20世纪的科学怪杰鲍林-第14部分

快捷操作: 按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页 按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页 按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部! 如果本书没有阅读完，想下次继续接着阅读，可使用上方 "收藏到我的浏览器" 功能 和 "加入书签" 功能！


　　鲍林和爱娃在慕尼黑时与海特勒和伦敦就相处得很好。在海特勒获得博士学位的那天晚上，四个人在纽博斯餐馆用香槟酒为他庆贺。那时他们就谈到了化学键的问题，但是谁也无能为力。随后，海特勒和伦敦来到瑞士跟随薛定谔攻读博士后，并在几个月后取得了突破。
　　鲍林来到苏黎世后拜访了他俩，双方展开了热烈的讨论。他得知海特勒和伦敦成功的关键在于采用了一年前海森伯提出的一个观点，他称之为电子交换，或是“共振”。基本思想是，在适当的情况下，电子会很快地交换相互的位置；海森伯用这一思想来解释氨的一些非常奇怪的光谱线。海特勒和伦敦对这一概念作了一些修改来解释化学键：他们想象两个带有自己电子的相同的氢原子互相接近。当它们靠近时，一个电子越来越被另一个原子的原子核所吸引。在某一点上，一个电子会跳向另一个原子，随后电子交换就以每秒数十亿次的频率发生了。在一定意义上，我们无法确认某一个电子是某一个原子核的。海特勒和伦敦发现，正是这种电子交换产生了把两个原子联结在一起的能量。他们的计算表明，电子密度在两个原子核之间最大，这样就降低了两个带正电的原子核之间的静电斥力。在某一点上，正电之间的斥力正好与电子交换的能量相平衡，这样就建立了一定长度的化学键。
　　电子交换在化学里是个全新的概念——在海森伯之前物理学中还没有类似的东西——但是它看来很管用。基于这一体系的计算值与氢分子的几个技术常数的实验值大致上相等，而且海特勒一伦敦模型在别的方面也成立。泡利的不相容原理提出，两个原子只有在自旋方向相反时才能在同一轨道上共存，而海特勒和伦敦发现他们的化学键如果要在氢分子中存在，以上状态是必要的。成对电子形成了原子间的粘合剂：这就是路易斯的共用电子对化学键，现在被赋予了牢固的量子力学基础和数学解释。新物理学又一次指明了一种奇怪的新现实。
　　鲍林对海特勒和伦敦的成果感到非常振奋，他在苏黎世的大部分时间里都在试图推广他们的概念。他与海特勒和伦敦进行了大量的讨论，不过在计算方面，一般都是他独立完成的。那段时间他没有写一篇论文。但是在9月1日启程返回美国的时候，他已经决定运用海特勒和伦敦对于化学键的共振解释来解决所有的化学结构问题。这将成为他今后十年工作的基础。
　　6　化学键
　　四面体
　　当鲍林回来的时候，加州理工学院呈现出一派欣欣向荣的景象。在密立根生气勃勃的领导下，学生人数在1927年秋天增加到600多，其中包括100名研究生。加州理工学院物理系一年发表的论文数超过全国任何别的学院。海耳正在洽谈一笔巨大的捐款，打算在威尔逊山顶上建造一架世界上最大的望远镜。地质学系刚刚成立，航空实验室也处于图纸设计的阶段。更为重要的是，据刚透露的消息称，全国最著名的遗传学家摩尔根①来此建立一个生物学系。生物学与物理学和化学一起，将成为加州理工学院的三驾马车，而摩尔根——他确定基因的位置在染色体上，同时也使他的实验对象果蝇风光了起来——正是再恰当不过的领导。他是一位顶尖高手，具有良好的社会关系，享有大笔的资助。他是在哥伦比亚大学被加州理工学院典型的做法吸引过来的。他将有自己的实验楼，有充足的研究基金。他在1928年的到来立刻使加州理工学院成为全国生物学领域的重要力量。
　　①摩尔根（Thomas　Hunt　Morgan，1866—1945），美国遗传学家、胚胎学家，因创立遗传的染色体学说获1933年诺贝尔医学奖。
　　鲍林、爱娃和小莱纳斯租了南威尔逊大街320号的一所小房子，离校园两条街，在那里他准备开始自己作为教授的第一年正式的教学生涯。但是他并没有保留在慕尼黑时诺伊斯写信告诉他的理论化学和数学物理学助理教授这一豪华的封号。“数学物理学”这一部分被删掉了。鲍林回忆说：“我不知道物理出了什么事。也许密立根反对我脚踩两条船，也许诺伊斯……决定不让我和物理系发生任何关系，惟恐我会改行。我无所谓。”可能并不是巧合，他最终的头衔，理论化学助理教授，和诺伊斯在麻省理工学院多年里的头衔一样。
　　由于这金森已经转到别的领域，鲍林接管了理工学院X射线实验室。他的第一个办公室设在X射线实验室一角，只有一张桌子，在那里他可以直接监督他的第一个正式研究生的活动。他是一个来自得克萨斯的勤奋的青年化学家，名叫霍尔姆斯·斯特迪文特。鲍林开始准备他作为助理教授的第一门课程——“波动力学及其在化学上的应用”——他自己动手写了250页笔记。后来他把这些笔记改写成了一本书。
　　他把剩余的精力投入了自己的科研工作。和他通常的做法一样，他的大脑同时思考着几个问题。在离开欧洲前，鲍林和戈尔德施米特商议好，把他的德语博士论文翻译并扩充成一本关于光谱学的专着。这两位青年理论家通过书信完成了这本书，戈尔德施米特写了一些章节；鲍林写了另一些章节并负责最后的编辑工作。《线状谱的构造》一书在1930年出版。这是鲍林的第一本专着，但是已经明显地带有他无法遏制的自信：至少有一个评论家抱怨说，著者斩钉截铁的语气使人觉得在线状谱方面已经没有什么新的东西可以学习了。其他的评论都持肯定的态度，这本书取得了一定程度的成功。
　　不过，与戈尔德施米特的合作纯粹是物理学上的研究，这使人对鲍林在加州理工学院的位置产生了疑问。在书出版之后，鲍林在化学系开设了基于这本书的一门课，但是只上了一次就被诺伊斯取消了。他告诉鲍林，密立根对在不对口的院系中开设物理课程很不满意，但是鲍林后来猜测是诺伊斯自己作出了决定，目的是让他专攻化学。
　　这一事件表明了诺伊斯内心的忧虑。鲍林的兴趣广泛，也许过于广泛了，包括理论物理。这没有什么不对——诺伊斯送他去欧洲的本意就是让他去学习新物理——但是现在他的计划是让鲍林把学到的知识运用到化学上去，而不是改行去研究物理。
　　在从欧洲回来的前几个月中，鲍林一门心思钻研纯理论物理。量子力学令他着迷，而索末菲教给他的工具足以让他在这一领域内出人头地，特别是在美国，量子物理学家寥若晨星。另一方面，他看着诸如海森伯、泡利和狄拉克之类的科学家，用他们令人眩目的数学和哲学才华作出了重大的科学发现，令他望尘莫及。实际上，鲍林对这一竞争感到畏惧，这也许是他一生中唯一的一次。
　　他需要获得突破，而他意识到突破口在新物理和化学的交界地带。如果说美国的量子物理学家还只是凤毛麟角的话，那么在20年代末在美国能够把量子力学应用到化学上的科学家更是屈指可数了，而且他们之间的多数人是对化学抱有兴趣的物理学家。而鲍林是独树一帜的，他受的训练和世界观是化学家的，而同时又有渊博的数学和物理学知识。量子力学开辟了一个新天地，其在化学领域的应用也展现了一个巨大的新空间，特别是有关化学键的问题。这儿的大门敞开着，全部的宝藏等待有识之士来发掘，来扬名。鲍林回忆说：“我认为有可能把工作做得更为出色一些，但是不知从何下手。我预感到我可能在这一领域作出一番事业，而且可能性相当大，值得我为之去奋斗。”在回到加州理工学院几个月后，鲍林在给一个同事的信中写道：“我确信我不该被理论物理学的鬼火所迷惑。”化学才是属于他的，但这是一种被新的物理学改造过的新化学。
　　一旦确定了重点，鲍林的工作进展神速。例如，在化学键的问题上，他认为还有很多工作没有做。鲍林觉得海特勒和伦敦在氢分子共振上的突破只是迈出了第一步，而他俩关于更为复杂的分子的尝试尚不能令人满意。他们毕竟都是物理学家，而不是化学家，所以不能指望他们把能量交换的概念与他们一无所知的浩如烟海的化学现象联系起来。尽管他俩先于鲍林成功地运用量子力学来解决化学键的问题，但是鲍林仍然有很大的余地来充实和修饰他们的创新思想。
　　他做的第一件事情是为《化学评论》准备一篇长文。该文介绍了海特勒和伦敦在单电子氢分子离子化学键问题上的研究工作，并加入了自己的一些观点。对大多数化学家而言，这是他们首次看到量子力学在自己领域中的应用，也标志着鲍林以量子化学家这一新的角色登上了美国科学舞台。
　　然后，他作了一次勇敢的飞跃。在1928年春天他给《国家科学院学报》写了一篇注记，文中把海特勒和伦敦关于化学键的理论称作“简单的理论”，并说它“在简单的情况下与路易斯共享电子对的成功理论完全等效”，并没有什么新鲜内容。在文章的结尾，他用整整一段的篇幅，宣称自己已经取得很大的进展。他说，他的计算表明，量子力学可以解释碳的四面体结构。
　　这一下子引起了读者的注意。碳是一个被深入研究的元素，也是全部有机化学的关键。碳原子串起了蛋白质、脂肪和淀粉的主干——生命系统的主要组成部分。碳化学就是生命的化学。
　　但是，物理学家和化学家在碳电子的结构上难以取得一致意见。大家知道，每一个碳原子总共带有六个电子，而开始的两个电子与成键无关，因为它们结成对，可以重新生成氦的含有两个电子的内层电子结构。在理论上，剩余的四个电子应该处在下一能级，也就是所谓的原子第二层。化学家都知道，碳为别的原子提供四个化学键，而且在自然界中，这些化学键保持几乎相同的长短和强度，并处在一个三面的金字塔或者说是四面体的四个角上。
　　但是，物理学家说，这种情况不可能发生。最近的光谱研究显示，碳的四个成键的电子处于两个不同的能级或亚层中。两个低层的电子彼此成对，这样就只有两个电子能够与别的原子成键。物理学家说，碳的原子价应该是2。而实际上这种情况极少：比如说，一氧化碳，碳与一个氧原子组成了双键。
　　协调物理学家的碳原子和化学家的碳原子是一巨大的挑战，而鲍林决心迎接这一挑战。物理学家的光谱结果不容质疑，而化学家的四面体同样证据确凿。两大阵营都应该是正确的。
　　在他1928年的注记中，鲍林基于海特勒和伦敦的能量交换说提出了一种解释。每次形成一个新的化学键时，都要涉及新的能量交换。他写道，形成四个四面体化学键所产生的能量交换足以打破物理学家亚层中的四个成对电子，并使它们组成新的形式。
　　这是一种令人振奋的思想，但是需要有相当的数学来支持。鲍林在那个注记中没有详述，只是说：“有关这里提及的材料的详细说明将送交《美国化学学会学报》发表。”然后，他把自己的注记复写了一份送给路易斯，并附上一封信说：“我很高兴，新的原子模型重现了路易斯原子和玻尔原子的鲜明特点。”
　　鲍林的“详细说明”过了几乎三年才与读者见面。1928年，他进行了许多复杂的运算，至少初步能让他确信自己的想法是正确的，但是他说：“运算太复杂了，我担心人们不会相信，而且我也可能不相信。……谁都可以看到，量子力学必将走向四面体碳原子，因为这是我们已经掌握的事实。但是公式太复杂了，我怎么也不敢肯定自己的论点能够说服别人。”
　　今天，通过计算机我们可以得到精确的结果。但是在1930年，想要完全解出任一分子系统的公式都是不可能的。和每一个试图把波动力学用到复杂的体系上去的理论家一样，鲍林不得不寻找捷径，作出种种假设和近似，以进一步简化数学方程。
　　同样的数学障碍也难住了伦敦和其他有志于这一领域的科学家。不同的是，鲍林信心十足地认为，数学障碍最终会扫平，他最初的设想也将可以发表。为了不影响自己的科研重点，他让自己的研究生斯特迪文特继续研究四面体波动方程问题。斯特迪文特本人是一个相当能干的数学家，然而他在苦干几个星期后毫无进展。鲍林因为已经专注于其他问题，就把碳的问题搁置了起来。
　　鲍林法则
　　加州理工学院继续吸引着世界上最杰出的理论物理学家来加利福尼亚访问。20年代末，在鲍林的协助下，学院先后迎来了海森伯、索末菲和狄拉克。鲍林对他们的研究课题继续保持着强烈的兴趣，并发表了几篇物理学方面的论文，如电子的动量分配以及光和X射线对电子的影响等。
　　不过，在大部分时间里，他试图通过X射线晶体学来解决分子结构的问题。在这一方面，他一筹莫展。如果他感兴趣的一个结构涉及的原子数目稍微多一些，就几乎无法解决了。问题的部分症结又是数学，涉及到把衍射的X射线在照相底版上形成的图谱换算成一个三维结构所需的令人望而却步的计算。分子中的原子数量越多，图谱就越复杂，理论上可能的结构就越多。每一个新增的原子都大大地增加了难度。
　　此外，还存在一个更加根本的问题：X射线晶体学家的工作方式。为了保证结果的准确性，研究者——在20年代几乎都是物理学家——通常假定，所有能够满足化合物分子式的原子排列都是可能的结构。找到正确结构的过程是一个排除不能精确符合X射线和密度数据的结构的过程。这一严密的方法能够得出确定的结果——你能够肯定你找到了正确的结构，因为你一个一个地把所有其他的可能性都排除了——但是这也如同在一堆干草中寻找一根针，你每次拣起一根草，将它同针的图片对照，如果不匹配就将它扔到一边。晶体的结构越复杂，草堆就越大。
　　X射线晶体学家的目标越来越大，这一工作的难度也越来越大，越来越耗费时间，越来越机械重复，需要雇佣一支“人脑计算机”队伍来进行数学计算。这不配鲍林的胃口，他开始寻找捷径。在先前大量阅读和思考的基础上，他开始综合他的化学和X射线晶体学知识来形成一种结构的世界观，一种对于原子互相组合倾向的认识。如果他读到一篇关于晶体结构的文章，而结论又是合理的话，他就将它存人自己的大脑库中。但是如果结论有些不大对劲——键角歪斜，或者原子错位——鲍林就会进行仔细检查，有时候参照已发表的X射线照片来重建结构，有时候重新进行X射线衍射分析。他经常发现，自己感觉是错误的结构，实际上的确是错误的。当然，偶尔更令他激动的是，他感觉是错误的结构被证实是正确的。那样，他就得修正自己的世界观，以便包容这一新知识。这就是他学习的过程。经过多年的训练，他已获得对结构的一种神奇的感觉；他甚至可以在转眼之间想象出合理的结构，否定不合理的结构。后来，观察家们将此称作鲍林的“化学直觉”。然而这一称呼并不完全正确，因为这过于强调了感情用事和非理性的一面。鲍林的能力完全是理性的，建立在长时间的认真阅读和对浩瀚的化学事实进行整理和甄别的基础上。
　　这种对化学结构的深刻理解使鲍林得以摆脱X射线晶体学旧方法的侄桔。“我的态度是，我为什么不能从自己在研究无机物晶体本质时得到的知识出发，进而去预测它们的结构呢？”他问道。物理学家在做X射线衍射实验时得考虑含有正确原子数的所有结构，因为除此之外他们就一无所知了。而鲍林却知道，由于这样或那样的化学因素，多数假设的结构是不存在的。原子的位置相当有限。在开始之前，他就能去除多数无用的假设，只剩下少数几个可能性。
　　预测是跳出晶体学家泥潭的绝好方法，但如要让别的研究人员也能作出精确预测的话，就需要规则，一套能够运用到各类情况下的原则，以说明为什么某些结构是可能的或是不可能的。在20年代末，鲍林认识到某些基本的结构形式常常在不同的晶体中重复出现。这些结构形式重复出现总有一定的道理；它们一定受到某种规则的制约。如果他能够发现这些规则，那么他就能预测未知晶体的结构。
　　在英国曼彻斯特的实验室中，英国物理学家威廉·劳伦斯·“威利”·布拉格也在沿着这一思路进行着思考。
　　布拉格的性格十分复杂。他生性腼腆，具有一种维多利亚的老派绅士风度，爱好养鸟和园艺，在许多方面更像一个乡绅，而不是一个大科学家。他的一个同事说，甚至“他的外表和行为也像是一个富裕农场主，穿着不很入时”。
　　他是英国最出色的物理学家之一，在他保守的外表之下是一颗争强好胜的心。而且他面临着巨大的压力。他很早就在国际上成名，也许过早了一些。当时他和父亲，也叫威廉，在劳厄最初的发现之后共同发展了X射线晶体学。X射线晶体衍射的布拉格方程是这门学科的基石；布拉格父子的教材是这一领域的圣经。与父亲的合作，使威廉·布拉格在25岁时就获得了诺贝尔奖，使他成为最年轻的获奖者。接踵而来的是国际名誉和享有盛名的曼彻斯特实验室主任一职。
　　他并不喜欢行政管理工作，而对科研痴心不改。布拉格具有一种去芜存精、一针见血的科学本领，他正运用这一本领着手解决一个重大问题。在20年代末，布拉格的兴趣集中在硅酸盐上。这是一族数量众多、重要的矿物，由硅、氧和各种金属原子组成的复杂的离子晶体。硅酸盐是地球上最普通的矿物——包括从滑石到黄玉的各种物质——同时也是最为复杂的矿物。弄清楚它们各种各样的结构将是晶体学家的非凡成就。和鲍林一样，布拉格也在寻找捷径，并对自己发明的一种方法十分自豪。他把硅酸盐视作由不同大小的离子组成的球体，就像是在一个罐头中堆放弹子。布拉格的研究表明，离子晶体一般总会使原子尽可能紧密地结合在一起，他称为“紧密排列”。在他的设想中，像氧这样的大个离子彼此之间的排列将决定晶体的基本结构，而较小的离子则被塞进留下的空隙中。他相信，使用这一方法将会弄清楚所有的硅酸盐结构。
　　照鲍林的说法，“布拉格认为这是他的领地。”但是鲍林闯了进来，粗暴地唤醒了主人。鲍林同样对硅酸盐深感兴趣，并决心给布拉格制造一些竞争压力。尽管这位英国科学家只比他大11岁，鲍林仍认为布拉格“属于老一辈物理学家，他在前面披荆斩棘，而我则设法跟上。”布拉格的紧密排列法是一个良好的开端，然而鲍林觉得有另外的方法可以使人得到更佳的结果。
　　和布拉格一样，鲍林把这一类型的晶体中的离子设想为一定大小的球体，而且他透彻地知道这些球体的大小——毕竟鲍林是运用量子力学方法来确定离子半径的第一人。但是在对这些球体性质的认识上，他俩的观点不尽相同。布拉格认为离子晶体没有更小的分子形式的结构——他将它们看作是单独离子的延伸，就如他和父亲在食盐中发现的那样——而鲍林认为硅酸盐含有基本单位。比如说，硅的性质和碳十分相似；它与四个氧原子成键时也形成一个四面体。布拉格认为，氧原子在离子晶体中常常六个一组构成一个八面体。四面体和八面体：鲍林就是从这些基本的构造形式开始入手的。
　　对此进行了深入思考之后，鲍林取得了突破。他将自己在量子力学、离子大小、已发表的晶体结构和化学规则方面的知识天才地综合起来，提出了一套关于最有可能的结构形式的简单规则。其中最重要的一条称为静电价规则，以已知原子和其他原子成键的能力，即原子价为基础，来确定在某一角上有多少原子会彼此联结。这里的关键是，在这些矿物质中，一个中心原子的原子价会被周围带相反电荷的离子按比例分配。其他的规则涉及到对面和棱的共用。把这些规则组合在一起，同时也考虑到布拉格的紧密组合思想，鲍林概括出一种相对简单的程序，通过这一程序就可以一步一步地排除不可能的晶体结构并预测最有可能的形式。
　　他在1928年下半年最先在一系列论文上发表了自己的规则，作为对索末菲60岁生日的献礼。对于一位教会他动用一切工具以得到解决方案的老师来说，这是一份最恰当不过的寿礼了。第二年，他在《美国化学学会学报》上更加详尽地阐述了自己的理论。很快，他的理论在晶体学家中被称作为“鲍林规则”。这些规则十分管用。在他最初的一些论文中，鲍林运用自己的规则解决了两个复杂的硅酸盐晶体结构，就是板钛矿和黄玉。鲍林规则使X射线晶体学得以解决以前不可能解决的复杂构造。
　　但是，鲍林所做的并不仅仅是提出了这些规则。在对硅酸盐的研究中，鲍林设计了一种解决复杂的X射线晶体构造的完整程序