20世紀的科學怪傑：鮑林(34)

三四

　　鮑林對他與布拉格的初次會面寄予了極大的希望。在鮑林規則發表之後，他們之間的書信往來十分誠懇，甚至充滿了熱忱。布拉格寫道：「你的方法顯然引導你找到了理想的結構！……我確實非常欣賞你研究這類配位化合物的方法。」而鮑林也一反常態，信中的口氣非常謙恭：「我的夫人和我經常念及您。我們最大的一個夢想是來曼徹斯特拜訪您。」

　　然而他們到達曼徹斯特之後，這一夢想變了味。儘管布拉格在招待上盡心盡力——專門為他們準備了一個單元，找了一個女傭，並安排照料小萊納斯——但保持著學術上的距離。令鮑林驚訝的是，在曼徹斯特的幾個星期中，布拉格從不與他談論研究的事情，他也沒有受邀請就他的工作舉辦一個研討會，而在加州理工學院對任何來訪的教授這已經成了一個常規。「我和布拉格毫無接觸，」鮑林說，同時還把他的曼徹斯特之行歸結為「大失所望」。儘管對受到冷落大惑不解，鮑林仍試圖擺脫自己的不快，把這主要歸咎為布拉格繁忙的日程安排。

　　但是，後來他從別的科學家那裡聽說，儘管布拉格在信中對他非常客氣，他把這個美國年輕人視為自己科學領地內不受歡迎的偷獵者。布拉格在自認為是自己的遊戲中被打敗了，他對此耿耿於懷。鮑林後來寫道：「我當時並不知曉，實際上在以後的很多年裡都沒有想到布拉格把我看作是他的競爭對手。」而且實際情況還不止於此。布拉格的個人憂慮和巨大的工作壓力使他瀕臨一個臨界點。鮑林走後幾個月，他就經受了一次精神崩潰。如果他疏遠了鮑林的話，那部分原因是由於他正和自己進行著激烈的競爭。

　　不管是何種原因，初次見面給他倆今後的關係蒙上了一層陰影。在鮑林回到美國之後，兩人的通信急劇減少。在餘下的時間裡，鮑林和布拉格之間的關係與其說是親密的同行，不如說是互相仰慕的對手。

　　然而並不是所有的英國科學家都是像布拉格一樣接待鮑林的。天性活潑的英國晶體學家約翰·戴斯蒙得·伯納爾請他到劍橋就晶體中分子的旋轉運動舉行一個研討會，這多少給鮑林受傷的感情一點慰藉。接著鮑林夫婦來到了德國，鮑林高興地拜訪了朋友們，並瞭解了最新的研究進展情況。他在慕尼黑停留了差不多三個月，試圖要簡化量子力學來解釋化學鍵。他從索末菲那裡得到了一些幫助，但是沒有什麼大的突破。

　　然而，他在其他方面作出了一個重大發現。他去路得維希港，一個距慕尼黑幾個小時火車車程的城市，拜訪了赫爾曼·馬克，鮑林在第一次來到慕尼黑時曾經碰到過這位維也納化學家。作為一名晶體學家，馬克贏得了相當的聲譽——他的工作包括一些對有機分子的初步研究——而且他在很年輕的時候就被德國工業巨頭染料化學公司力邀去主持聚合物和膠片領域的研究工作，包括對大有商業前景的塑料製品與合成橡膠的早期研究。染料公司對馬克有求必應。在鮑林來訪時，一塵不染、工作高效的路得維希港實驗室號稱擁有歐洲大陸上最先進Ｘ射線衍射裝置。但是鮑林此番來訪的最大發現卻與Ｘ射線無關。

　　當他們在參觀實驗室設備時，馬克告訴鮑林，他的一位助手，一個叫做維爾的年輕人，創造出一種在真空管內將一束電子射過一股氣體的方法。維爾發現，氣體的分子能夠使電子發生衍射，形成同心圓的圖譜，而圖譜的密度和相對位置與分子中原子的距離有關。這個「電子衍射」儀對馬克而言是一種有趣的娛樂，不過它只能用於那些能在室溫下以氣態形式存在的較小的分子，而他的實驗室目前的重點是巨型聚合物。而且染料公司對電子衍射也毫無興趣，因為照馬克的說法，「這東西賺不了錢。」

　　然而這一發現令鮑林激動萬分。在很長一段時間裡，鮑林一直在尋找一種研究單個分子結構的方法，而無需為它們形成晶體的複雜方式所煩惱。馬克和維爾的裝置可以對氣體中的單個分子進行分析，而不是許多分子聚集在一起的較大的結構單位，這樣在計算結構時就去除了一層複雜性。由於電子衍射照片的曝光時間只有零點幾秒——而不像Ｘ射線晶體學有時所需的幾個小時——結構研究的對象可以擴展到不穩定的物質，特別是很難形成晶體形式的小分子有機化合物。鮑林說：「這一發現實在太重要了，我難以抑制自己的激動，我對馬克也這樣說了——我意識到，在相當短的一段時間裡，也許十年，我們可以獲得許多不同分子的鍵長和鍵角的知識。」馬克對這一裝置給鮑林造成的印象有些驚訝，他給鮑林提供了一整套有關建造這一裝置的計劃，並預祝鮑林成功。

　　鮑林於1930年秋天一回到帕薩迪納，就讓一名新的研究生勞倫斯·布羅克威建造一台電子衍射儀。過了兩年，這台機器才開始正常運轉，但是後來它成了鮑林實驗室的一匹快馬，同時也是加州理工學院最重要的一個科研工具。在它啟用後的25年中，鮑林和他的學生和同事們用它弄清楚了225種分子的結構。

　　§「飄飄欲仙」

　　1930年秋天鮑林回到了家，重新開始對四面體碳原子問題進行研究。他的歐洲之行並沒有取得很大的成果，但是他回國後卻有了重要的發現。

　　那年，一個名叫約翰·斯萊特的青年美國物理學家發現，對薛定諤波動方程作一巧妙的簡化，就可以較好地描述碳原子的四個成鍵電子。在斯萊特研究的激勵之下，鮑林拿起了筆，又一次開始熱切地計算。為了符合化學家的碳原子四面體的現實，需要打破物理學家的兩個電子亞層，並將其合併成一個新的等價形式。關鍵問題是找到波函數合適的數學近似，只有通過這一捷徑才可能將亞層的波函數結合成可以求解的方程。

　　然而，鮑林在秋高氣爽的環境中苦苦工作了幾個星期，卻沒有找到一條行得通的捷徑。然後，在1930年12月的一個夜晚，鮑林坐在書房的書桌前，又嘗試了一種近似。這回在試圖合併兩個電子亞層的波函數時，他忽略了被數學家稱為徑向函數的部分，斯萊特在論文中曾經提及這種簡化可能會奏效。在去除了這一層複雜性之後，鮑林驚奇地發現「從數學上來講，這一問題變得相當簡單」——至少對受過索末菲培訓的量子物理學家來說是非常簡單的。

　　現在，他可以用恰當的係數將物理學家的兩個碳原子電子亞層的波函數合併為對一個新的混合形式的數學描述：四個相同的軌道正好以精確的角度組成一個四面體。不僅如此，他的新的混合軌道遠離原子核，因此更加傾向於同別的原子中的電子軌道重疊。這裡有一個基本思想：兩個原子的電子軌道重疊越多，產生的能量交換就越多，化學鍵的強度就越大。

　　他的精神一下子抖擻了起來。根據量子力學的原則和公式；他建立了一個四面體的碳原子。計算得出的化學鍵之間的角度是正確的；鍵長看上去也合適；電子交換產生的能量也足以解釋改變電子亞層軌道形狀所需的能量。

　　他廢寢忘食地伏案工作。他發現，運用同樣的基本方法，可以在計算中加入更多的電子，並得出更為複雜的分子的特性。鮑林打破物理學家的電子亞層，將其組合成新的軌道的思想洞開了解釋許多分子結構的大門，比如，某些鑽和鉑化合物的鍵合形式就能得到良好的解釋。在鮑林的筆下，物理學家的新力學證明了化學家一個又一個的思想。他回憶說：「我無比激動和興奮，徹夜不眠，設想、列出並求解許多方程。這些方程十分簡單，花不了我幾分鐘時間。解出了一個方程，得到答案，然後解答另一個八面體配位體化合物結構的方程，比如鐵氫化鉀中的亞鐵氫離子，或者是正方形配位體化合物，如四氯化鉑離子，和各種其他問題。隨著時間的推移，我越來越覺得飄飄欲仙了。」

　　在接下來的兩個月時間裡，他日以繼夜地不斷完善並擴充自己的發現，有關成果的論文將成為化學史上最為重要的文獻之一。在論文中，他提出了共享電子對成鍵的六條規則。頭三條規則是對路易斯、海特勒、倫敦和自己早期工作的重申——電子對化學鍵是通過兩個原子中孤電子的相互作用形成的；一旦配成對，兩個電子就不能參加新鍵的組成。他的後三條規則是新的。一條提出，化學鍵的電子交換條件只涉及每個原子的一個波函數；另一條規則提出，能級最低的自由電子可以形成最強的化學鍵。鮑林的最後一條規則斷言，在一個原子中的兩個軌道中，能與別的原子的軌道重疊最多的軌道會形成最強的化學鍵，而且化學鍵一般與較為集中的軌道保持同方向。這樣就能對鍵角和分子結構作出預測和計算。

學達書庫(xuoda.com)