20世纪的科学怪杰：鲍林(37)

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三七

鲍林的知名度随着每一篇论文的发表而增长着。1932年春天，他接受了斯莱特的邀请，以访问教授的身份到麻省理工学院讲学一学期，而把再过3个月就要临产的爱娃留在了帕萨迪纳，这是爱娃第三次怀孕。他在东部访问期间，马不停蹄，不管是在讲座上，还是在餐桌上，不断地向哈佛一麻省理工学院化学界的一些重要人物灌输他的新思想。在和加州理工学院的一位同事唐·尤斯特共同设计出一种估算单纯共价键理论强度的体系后，鲍林一直在思考估算分子中离子键和分子键相对强度的方法。　　在掌握了新的数字之后，鲍林就可以把自己从理论上推出的数字与不同元素结合成化合物时的实际状态加以比较。化学键的实际强度总大于理论预测——鲍林认为，增加的能量来自于离子键共振所产生的稳定效果。这种差异越大，化学键的离子性就越大，两个元素吸引电子能力的差别就越大。运用这一体系，就可以回答一些以前悬而未决的问题，如盐酸HCl是离子的，还是共价的——鲍林发现两者兼而有之，比例为20：80。　　鲍林在坎布里奇的另一个成果应该归功于生物学。鲍林在加州理工学院时就坚持参加生物学讨论会。他看到，遗传学家通过测量两个独立的特性同时遗传的频率来定出基因在染色体上的位置：两个基因的位置越近，在遗传时联系在一起的机会就越大，这使他兴趣盎然。鲍林借助这一定位的思想来创建他自己关于元素对之间关系的标尺。根据他的计算，如果两个原子之间化学键的离子性越强，它们吸引电子能力的差异就越大，在他的标尺上分得就越开。比如说氟——对电子吸引力最大的一种元素——就在标尺的尽头。锂则在另一头。这两种元素形成的化合物，氟化锂的化学键几乎是百分之百的离子键。　　碘在鲍林的标尺上处于中游的位置，因此碘化锂的化学键具有较强的共价性。在比较了一些这样的元素对后，就能够定出一种相对的特性，他称之为电负性，并给不同的元素赋予不同的值。反过来，这些值又可以用来为许多分子预测化学键的类型和强度，包括那些尚没有获得实验数据的分子。在麻省理工学院讲课期间，他把这一思想写成了一篇论文，成为“化学键的本质”系列中的又一力作。完成之后没过几天，他匆匆登上返回帕萨迪纳的火车，在5月30日赶到家中。第二天，他的女儿琳达·海伦就出世了。　　鲍林的电负性标尺是他提出的理论基础最不扎实然而却最具影响力的思想之一。它与严密的量子力学距离甚远，但是很容易被化学家所理解。他们觉得用它来解决实际问题非常实用。在他的表格中比较两个元素的电负性，即使对波函数一窍不通的研究人员也可以大致地预测元素之间化学键的性质。这一标尺很快地得到了推广和运用。鲍林将经验数据与量子力学的思想融会贯通、互相匹配的做法充满了想象力，但是却相当危险。每朝前迈一步，他都要新增加几个假设，离已被接受的理论的坚实地基就越远。多年以后，批评家会对他这一方法的合理性进行猛烈的抨击，使他难以招架，不过现在他做的每一件事情都非常成功。　　不过，也有美中不足的地方。鲍林作了一个大胆的假设，认为氟的电负性非常高，甚至可以和氙这样的惰性气体形成化合物。任何一种情性气体都被认为是不会发生化学反应的，创造一种氙的化合物可以说是创造了历史。需要用实验来证明他的预测。纯氙非常罕见，不过鲍林设法从一位同事那里拿到了一些交给尤斯特。尤斯特在整个1933年的夏天都在寻找鲍林预测的化合物，但是一无所获——这一失败让鲍林感到颇有些疑惑和难堪。我们不能确定尤斯特没能找到鲍林寻找的化合物的原因。然而30年之后，另一个研究小组合成了鲍林预测的氙化合物，轰动了全球。　　＊＊＊　　鲍林运用他的共振思想解决了有机化学中一个最古老的问题，从而使这种理论威名远扬了。　　苯一直是一个谜。它含有6个碳原子和6个氢原子，但是苯分子的结构一直令人难以琢磨。在1932年和1933年之交的冬天，鲍林和他的学生乔治·韦兰德着手以共振的概念来解决这一问题。到了春天，他们完成了一篇论文，也就是鲍林化学键论文系列的第五篇文章，其中苯被描述为在5种极端结构或“典型”结构中共振的情况。鲍林写道：“这一分子可以看作是单个分子性质的一种平均。”鲍林和韦兰德的方法看来很能说明问题：根据他们共振结构计算出来的值，与已知的分子结构、活性和稳定性相当吻合。接着，他们把这一方法推广到其他的芳香族分子如萘（不少于42个典型结构）和不合碳化氢的原子团中。　　鲍林关于苯分子结构的论文标志着他进入有机化学的重要一步。他许多后续的工作都是关于有机分子的，而乔治·韦兰德更是将其作为自己科学生命的核心，并在1944年出版了一本颇有影响的教材《共振理论及其在有机化学中的应用》。韦兰德把这本书献给“我最初的和最大的灵感源泉”，莱纳斯·鲍林。　　共振这一强大的思想犹如怒放的鲜花。鲍林在1933年与博士后杰克·谢尔曼合作撰写了化学键本质论文系列的最后两篇，将这一思想扩展到了更多的化学疑案上，如传统的单键、双键和三键的变异。这一工作也具有独创性。鲍林证明，分子化学键并不一定是整数个，可以采取一种中间的形式。在此，他又一次将自己日益丰富的有关化学键长度和强度的知识与共振稳定性的思想结合了起来，又一次对一整类化学问题给出了独到的解释。比如说，化学家已经知道，以单键键合的原子可以像车轮一样绕轴旋转，而以双键和三键键合的分子则不能转动；鲍林提出，在单键和双键之间的中间形式——他称之为“部分双键特性”——也不能转动，这是预测分子结构的一个重要因素。鲍林用量子力学的概念解释了这种固定性，然后用自己关于单键和双键之间的共振思想解释了一些中间形式的键长和旋转特性。　　全部化学开始在鲍林的头脑中重新组合。他像一个爵士音乐家，从量子力学那里获取一个主旋律，然后即兴地对此进行半经验的变奏。鲍林的化学是一种新的化学，处于旧化学各种学科的中间地带。鲍林的量子化学不是一种非此即被的关系：要么是这条轨道，要么是那条轨道，要么是离子键，要么是共价键，要么是单键，要么是双键。鲍林的化学键是一种流体，一种常常在中间态共振的不定型的东西。鲍林第一个奏出了这一优美动听、令人激动的旋律。　　§乐观主义者　　在30年代早期，鲍林以每五个星期一篇的速度发表了许多重要论文，多数是关于化学键或新的分子结构，几乎完全脱离了波动方程：“大约在1933年或1934年，我放弃了对分子结构进行非常复杂的量子力学计算，”他说。“我在简单的量子力学计算上得出结论，并且意识到，如果你真正进行精确的量子力学计算的话，你也学不到什么新的东西，因为计算结果肯定与实验结果相符。” 　　运用这种半经验的方式，他取得了一个又一个成果。最后他在1935年写道：“我觉得自己对化学键本质已经有了十分全面的认识。” 　　渐渐地，鲍林新的化学观开始为其他化学家所接受。原因很多：加州理工学院对新思想开放和宽容的气氛，鲍林对化学家行话的精通，他四处传播自己观念的热忱，他融合结构研究与量子理论的高超才能，以及他在缺乏坚实数学基础的条件下发表理论思想的勇气。然而，最为关键的一点是：他是一个乐观主义者。1935年，两位观察者在给《现代物理评论》写的一篇介绍量子化学最新进展的文章中，说的可能就是鲍林：“要想对研究成果满意的话，你必须采取乐观主义者的心态和手法，不能仿效悲观主义者。后者苛求一种不掺杂任何有疑问的近似和基于已知事实的经验做法的严密理论。与此相反，乐观主义者满足于波函数的近似解。……由于直接计算过于复杂，他任意地借用实验来确定常数。与此相反，悲观主义者永远忧心忡忡，因为近似省略的部分通常很多，表面的严谨可能实际上漏洞百出。然而乐观主义者的回答是，近似计算是可行的，它可以‘指点迷津’，提供‘事物发展规律’的思路，这使得对原本只能用纯粹经验的原子价规则来解释的一大堆实验数据可以进行系统化的整理和认识。”

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