究所大连分所、中国科学院工业化学研究所、中国科学院石油研究所,1962年初更名为中国科学院大连化学物理研究所)。
1983年8月 晋升为研究员。[1] 

陶愉生技术成就

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陶愉生,1923年10月9日出生于北平一个严母慈父的知识分子家庭。幼年时正值国难当头,他不时逃难,在一个学校里连续读书时间最长的是在育英小学的三年。后人天津南开中学。“七七”事变后他从北平乘火车南下,沿途目睹了令他终生难忘的情景:每列车厢中有一名日本兵手持上了刺刀的步枪对准中国乘客。祖国备受凌辱的一幕幕惨景激发了他的爱国之心。在重庆南开中学读毕高二后,他进入西南联大先修班,1942年入化学系。1943年响应号召主动参加远征军任译员,参与了中国远征军的培训和打通滇缅公路的关键性战役——松山战役。1945年秋回西南联大继续学习并参加了“一二·一运动”。1946年联大复员,他转入北京大学。此后,他对化学动力学发生兴趣,四年级时跟随陈美觉讲师做毕业论文,题目是“The Kinetics of the Reaction between Iodine and Sodium Formate”。这是一个液相反应动力学研究,他们对已发表的反应历程做了一定的修正。
1948年秋,陶愉生赴美国斯坦福大学化学系读研究生,硕士论文题目为“Kinetics of the Decomposition of Nitrogen Pentoxide at High Temperature”,导师为Harold S.Johnston助教授。他利用一台阴极射线示波器作为信号快速记录器,反应体系透过光信号强度随时间之变化由光电倍增管接收,用停流(stop-flow)法把五氧化二氮单分子气相分解反应的速率测定从65℃延伸到123℃。此反应是半衰期小于1秒的快速反应,测出了反应活化能和低温时的没有显著变化。但含3个可调解参数(活化能ε*,单位时间的活化分子自发分解系数λ0及振动自由度S)的单分子反应速率常数公式,在此温度范围已不适用。他以NO3为中间物对五氧化二氮的分解历程作了解释。
当中华人民共和国成立时,陶愉生身在国外,急切希望回国参加建设。他放弃了继续工作一年即可在斯坦福拿到博士学位或赴英国牛津师从Cyril N.Hinshelwood(1956年诺贝尔化学奖获得者)攻读博士学位的两个机会,毅然回国。1950年10月他进入大连大学科学研究所,从事固定床CO+H2合成液体燃料用沉淀铁催化剂制备工作。在科研为生产服务方针的指引下,他放弃了自大学时代即已对之万般钟情的反应动力学,在铁催化剂制备研究方面一干就是8年,希望以铁代替我国奇缺的钴。1954年起他又改为研究制备氮化熔铁催化剂为在流体床中合成之用。同年夏他去北京大学听了唐有祺教授的结晶学讲座。1956年他又去中国科学院物理研究所学习粉末法X射线衍射技术,回所后在国内首次得出催化剂的X射线衍射图。
1958年陶愉生从事硼氢高能燃料研究,制备了二硼烷及其同系物。他摸索了氢化钠及三氟化硼乙醚络合物的制备方法后,亲自到大连化学工业公司所属工厂帮助建立了两个有关车间。随后他提出改用廉价铝代替钠,终于研究成功只用铝粉、氢气氯乙烷和三氧化二硼制备二硼烷的新方法。
1962年初,中国科学院石油研究所改名大连化学物理研究所。该所原先只从事催化剂及催化反应,色谱等分析方法以及化工分离和化学工程三大领域的工作,化学物理的研究基础极其薄弱,陶愉生根据一系列物理实验技术(如X射线、红外及紫外光谱,电子显微镜,电子衍射,核磁共振,顺磁共振和质谱等)在化学领域中都起过非常重要的作用,预测60年代物理领域新突破——激光的发现,由于它有高强度、单色性、相干性、方向性等性质,也一定会在化学科学中有美好前途,当时国内外化学界对激光的了解还很少。他具体建议开展激光作为Raman光谱光源,用激光研究光化学反应和催化反应以及化学动力学等四方面的研究。多年后这些方面的研究工作在国外确实蓬勃地展开了。特别是激光光谱学,由于以后陆续发现了各色各样的新激光光源而引起了光谱学领域的革命。他最希望的还是通过激光研究带动他热衷的化学动力学研究。
1962年秋,大连化学物理所在青岛召开会议讨论该研究所未来方向,决定将闪光光谱课题由陶愉生领导。次年他被派往吉林大学参加唐敖庆教授的群论讲座。1964年底当他正在金县参加社会主义教育运动时,党委决定他的课题组从闪光光谱改为研究化学光源——用烟火药燃烧发出的各色光源泵浦固体激光器。为此,他们从上海光学精密机械研究所引入了第一台激光器——钕玻璃激光器。
1965年陶愉生参加中国科学院召开的基础研究讨论会时,偶然看到一本新期刊《化学与工程新闻》(C&EN Feb.838-40 Research 1965),报道了伯克利加州大学的G.C.Pimentel和J.V.V.Kasper化学激光研究取得突破进展的消息。他当即向有关领导报告这一信息而且及时向科学院书面建议尽快安排化学物理所开展化学激光研究。上海光机所的黄武汉教授得知这一突破后也争取开展此项研究。最后中国科学院技术科学部决定上海、大连同时进行。1966年初他的小组扩大了力量开始研究用化学能泵浦的H2+Cl2反应的化学激光,同时派出郭础、李开罢支援上海。他们在上海制备出高纯度的三氟碘钾烷从而使上海小组得以实现用电能激励的光解碘原子化学激光。
陶愉生坚持一定要开展利用化学能作为激光能源的研究,因为化学能泵浦的激光不仅在地球上是可携带的激光器,且还能带到其他星球使用,而用电能为能源只能用火车携带在铁路沿线使用。在他的长期倡导下,到1966年底在克服了H2+Cl2预混、调谐激光腔及证实激光输出三个困难之后终于宣告:振动激发HCl+化学激光在大连诞生。在化学物理基础薄弱且没有激光研究基础的大连化学物理所,只用一年时间就达到国际化学物理和化学激光研究的前沿(比美国晚两年)。小组里的张荣耀以其精湛技术在化学激光器研制中起了关键作用。
“文化大革命”开始后,陶愉生“靠边站”,他花了许多时间坐在图书馆。此时正值激光科技突飞猛进之时。先是只要每两个月面貌就更新,到70年代末舒缓到每两年面貌更新一次,比起其他学科的变化仍要快。这种情况在科技史上是罕见的,而他有幸躬逢其盛。他总是及时向组内20多位同志通报进展情况。尽管当时驻所工、军宣队屡屡强迫他们改行去“联系实际”,但组内同志认识到激光的美好前景和国家未来对它的需要,说什么也不肯下马。这期间他们研究的CS2+O3新化学激光比苏联早9年,他们在国内最早开展染料激光研究。为了使这个课题组不被拆散,他们不得不搞了一个红外激光用于机场雷达导航大屏幕显示的项目。保住小组就是为尔后发展保留种子。
由于影印期刊滞后,直到1968年2~3月陶愉生才看到Science上的题为“Selective laser photocatalysis of bromine reactions”的一篇文章[157(1384),40~43(1967)]。此文之所以特别吸引他的原因是:它利用激光的高度单色性选择性地引发天然溴分子的一个化学反应(天然溴有79Br和81Br两种同位素),于是激光终于与化学反应结合了。他立即向组内同志做了传达。一次,他和郭础、陈锡荣议论这类反应的应用前景,猛然得出可用于分离同位素的令人兴奋的想法。全组当即于1968年3月中旬组织了讨论。会上他回顾了20年代初美国原子能委员会已经用单色性及方向性很差的汞的几条谱线成功分离了汞的7个同位素的这段历史,接着又讨论由氢到铀的同位素用光化学方法分离的可能性,最后还对如何使用激光技术进行了讨论。随后他向革委会负责科技工作的同志建议开展此项研究工作,得到的答复是要先做个成本核算,划算再开展。不久青海盐湖所一位同志来向他询问激光分离同位素的情况,他毫无保留地做了详细介绍。后来他还写了一篇文章介绍同位素分离。虽然当时不允许他参加科学院所召开的有关会议,但他尽自己所知著文供会议参考。对激光分离同位素的研究因种种原因他未能直接参与,但在他的学术生涯中,这是令他最感欣慰和最觉美好的一页。1972年他在德国出版的Laser+Elektro=Optik上读到德国科学家刚在餐桌上讨论激光分离同位素,比他们看出这条路要晚4年。
1968年夏,陶愉生被关进牛棚。他边学《毛选》,边不忘激光。他把想法写在一张张小纸条上,不幸纸条被查出,全部被没收。
“文化大革命”10年间,他虽然没有下乡并有被启用的迹象,但对“四人帮”他仍不停地做力所能及的抵制。有位所负责老同志多次点拨他,劝他不要做契珂夫小说中的“套中人”,后来还说什么“你再不出来,等人家从农村回来就没有你的地盘了。”但为了维护人的尊严他坚决不肯顺从。一夜他辗转反侧,连夜敲开党委书记的家门,直陈他对“文化大革命”的意见,最后险些被打成反革命分子。陶愉生做人的原则是,明知可能会吃亏,也要尽量做到于心无愧。1974 年“批林批孔”开始,他无法安心研究,又一次直言不讳地坦陈自己的观点因而再次受到批判,他不得不离开研究室转到情报室。
陶愉生的高尚人品一直为同仁们所敬佩。在那个年代里,他虽然身处逆境,但他对前来求教的所内外同行所提出的学术问题,都能做到无保留地回答,将自己在激光化学方面的多年的心得和对刚刚兴起的微观反应动力学方面的了解,倾其所有和盘托出。
1979年以后的14年间,陶愉生常为得到不多的研究经费和人员条件差所困扰。尽管如此,他仍然坚持培养了6名硕士研究生。他们研究了O(1D)和F原子的一系列反应:测定了O(1D)+H2,D2,HD,CH4,CHClF2和F+H2,CH4,C2H6,C3H8,nC4H10等10个基元反应的产物振动能分布。此外还发现O(1D)+D2,HD,CH4,C2H64个中国人首次发现的新化学激光反应及OD+和OH+的30余条新的红外激光谱线和O(1D)+CHClF2→HCl++COF2的新化学激光反应通道。其中O(1D)+D2反应曾被美国的约翰霍普金斯大学的D.W.Robinson教授根据他测定的OD+转动能分布结果认为不能产生振动—转动化学激光的。O(1D)+CHClF2也被不止一个实验室认为不可能出HCl激光。在实验室技术和实验方法上,他的实验室也做出许多改进。他们用的引发化学反应的微秒级的闪光灯寿命比国外化学激光创始人G.C.Pimentel实验室中的闪光灯寿命提高一个数量级以上。他们发明的一个寻找脉冲激光新谱线的简易装置,改进了在激光腔内加入光学损耗测激光增益的方法,并且利用降低反应物分压和增加惰性气体分压以取得更好的实验数据。他们把实验测得的振动能分布与计算机模拟计算相结合使得到的振动能初始分布数据更合理。他认为化学激光法测定产物的初始振动能分布比激光诱导荧光或红外化学发光法都更为优越。他主张用长反应管测低增益化学激光反应以便得到动力学数据。
1980年,国外连续报道了用实验方法探测化学反应过渡态的可见发射光谱(J.C.Polanyi)和激光探测过渡态吸收光谱(P.R.Brooks)两则振奋人心的消息。陶愉生未敢放弃已有的化学激光贸然转移方向。探测快速反应过程的技术需要从微秒级提高到飞秒级,为此,申请了基金并安装了仪器设备(顾玉昆起了很大作用),后因未获得后续基金的支持而无法进行实验工作。此时他犹记初中化学课本中的第一句话:“化学者研究化学变化之学问也。”化学变化乃旧化学键断开,新化学键形成的过程。而过渡态则为旧键将断未断,新键将成未成之际,整个体系的一种亚稳状态。如果用微观反应动力学实验探测手段和量子化学计算相结合把这个状态搞清楚即可得到化学变化之精髓。
从1987年起,陶愉生为硕士研究生讲授统计热力学,自编了讲义。临退休前他还念念不忘激光事业在大连化学物理所的发展,建议结合所内三大研究领域开展激光分析化学、激光分离技术和结合催化剂制备的激光表面吸附研究。这样大连化学物理所将能在下个世纪形成自己的研究特色。
陶愉生重视实验的准确度和精密度,重视实验记录的质量。他要求记录要自己懂,别人懂,现在懂,若干年后还能懂。为此,他给研究生提出几条要求。他认为实验工作是感性认识阶段,是直接经验。如果实验发生了错误,论文写得再好也不足取。他主张发表论文时,实验工作者名字放在前面,总结、归纳、撰写者无论如何只能放在后面。
陶愉生为人坦率,诚实,诚恳。每在图书馆中有所得,遇到组内同志或知音就会心花怒放地讲述。间或一时讲不明白,就回去再看再讲。他对重大科学事件了解得比较清楚,形成了自己的学术观点与风格。[1] 

陶愉生主要论述

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1 Harold S. Johnston and Yusheng Tao. Thermal Decomposition of Nitrogen Pentoxide at High Temperature. J. Am. Chem. Soc. ,1951,73: 2948~2949
2 Harold S. Johnston, Louise Foering, Yusheng Tao, et al. The Kinetics of the Thermal Decomposition of Nitric Acid Vapor. J. Am. Chem.Soc. 1951, 73: 2319~2321
3 陶愉生.激光与分子反应动力学.应用激光,1982,2(1):16~17
4 Yulin Huang, Yukun Gu, Yusheng Tao, et al. , The Nascent Prodouct Vibratioanl Energy Distribution of the Reaction by the Grating Selection Chemical Laser Techniques. Chem. Phys. Lett. ,1986,127 (5): 432~437
5 Shaoping Lu, Chengshan Liu, Yusheng Tao, et al. Chemical Laser Grating Selection Measurement of Initial Vibrational Energy Distribution by Reactions of F Atoms with H2,CH4,C2H6.J.Chem.Phys.,1988,88(4):2379~2392
6 顾玉昆,邵君龙,陶愉生等.化学激光光栅选频技术在化学动力学方面的应用.化学物理学报,1992,5(5):327~336
7 Chengwen Zhao, Yijian Gu, Yusheng Tao, et al. ,A Novel Method for the Preparation of Diborane from Aluminum, Ethyl Chloride, Boron Oxide and Hydrogen. Heteroatom Chem. 1992, 3(3):271~274
8 李百恕,王科,陶愉生等.高浓度臭氧的化学分析.化学通报,1993,(3):55~56
9 唐有祺,陶愉生,冯识民合译.多相催化剂的X射线分析.北京:科学出版社,1963
10 M.J.Pilling:Reaction Kinetics,Oxford Chemistry Series,Oxford Clarendon Press,1975陶愉生译.反应动力学.北京:科学出版社.1986
11 R.D.Levine&R.B.Bernstein:Molecular Reaction Dynamics.Oxford,Clarendon Press,1974陶愉生译.分子反应动力学.北京:科学出版社,1986
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参考资料
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