20世纪的科学怪杰：鲍林(34)

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三四

鲍林对他与布拉格的初次会面寄予了极大的希望。在鲍林规则发表之后，他们之间的书信往来十分诚恳，甚至充满了热忱。布拉格写道：“你的方法显然引导你找到了理想的结构！……我确实非常欣赏你研究这类配位化合物的方法。”而鲍林也一反常态，信中的口气非常谦恭：“我的夫人和我经常念及您。我们最大的一个梦想是来曼彻斯特拜访您。” 　　然而他们到达曼彻斯特之后，这一梦想变了味。尽管布拉格在招待上尽心尽力——专门为他们准备了一个单元，找了一个女佣，并安排照料小莱纳斯——但保持着学术上的距离。令鲍林惊讶的是，在曼彻斯特的几个星期中，布拉格从不与他谈论研究的事情，他也没有受邀请就他的工作举办一个研讨会，而在加州理工学院对任何来访的教授这已经成了一个常规。“我和布拉格毫无接触，”鲍林说，同时还把他的曼彻斯特之行归结为“大失所望”。尽管对受到冷落大惑不解，鲍林仍试图摆脱自己的不快，把这主要归咎为布拉格繁忙的日程安排。　　但是，后来他从别的科学家那里听说，尽管布拉格在信中对他非常客气，他把这个美国年轻人视为自己科学领地内不受欢迎的偷猎者。布拉格在自认为是自己的游戏中被打败了，他对此耿耿于怀。鲍林后来写道：“我当时并不知晓，实际上在以后的很多年里都没有想到布拉格把我看作是他的竞争对手。”而且实际情况还不止于此。布拉格的个人忧虑和巨大的工作压力使他濒临一个临界点。鲍林走后几个月，他就经受了一次精神崩溃。如果他疏远了鲍林的话，那部分原因是由于他正和自己进行着激烈的竞争。　　不管是何种原因，初次见面给他俩今后的关系蒙上了一层阴影。在鲍林回到美国之后，两人的通信急剧减少。在余下的时间里，鲍林和布拉格之间的关系与其说是亲密的同行，不如说是互相仰慕的对手。　　然而并不是所有的英国科学家都是像布拉格一样接待鲍林的。天性活泼的英国晶体学家约翰·戴斯蒙得·伯纳尔请他到剑桥就晶体中分子的旋转运动举行一个研讨会，这多少给鲍林受伤的感情一点慰藉。接着鲍林夫妇来到了德国，鲍林高兴地拜访了朋友们，并了解了最新的研究进展情况。他在慕尼黑停留了差不多三个月，试图要简化量子力学来解释化学键。他从索末菲那里得到了一些帮助，但是没有什么大的突破。　　然而，他在其他方面作出了一个重大发现。他去路得维希港，一个距慕尼黑几个小时火车车程的城市，拜访了赫尔曼·马克，鲍林在第一次来到慕尼黑时曾经碰到过这位维也纳化学家。作为一名晶体学家，马克赢得了相当的声誉——他的工作包括一些对有机分子的初步研究——而且他在很年轻的时候就被德国工业巨头染料化学公司力邀去主持聚合物和胶片领域的研究工作，包括对大有商业前景的塑料制品与合成橡胶的早期研究。染料公司对马克有求必应。在鲍林来访时，一尘不染、工作高效的路得维希港实验室号称拥有欧洲大陆上最先进Ｘ射线衍射装置。但是鲍林此番来访的最大发现却与Ｘ射线无关。　　当他们在参观实验室设备时，马克告诉鲍林，他的一位助手，一个叫做维尔的年轻人，创造出一种在真空管内将一束电子射过一股气体的方法。维尔发现，气体的分子能够使电子发生衍射，形成同心圆的图谱，而图谱的密度和相对位置与分子中原子的距离有关。这个“电子衍射”仪对马克而言是一种有趣的娱乐，不过它只能用于那些能在室温下以气态形式存在的较小的分子，而他的实验室目前的重点是巨型聚合物。而且染料公司对电子衍射也毫无兴趣，因为照马克的说法，“这东西赚不了钱。” 　　然而这一发现令鲍林激动万分。在很长一段时间里，鲍林一直在寻找一种研究单个分子结构的方法，而无需为它们形成晶体的复杂方式所烦恼。马克和维尔的装置可以对气体中的单个分子进行分析，而不是许多分子聚集在一起的较大的结构单位，这样在计算结构时就去除了一层复杂性。由于电子衍射照片的曝光时间只有零点几秒——而不像Ｘ射线晶体学有时所需的几个小时——结构研究的对象可以扩展到不稳定的物质，特别是很难形成晶体形式的小分子有机化合物。鲍林说：“这一发现实在太重要了，我难以抑制自己的激动，我对马克也这样说了——我意识到，在相当短的一段时间里，也许十年，我们可以获得许多不同分子的键长和键角的知识。”马克对这一装置给鲍林造成的印象有些惊讶，他给鲍林提供了一整套有关建造这一装置的计划，并预祝鲍林成功。　　鲍林于1930年秋天一回到帕萨迪纳，就让一名新的研究生劳伦斯·布罗克威建造一台电子衍射仪。过了两年，这台机器才开始正常运转，但是后来它成了鲍林实验室的一匹快马，同时也是加州理工学院最重要的一个科研工具。在它启用后的25年中，鲍林和他的学生和同事们用它弄清楚了225种分子的结构。　　§“飘飘欲仙” 　　1930年秋天鲍林回到了家，重新开始对四面体碳原子问题进行研究。他的欧洲之行并没有取得很大的成果，但是他回国后却有了重要的发现。　　那年，一个名叫约翰·斯莱特的青年美国物理学家发现，对薛定谔波动方程作一巧妙的简化，就可以较好地描述碳原子的四个成键电子。在斯莱特研究的激励之下，鲍林拿起了笔，又一次开始热切地计算。为了符合化学家的碳原子四面体的现实，需要打破物理学家的两个电子亚层，并将其合并成一个新的等价形式。关键问题是找到波函数合适的数学近似，只有通过这一捷径才可能将亚层的波函数结合成可以求解的方程。　　然而，鲍林在秋高气爽的环境中苦苦工作了几个星期，却没有找到一条行得通的捷径。然后，在1930年12月的一个夜晚，鲍林坐在书房的书桌前，又尝试了一种近似。这回在试图合并两个电子亚层的波函数时，他忽略了被数学家称为径向函数的部分，斯莱特在论文中曾经提及这种简化可能会奏效。在去除了这一层复杂性之后，鲍林惊奇地发现“从数学上来讲，这一问题变得相当简单”——至少对受过索末菲培训的量子物理学家来说是非常简单的。　　现在，他可以用恰当的系数将物理学家的两个碳原子电子亚层的波函数合并为对一个新的混合形式的数学描述：四个相同的轨道正好以精确的角度组成一个四面体。不仅如此，他的新的混合轨道远离原子核，因此更加倾向于同别的原子中的电子轨道重叠。这里有一个基本思想：两个原子的电子轨道重叠越多，产生的能量交换就越多，化学键的强度就越大。　　他的精神一下子抖擞了起来。根据量子力学的原则和公式；他建立了一个四面体的碳原子。计算得出的化学键之间的角度是正确的；键长看上去也合适；电子交换产生的能量也足以解释改变电子亚层轨道形状所需的能量。　　他废寝忘食地伏案工作。他发现，运用同样的基本方法，可以在计算中加入更多的电子，并得出更为复杂的分子的特性。鲍林打破物理学家的电子亚层，将其组合成新的轨道的思想洞开了解释许多分子结构的大门，比如，某些钻和铂化合物的键合形式就能得到良好的解释。在鲍林的笔下，物理学家的新力学证明了化学家一个又一个的思想。他回忆说：“我无比激动和兴奋，彻夜不眠，设想、列出并求解许多方程。这些方程十分简单，花不了我几分钟时间。解出了一个方程，得到答案，然后解答另一个八面体配位体化合物结构的方程，比如铁氢化钾中的亚铁氢离子，或者是正方形配位体化合物，如四氯化铂离子，和各种其他问题。随着时间的推移，我越来越觉得飘飘欲仙了。” 　　在接下来的两个月时间里，他日以继夜地不断完善并扩充自己的发现，有关成果的论文将成为化学史上最为重要的文献之一。在论文中，他提出了共享电子对成键的六条规则。头三条规则是对路易斯、海特勒、伦敦和自己早期工作的重申——电子对化学键是通过两个原子中孤电子的相互作用形成的；一旦配成对，两个电子就不能参加新键的组成。他的后三条规则是新的。一条提出，化学键的电子交换条件只涉及每个原子的一个波函数；另一条规则提出，能级最低的自由电子可以形成最强的化学键。鲍林的最后一条规则断言，在一个原子中的两个轨道中，能与别的原子的轨道重叠最多的轨道会形成最强的化学键，而且化学键一般与较为集中的轨道保持同方向。这样就能对键角和分子结构作出预测和计算。

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