20世紀的科學怪傑：鮑林(18)

一八

　　在鮑林進入研究生院前的一個多世紀中，多數物理學家認為光是一種能量波。要驗證這一點很容易。讓一束光射過一個排列緊密的光柵，光束會被分散成許多較小的光波——正如海浪撞上有缺口的海堤那樣。如果光柵的縫隙間距正好的話（與光線的波長相當），光在另一端的屏上將會形成一種明暗相間的條紋。亮處由從縫隙出來的光波疊加而成，暗處是從縫隙出來的光波疊減的結果。這是光的衍射現象。如果光由許多不同波長的光線組合而成，比如陽光，衍射將會呈現異常美麗的色彩：如五彩斑斕的蝴蝶翅膀與奕奕生輝的珍珠母。鮑林儘管不知道這一科學術語，但他早在13歲的時候就對這種光學現象發生了興趣。當他在雨中走在波特蘭街道上的時候，乍一抬頭，發現街燈射過雨傘的布縫，形成一道美麗的彩虹。幾年之後他才在第一門物理課上瞭解到他看見的是光的衍射現象。

　　1895年發現Ｘ射線之後，許多物理學家認為它是一種特殊的光線——你可以用Ｘ射線拍攝木頭裡的釘子或是手掌裡的骨頭——其性質應該與波一致。但是沒有人能夠肯定，因為尚無人能夠確鑿無疑地證實Ｘ射線具有衍射等波特有的性質。關鍵問題是，在進行衍射試驗時，光柵縫隙的大小應該與試驗對象的波長相當。每英寸兩萬線的光柵適用於可見光。但是Ｘ射線比可見光能量大得多，這按照經典物理學的解釋，意味著其波長要短得多——可能只有可見光波長的千分之一。製作如此精細的光柵完全是不可能的。

　　德國物理學家馬克思·馮·勞厄認為，如果人工做不出這樣的光柵，自然造化也許能行。自然界中的晶體被認為是由原子按一定規律排列而成的，每層只有幾個原子厚。勞厄覺得這些原子層的間隙可能合適，可以作為Ｘ射線衍射光柵。不過由於原子是由原子層組成的一個立體，在另一端形成的圖案將會十分複雜，就像把幾個光柵疊放在一起那樣。勞厄的老闆、慕尼黑大學教授阿諾德·索末菲認為這一想法荒誕不經，勸說他不要在這上面浪費時間。但到了1912年，兩個學生證實了勞厄的預言。他們把一束Ｘ光射向硫化鋅晶體，在感光版上捕捉到了散射現象，即後來所稱的勞厄相片。感光版沖洗出來之後，他們發現了圓形排列的亮點和暗點——衍射圖。勞厄證明了Ｘ光具有波的性質。《自然》雜誌把這一發現稱為「我們時代最偉大、意義最深遠的發現」。兩年後，這一發現為勞厄贏得了諾貝爾獎。

　　這一發現有兩個重大意義。首先，它表明了Ｘ射線是一種波，這樣科學家就可以確定它們的波長，並製作儀器對不同的波長加以分辨。（和可見光一樣，Ｘ射線具有不同的波長。）但是勞厄倡導的第二個領域結出了更為豐碩的成果。一旦獲得了波長一定的光束，研究人員就能利用Ｘ光來研究晶體光柵的空間排列：Ｘ射線晶體學成為在原子水平研究三維物質結構的首枚探測器。

　　現代化學奠基人之一的漢弗萊·戴維在鮑林進入加州理工學院一個世紀前就曾說過：「在人類獲取知識的過程中，新工具的運用具有超越一切的重要性。人們在各個時代取得的不同成就，其關鍵因素並非是他們的自然智力水平，而是他們所掌握的各種手段和人工資源。」Ｘ射線晶體學將成為一種威力無窮的人工資源。

　　背後的理論相當簡單。研究人員面對著三個因素：波長一定的Ｘ光，結構一定的晶體光柵和衍射圖譜——三者之間存在著一種簡單的數學關係。知道了圖譜以及另一個因素，就可以推導出第三個因素。最初的許多數學和實踐技巧是由一對英國父子搭檔，亨利·布拉格和勞倫斯·布拉格①開發的。他們在劍橋與曼徹斯特的實驗室成為世界上進行Ｘ射線晶體學研究最著名的中心。

　　①亨利·布拉格（Henry Bragg，1862—1942），英國物理學家，現代團體物理學創始者之一。其子勞倫斯·布拉格（Lawrence Bragg，1890—1971）也是物理學家。父子倆一起用X線衍射儀確定晶體結構，共獲1915年諾貝爾物理學獎。

　　理論並不複雜，但在實踐中，由於衍射圖譜相當複雜，因此把晶體結構拼湊起來的過程相當耗費時間和精力。早期的儀器是自製的，質量很不穩定。晶體通常要非常大，需要經過精心的提煉，按一定角度切割，並通過精確的放置才能獲得滿意的衍射圖譜。如果成功地獲得了勞厄相片，還要一絲不苟地測量各點的位置和分佈。然後才是數學計算。即使是簡單的晶體，在沒有計算機的時代，對每一個晶體結構的計算都需要花費幾個月的時間。如果晶體過於複雜，基本晶體結構單位晶胞中包含的原子數目超過十個，那麼Ｘ光的衍射圖譜將異常複雜，難以破解。整個過程有點像用自製的獵槍射擊一塊裝飾用的熟鐵，然後通過分析跳彈的軌跡來推測熟鐵的形狀。

　　出於這些原因，研究對象只能局限於很簡單的晶體。然而，對這些簡單晶體的研究得出了令人驚訝的成果。研究人員第一次可以通過工具瞭解晶體中單個原子的排列，精確測量原子間的距離和角度。布拉格父子解決的第一個晶體結構是岩鹽，結果出人意料。整個晶體形成了一個巨大的柵格，每個銷離子被六個等距離的氯離子包圍，每個氯離子被六個等距離的鈉離子包圍。沒有單獨的氯化鈉「分子」。這一發現震驚了理論化學界，立即引發了人們對鹽在溶液中行為的新思索。布拉格實驗室早期的另一個成功是發現了鑽石的結構，驗證了早先化學家的理論，它純粹是由碳原子組成的四面體。布拉格父子接著又解決了其他幾個晶體的結構（他們在勞厄之後一年分享了諾貝爾獎）。

　　諾伊斯深信Ｘ射線晶體學將會有更深入的發展。晶體學是由歐洲物理學家發明的，但諾伊斯後來把它帶到美國，使它成為化學家的日常工具。在布拉格發表成果之後僅過了三年，諾伊斯已把它稱為「當今物理化學界最重要的工具」。1916年，他建議自己一位在德國學習的麻省理工學院研究生拉勒·伯迪克在回國途中到英國布拉格實驗室稍作停留，以學習他們的Ｘ射線技巧。伯迪克回國後，在麻省理工學院建造了美國第一座Ｘ射線光譜儀。之後的1917年，諾伊斯讓他在帕薩迪納建造了第二座改進的光譜儀——伯迪克回憶說：「這是當時最好的一座。」研究成果很快就噴湧而出。當鮑林入校的時候，Ｘ射線晶體學已成為加州理工學院最重要的化學研究工具，在化學系最初發表的二十篇論文中就有十五篇以此為論題。

　　諾伊斯對這一技術抱有很大的期望。化學研究的是分子的行為。諾伊斯日益相信，分子的行為取決於分子的結構。現在終於有可能「看見」分子的結構了。諾伊斯把鮑林分配到迪金森實驗室，正是要指點這位天資聰穎的學生沿著一條他深信的未來化學之路前進。

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　　鮑林一頭紮進了實驗室，但不久就陷入困境。諾伊斯建議他首先嘗試找出氫化鋰的結構，但10月份在經過三個星期的努力之後，鮑林發現荷蘭的一個小組已經先於他解決了問題。在接下來的一段時間裡，他又嘗試了其他幾種化合物。首先他在電爐中把化合物融化並逐漸冷卻以獲得晶體，然後把晶體切割，並在顯微鏡下對好的切片進行初步分析，以確定其結構是否很簡單。結果一無所獲。（他嘗試的一種化合物是二鎘化鈉，後來被發現是人類所知的最複雜的無機分子之一，直到35年之後其結構才被鮑林的一個同事解決。）鮑林越來越感到沮喪。

　　在經過兩個月對十五種不同物質進行了一無所獲的試驗之後，導師迪金森拯救了他。迪金森把他帶進化學品陳列室，從架子上抓起一塊輝鉬礦礦石——一種由鉬和硫組成的帶有黑色光澤的礦物。他向鮑林演示了在顯微鏡載片上放置晶體薄片的新方法，並和他一同進行拍攝勞厄相片的準備工作。迪金森為何選擇輝鉬礦是一個謎。也許他認為其相對簡單的分子式，MoS2，代表了一種簡單的晶體結構。也許只不過是運氣好。不管是何種原因，晶體薄片的形狀相當好，晶胞很小，不出一個月，迪金森和鮑林已經確定了其結構——相當有趣，在一個金屬原子鉬的周圍圍繞著六個非金屬原子硫，組成了一個等邊棱柱，此類結構是首次被發現。

　　鮑林欣喜萬分。後來他寫道：「這一成果使我終身難忘。確定結構的過程涉及一系列一絲不苟的。精密的邏輯推理，迪金森幫助我認識到了這一點。世界的本質可以通過精心籌劃和熟練的試驗來瞭解，這一認識讓我非常高興。」伴隨興奮而來的是一種深深的滿足——通過人類的智慧和技巧可以發現大自然隱藏的規律。他作出了一項發現。

　　現在他是一位名副其實的科學家了。

　　迪金森當然在以前也分析過晶體，現在他很高興自己的學生已經入門，便埋頭於別的工作了。鮑林認為下一步應該發表自己的第一篇學術論文了。但是，「我等了足足一個月，仍杳無音訊，」他回憶說。所以他以個人名義撰寫了供發表的輝鑰礦研究成果，把論文交給了迪金森。

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