20世紀的科學怪傑：鮑林(36)

三六

　　1931年，鮑林基於量子理論創造的化學鍵理論，比當時的思想領先了十年。絕大多數化學家既不知曉量子力學為何物，也不理會量子力學對化學學科的重大意義。對大多數從業人員來說，真正的化學研究是在實驗室裡，而不是在一張紙上進行的；只有通過親手配製化合物，並觀察其反應來作出發現，而不是靠臆想來推出一些數學公式。他們可能聽說過Ｘ射線晶體學這一物理學家的工具，但是從未使用過——加州理工學院仍然是將這一技巧運用到化學上的為數不多的學校之一。至於鮑林對分子結構重要性的強調，那是有機化學家所關心的事，其他領域的化學家則相信它對整個化學學科的作用不大。

　　最重要的是鑽進實驗室，把你的手弄髒。實驗化學家鄙視鮑林這樣的理論家，認為他們過多地依賴物理來獲取靈感。英國著名的化學教育家亨利·阿姆斯特朗在90年代中期對此發表了頗具代表性的看法：「事實是，物理化學家從不運用自己的眼睛，最可悲的是缺乏化學教養。我們應該把這些物理因素徹底地從我們中間剔除出去，並回到我們的實驗室中。」

　　只有他們對新物理的無知才可以同他們對抽象思維的懷疑相媲美。多數30年代早期的化學家對海特勒一倫敦一斯萊特一鮑林化學鍵理論的反應是無精打采的一個哈欠。在諾貝爾化學獎獲得者哈羅德·尤裡的記憶中，他們「對這一理論一無所知，一竅不通，而且除鮑林以外，沒有什麼人在意它。」

　　但是諾伊斯和路易斯安排鮑林在加州理工學院和伯克利分校廣泛傳播他的思想，那裡的多數化學系學生開始認識到這一方法的重要性，其中最聰明的一些學生開始追隨鮑林，進入了這一領域。在物理方面，像斯萊特和倫敦這樣的學者繼續修飾著混合波函數的數學公式，從物理的第一原則出發來解決簡單原則的結構問題。然而他們的工作對化學的影響甚微，因為他們並不掌握化學家手中非常重要的經驗事實，並不擁有相同的世界觀，也不瞭解哪些問題是最關鍵的。簡而言之，他們不是化學家。

　　羅伯特·馬利肯是為數不多的通曉物理和化學的科學家。他的父親是麻省理工學院的化學家，他本人在芝加哥大學跟隨密立根學習了物理，在哈佛進修時住在斯萊特隔壁。與鮑林一樣，他在20年代末東渡歐洲學習量子力學。在哥廷根，馬利肯受到了玻恩的一位助手弗裡德裡希·亨德的影響。亨德解決化學鍵問題的思路與鮑林不同。亨特感興趣的是分子光譜學，即對分子吸收和釋放的光的特點的研究。他發現，從這一角度觀察，分子的性態在很多方面與單個原子相似。亨特和馬利肯提出了一種與鮑林的理論截然相反的化學鍵概念。他們認為，電子並不是集中在兩個原子核之間並將它們鍵合起來，而是分佈在分子的表面，形成馬利肯所稱的分子軌道。

　　比如，他們設想氫分子H2，並不是像海特勒和倫敦提出的那樣由兩個氫原子共用電子對而形成化學鍵，而是由一個帶有兩個電子的氦原子分裂成兩個原子核，同時圍繞它的電子雲形成了一個新的分子軌道。馬利肯在1932年寫道：「總的來說，沒有人把分子看作是由原子或離子組成的。人們認為，把分子看作是由一定數目的成鍵電子或電子對將一些原子或離子聯結在一起的想法，在某種程度上是沒有什麼意義的。」這是一種非常激進的思想；分子軌道概念同多年來化學家對化學鍵本質的認識針鋒相對，然而，它符合光譜數據。馬利肯回到美國芝加哥大學教書時，把這一思想也帶了回來。

　　在一段時間裡，化學家似乎不得不在鮑林和馬利肯的不同理論中作出自己的取捨。但是從根本上看，兩種觀點的分歧並沒有像表面上那麼大。兩者都建築在薛定諤的波動方程上，而斯萊特和其他科學家在30年代中期發現，如果將數學公式深入推導下去的話，兩者最終會給出相同的答案。情況有些像物理學家在海森伯的矩陣與薛定諤的波動方程之間的權衡：儘管看起來大相徑庭，實際上是殊途同歸。選擇的標準是哪一種方法更簡便，以及在某種情況下，哪一種方法更奏效。

　　鮑林當然認為自己的方法在理解化學鍵問題上更勝一籌。他知道分子軌道方法是有用的——他在尋找化學鍵問題的突破時也嘗試過這種方法——但是，當他在1931年成功地修正了海特勒一倫敦的理論之後，就基本上放棄了這一種方法。當斯萊特表明他的方法和馬利肯的方法實際等效後，鮑林覺得沒有必要再去糾纏分子軌道法了。他的思想符合化學家對於化學鍵的認識；與此相反，鮑林覺得馬利肯的方法不符合直覺，不容易為學生所接受。

　　鮑林的化學鍵理論一舉成名，而馬利肯的理論卻默默無聞。原因有多種，最主要的是，鮑林是一個能說會道的教師，一個妙筆生花的作者。他深諸如何用化學界聽得懂的語言來進行交流。鮑林一開口，價鍵理論似乎是不容質疑的智慧。馬利肯一張嘴，聽眾就昏昏欲睡。馬利肯是一個糟糕透頂的教師，在大庭廣眾面前極不自在，聲音小得幾乎聽不見。他不願意迎合自己化學系的學生，講課時總是離題萬里，充斥著數學，聽者很難跟得上。他的書面功夫也好不到哪裡去。隨著年代的推移，馬利肯和他的一小批追隨者埋頭於改進他們的分子軌道法，不斷地使數學方程更精煉，並運用它成功地解決了一些問題。二十年後，新一代的化學家將更傾心于馬利肯的理論。但是，在30年代，馬利肯的思想被來自帕薩迪納的高談闊論淹沒了。

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　　在第一篇論文「化學鍵的本質」發表之後，鮑林的靈感噴湧而出。1931年6月，他提交了一篇後續的論文，這篇論文成了其論文系列的第二篇。在這篇論文中，鮑林探討了如何用量子力學來解釋相對較少的單個電子和三個電子的化學鍵問題。在不同的解釋中，他用計算的辦法幫助確定了諸如氧、硼和硝亞基化合物特殊的鍵合特性，即讓路易斯著迷的罕見的「孤電子」分子。路易斯本人和鮑林就這篇論文中的一些觀點進行了探討。當鮑林在伯克利訪學的時候，兩人在路易斯辦公室的黑板上塗滿了示意圖和公式。路易斯一邊噴吐著雪茄的煙霧，一邊噴吐著真知和灼見。

　　鮑林下一步的目標是更大的難題。長期困擾化學界的一個疑案是兩種不同類型的化學鍵，也即離子鍵和共價鍵之間的關係。按照路易斯的觀點，如果兩個原子平等地共用一對電子，所形成的化學鍵就是共價鍵；如果某一原子把整個電子對都拉到自己這一邊，使一個原子帶負電，另一個原子帶正電，所形成的化學鍵就是離子鍵；離子鍵是由正負離子之間的靜電引力所產生的化學鍵。問題是，離子鍵和共價鍵是具有截然不同性質的兩類現象呢，還是如路易斯認為的，是一個連續作中的過渡。

　　在鮑林「化學鍵的本質」系列的第三篇論文中，鮑林指出，量子力學又一次支持了路易斯的觀點。至少在某些情況下，他的公式表明，兼有離子和共價性質的「偏離子」鍵符合量子力學和實際觀測的結果。在其他情況下，他發現不同類別的化學鍵之間的跳躍是非連續的；這涉及原子對電子吸引程度的大小。他舉了幾個實例，並提出一些形成這些中間化學鍵所必要的條件來證實自己的觀點。

　　在寫到化學鍵的時候，鮑林開始用「共振」一詞來代替「電子交換」，而且他把這一概念推廣到了新的領域中。海森伯使用電子交換的概念來說明電子的可交換性；海特勒和倫敦用它來解釋共價化學鍵；鮑林和斯萊特用它來解釋形成四面體碳原子這類混合化學鍵所需要的能量。現在鮑林又提出，如果滿足一定條件的話，在分子的離子鍵和共價鍵之間的狀態也會存在共振。例如，氯化氫既可以被看作是氫原子通過純粹的共價鍵與氯原子鍵合在一起，也可以被看作是帶正電的氫離子通過純粹的離子鍵與帶負電的氯原子鍵合在一起。鮑林指出，實際的分子是一種混合的類型，一種在兩種極端情況之間的共振結構。不管何時發生這種情況，「只要在兩種形式之間產生了共振，結構就穩定下來，」鮑林說。

　　對鮑林而言，整個化學觀念開始發生變化。他興奮地意識到，共振也可以運用到單鍵和雙鍵的關係上來——並不需要非此即彼，而可以在兩種狀態之間產生共振，從而形成具有獨特性質的穩定的偏雙鍵。對於那些不能納入經典理論範疇的結構，共振給出了圓滿的解釋。

　　實際上，按照這一新思想，所有的化學現象都可以重新加以估價，而鮑林在30年代早期從事的正是這一宏圖大業。通過把自己的共振理論運用到各類化學鍵問題上，並根據已知的鍵長和鍵強的經驗數據修正自己的理論結果，鮑林寫出了一系列論文，把化學引向了一條新的道路。

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