20世纪的科学怪杰：鲍林(18)

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一八

在鲍林进入研究生院前的一个多世纪中，多数物理学家认为光是一种能量波。要验证这一点很容易。让一束光射过一个排列紧密的光栅，光束会被分散成许多较小的光波——正如海浪撞上有缺口的海堤那样。如果光栅的缝隙间距正好的话（与光线的波长相当），光在另一端的屏上将会形成一种明暗相间的条纹。亮处由从缝隙出来的光波叠加而成，暗处是从缝隙出来的光波叠减的结果。这是光的衍射现象。如果光由许多不同波长的光线组合而成，比如阳光，衍射将会呈现异常美丽的色彩：如五彩斑斓的蝴蝶翅膀与奕奕生辉的珍珠母。鲍林尽管不知道这一科学术语，但他早在13岁的时候就对这种光学现象发生了兴趣。当他在雨中走在波特兰街道上的时候，乍一抬头，发现街灯射过雨伞的布缝，形成一道美丽的彩虹。几年之后他才在第一门物理课上了解到他看见的是光的衍射现象。　　1895年发现Ｘ射线之后，许多物理学家认为它是一种特殊的光线——你可以用Ｘ射线拍摄木头里的钉子或是手掌里的骨头——其性质应该与波一致。但是没有人能够肯定，因为尚无人能够确凿无疑地证实Ｘ射线具有衍射等波特有的性质。关键问题是，在进行衍射试验时，光栅缝隙的大小应该与试验对象的波长相当。每英寸两万线的光栅适用于可见光。但是Ｘ射线比可见光能量大得多，这按照经典物理学的解释，意味着其波长要短得多——可能只有可见光波长的千分之一。制作如此精细的光栅完全是不可能的。　　德国物理学家马克思·冯·劳厄认为，如果人工做不出这样的光栅，自然造化也许能行。自然界中的晶体被认为是由原子按一定规律排列而成的，每层只有几个原子厚。劳厄觉得这些原子层的间隙可能合适，可以作为Ｘ射线衍射光栅。不过由于原子是由原子层组成的一个立体，在另一端形成的图案将会十分复杂，就像把几个光栅叠放在一起那样。劳厄的老板、慕尼黑大学教授阿诺德·索末菲认为这一想法荒诞不经，劝说他不要在这上面浪费时间。但到了1912年，两个学生证实了劳厄的预言。他们把一束Ｘ光射向硫化锌晶体，在感光版上捕捉到了散射现象，即后来所称的劳厄相片。感光版冲洗出来之后，他们发现了圆形排列的亮点和暗点——衍射图。劳厄证明了Ｘ光具有波的性质。《自然》杂志把这一发现称为“我们时代最伟大、意义最深远的发现”。两年后，这一发现为劳厄赢得了诺贝尔奖。　　这一发现有两个重大意义。首先，它表明了Ｘ射线是一种波，这样科学家就可以确定它们的波长，并制作仪器对不同的波长加以分辨。（和可见光一样，Ｘ射线具有不同的波长。）但是劳厄倡导的第二个领域结出了更为丰硕的成果。一旦获得了波长一定的光束，研究人员就能利用Ｘ光来研究晶体光栅的空间排列：Ｘ射线晶体学成为在原子水平研究三维物质结构的首枚探测器。　　现代化学奠基人之一的汉弗莱·戴维在鲍林进入加州理工学院一个世纪前就曾说过：“在人类获取知识的过程中，新工具的运用具有超越一切的重要性。人们在各个时代取得的不同成就，其关键因素并非是他们的自然智力水平，而是他们所掌握的各种手段和人工资源。”Ｘ射线晶体学将成为一种威力无穷的人工资源。　　背后的理论相当简单。研究人员面对着三个因素：波长一定的Ｘ光，结构一定的晶体光栅和衍射图谱——三者之间存在着一种简单的数学关系。知道了图谱以及另一个因素，就可以推导出第三个因素。最初的许多数学和实践技巧是由一对英国父子搭档，亨利·布拉格和劳伦斯·布拉格①开发的。他们在剑桥与曼彻斯特的实验室成为世界上进行Ｘ射线晶体学研究最著名的中心。　　①亨利·布拉格（Henry Bragg，1862—1942），英国物理学家，现代团体物理学创始者之一。其子劳伦斯·布拉格（Lawrence Bragg，1890—1971）也是物理学家。父子俩一起用X线衍射仪确定晶体结构，共获1915年诺贝尔物理学奖。　　理论并不复杂，但在实践中，由于衍射图谱相当复杂，因此把晶体结构拼凑起来的过程相当耗费时间和精力。早期的仪器是自制的，质量很不稳定。晶体通常要非常大，需要经过精心的提炼，按一定角度切割，并通过精确的放置才能获得满意的衍射图谱。如果成功地获得了劳厄相片，还要一丝不苟地测量各点的位置和分布。然后才是数学计算。即使是简单的晶体，在没有计算机的时代，对每一个晶体结构的计算都需要花费几个月的时间。如果晶体过于复杂，基本晶体结构单位晶胞中包含的原子数目超过十个，那么Ｘ光的衍射图谱将异常复杂，难以破解。整个过程有点像用自制的猎枪射击一块装饰用的熟铁，然后通过分析跳弹的轨迹来推测熟铁的形状。　　出于这些原因，研究对象只能局限于很简单的晶体。然而，对这些简单晶体的研究得出了令人惊讶的成果。研究人员第一次可以通过工具了解晶体中单个原子的排列，精确测量原子间的距离和角度。布拉格父子解决的第一个晶体结构是岩盐，结果出人意料。整个晶体形成了一个巨大的栅格，每个销离子被六个等距离的氯离子包围，每个氯离子被六个等距离的钠离子包围。没有单独的氯化钠“分子”。这一发现震惊了理论化学界，立即引发了人们对盐在溶液中行为的新思索。布拉格实验室早期的另一个成功是发现了钻石的结构，验证了早先化学家的理论，它纯粹是由碳原子组成的四面体。布拉格父子接着又解决了其他几个晶体的结构（他们在劳厄之后一年分享了诺贝尔奖）。　　诺伊斯深信Ｘ射线晶体学将会有更深入的发展。晶体学是由欧洲物理学家发明的，但诺伊斯后来把它带到美国，使它成为化学家的日常工具。在布拉格发表成果之后仅过了三年，诺伊斯已把它称为“当今物理化学界最重要的工具”。1916年，他建议自己一位在德国学习的麻省理工学院研究生拉勒·伯迪克在回国途中到英国布拉格实验室稍作停留，以学习他们的Ｘ射线技巧。伯迪克回国后，在麻省理工学院建造了美国第一座Ｘ射线光谱仪。之后的1917年，诺伊斯让他在帕萨迪纳建造了第二座改进的光谱仪——伯迪克回忆说：“这是当时最好的一座。”研究成果很快就喷涌而出。当鲍林入校的时候，Ｘ射线晶体学已成为加州理工学院最重要的化学研究工具，在化学系最初发表的二十篇论文中就有十五篇以此为论题。　　诺伊斯对这一技术抱有很大的期望。化学研究的是分子的行为。诺伊斯日益相信，分子的行为取决于分子的结构。现在终于有可能“看见”分子的结构了。诺伊斯把鲍林分配到迪金森实验室，正是要指点这位天资聪颖的学生沿着一条他深信的未来化学之路前进。　　＊＊＊　　鲍林一头扎进了实验室，但不久就陷入困境。诺伊斯建议他首先尝试找出氢化锂的结构，但10月份在经过三个星期的努力之后，鲍林发现荷兰的一个小组已经先于他解决了问题。在接下来的一段时间里，他又尝试了其他几种化合物。首先他在电炉中把化合物融化并逐渐冷却以获得晶体，然后把晶体切割，并在显微镜下对好的切片进行初步分析，以确定其结构是否很简单。结果一无所获。（他尝试的一种化合物是二镉化钠，后来被发现是人类所知的最复杂的无机分子之一，直到35年之后其结构才被鲍林的一个同事解决。）鲍林越来越感到沮丧。　　在经过两个月对十五种不同物质进行了一无所获的试验之后，导师迪金森拯救了他。迪金森把他带进化学品陈列室，从架子上抓起一块辉钼矿矿石——一种由钼和硫组成的带有黑色光泽的矿物。他向鲍林演示了在显微镜载片上放置晶体薄片的新方法，并和他一同进行拍摄劳厄相片的准备工作。迪金森为何选择辉钼矿是一个谜。也许他认为其相对简单的分子式，MoS2，代表了一种简单的晶体结构。也许只不过是运气好。不管是何种原因，晶体薄片的形状相当好，晶胞很小，不出一个月，迪金森和鲍林已经确定了其结构——相当有趣，在一个金属原子钼的周围围绕着六个非金属原子硫，组成了一个等边棱柱，此类结构是首次被发现。　　鲍林欣喜万分。后来他写道：“这一成果使我终身难忘。确定结构的过程涉及一系列一丝不苟的。精密的逻辑推理，迪金森帮助我认识到了这一点。世界的本质可以通过精心筹划和熟练的试验来了解，这一认识让我非常高兴。”伴随兴奋而来的是一种深深的满足——通过人类的智慧和技巧可以发现大自然隐藏的规律。他作出了一项发现。　　现在他是一位名副其实的科学家了。　　迪金森当然在以前也分析过晶体，现在他很高兴自己的学生已经入门，便埋头于别的工作了。鲍林认为下一步应该发表自己的第一篇学术论文了。但是，“我等了足足一个月，仍杳无音讯，”他回忆说。所以他以个人名义撰写了供发表的辉钥矿研究成果，把论文交给了迪金森。

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