量子化学大师鲍林

Linus pauling


    鲍林是著名的量子化学家,他在化学的多个领域都有过重大贡献。曾两次荣获诺贝尔奖金(1954年化学奖, 1962年和平奖),有很高的国际声誉。

    1901年2月18日,鲍林出生在美国俄勒冈州波特兰市。幼年聪明好学,11岁认识了心理学教授捷夫列斯,捷夫列斯有一所私人实验室,他曾给幼小的鲍林做过许多有意思的化学演示实验,这使鲍林从小萌生了对化学的热爱,这种热爱使他走上了研究化学的道路。

    鲍林在读中学时、各科成绩都很好,尤其是化学成绩一直名列全班第一名。他经常埋头在实验室里做化学实验,立志当一名化学家。

    1917年,鲍林以优异的成绩考入俄勒冈州农学院化学工程系,他希望通过学习大学化学最终实现自己的理想。鲍林的家境很不好,父亲只是一位一般的药剂师,母亲多病。家中经济收入微薄,居住条件也很差。于经济困难,鲍林在大学曾停学一年,自己去挣学费,复学以后,他靠勤工俭学来维持学习和生活,曾兼任分析化学教师的实验员,在四年级时还兼任过一年级的实验课。

    鲍林在艰难的条件下,刻苦攻读。他对化学键的理论很感兴趣,同时,认真学习了原子物理、数学、生物学等多门学科。这些知识,为鲍林以后的研究工作打下了坚实的基础。

    1922年,鲍林以优异的成绩大学毕业,同时,考取了加州理工学院的研究生,导师是著名化学家诺伊斯。诺伊斯擅长物理化学和分析化学,知识非常渊博。对学生循循善诱,为人和蔼可亲,学生们评价他“极善于鼓动学生热爱化学”。

    诺伊斯告诉鲍林,不要只停留在书本知识上,应当注重独立思考,同时要研究与化学有关的物理知识1923年,诺伊斯写了一部新书,名为《化学原理》,此书在正式出版之前,他要求鲍林在一个假期中,把书上的习题全部做一遍。鲍林用了一个假期的时间,把所有的习题都准确地做完了,诺伊斯看了鲍林的作业,十分满意。诺伊斯十分赏识鲍林,并把鲍林介绍给许多知名化学家,使他很快地进入了学术界的社会环境中。这对鲍林以后的发展十分有用。

    鲍林在诺伊斯的指导下,完成的第一个科研课题是测定辉铝矿(mosz)的晶体结构,鲍林用调射线衍射法,测定了大量的数据,最后确定了mosz的结构,这一工作完成得很出色,不仅使他在化学界初露锋芒,同时也增强了他进行科学研究的信心。

    鲍林在加州理工学院,经导师介绍,还得到了迪肯森、托尔曼的精心指导,迪肯森精通放射化学和结晶化学,托尔曼精通物理化学,这些导师的精心指导,使鲍林进一步拓宽了知识面,建立了合理的知识结构。

    1925年,鲍林以出色的成绩获得化学哲学博士。他系统地研究了化学物质的组成、结构、性质三者的联系,同时还从方法论上探讨了决定论和随机性的关系。他最感兴趣的问题是物质结构,他认为,人们对物质结构的深入了解,将有助于人们对化学运动、的全面认识。

    鲍林获博士学位以后,于1926年2月去欧洲,在索未菲实验室里工作一年。然后又到玻尔实验室工作了半年,还到过薛定愕机和德拜实验室。这些学术研究,使鲍林对量子力学有了极为深刻的了解,坚定了他用量子力学方法解决化学键问题的信心。鲍林从读研究生到去欧洲游学,所接触的都是世界第一流的专家,直接面临科学前沿问题,这对他后来取得学术成就是十分重要的。

    1927年,鲍林结束了两年的欧洲游学回到了美国,在帕莎迪那担任了理论化学、的助理教授,除讲授量子力学及其在化学中的应用外,还讲授晶体化学乡开设有关化学键本质的学术讲座。1930年,鲍林再一次去欧洲,到布拉格实验室学习有关射线的技术,后来又到慕尼黑学习电子衍射方面的技术,回国后,被加州理工学院聘为教授。

    鲍林在探索化学键理论时,遇到了甲烷的正四面体结构的解释问题。传统理论认为,原子在未化合前外层有未成对的电子,这些未成对电子如果自旋反平行,则可两两结成电子对,在原子间形成共价键。一个电子与另一电子配对以后,就不能再与第三个电子配对。在原子相互结合成分子时,靠的是原子外层轨道重叠,重叠越多,形成的共价键就越稳定一这种理论,无法解释甲烷的正四面体结构。

    为了解释甲烷的正四面体结构。说明碳原子四个键的等价性,鲍休在1928一1931年,提出了杂化轨道的理论。该理论的根据是电子运动不仅具有粒子性,同时还有波动性。而波又是可以叠加的。所以鲍林认为,碳原子和周围口个氢原子成键时,所使用的轨道不是原来的s轨道或p轨道,而是二者经混杂、叠加而成的“杂化轨道”,这种杂化轨道在能量和方向上的分配是对称均衡的。杂化轨道理论,很好地解释了甲烷的正四面体结构。

    在有机化学结构理论中,鲍林还提出过有名的“共振论”   共振论直观易懂,在化学教学中易被接受,所以受到欢迎,在本世纪40年代以前,这种理论产生了重要影响,但到60年代,在以苏联为代表的集权国家,化学家的心理也发生了扭曲和畸变,他们不知道科学自由为何物,对共振论采取了急风暴雨般的大批判,给鲍林扣上了“唯心主义”的帽子。

    鲍林在研究量子化学和其他化学理论时,创造性地提出了许多新的概念。例如,共价半径、金属半径、电负性标度等,这些概念的应用,对现代化学、凝聚态物理的发展都有巨大意义。

    1932年,鲍林预言,惰性气体可以与其他元素化合生成化合物。惰性气体原子最外层都被8个电子所填满,形成稳定的电子层按传统理论不能再与其他原子化合。但鲍林的量子化学观点认为,较重的惰性气体原子,可能会与那些特别易接受电子的元素形成化合物,这一预言,在1962年被证实。

    鲍林还把化学研究推向生物学,他实际上是分子生物学的奠基人之一,他花了很多时间研究生物大分子,特别是蛋自质的分子结构,本世纪40年代初,他开始研究氨基酸和多肽链,发现多肽链分子内可能形成两种螺旋体,一种是a -螺旋体,一种是g -螺旋体。经过研究他进而指出:一个螺旋是依靠氢键连接而保持其形状的,也就是长的肽键螺旋缠绕,是因为在氨基酸长链中,某些氢原子形成氢键的结果。作为蛋白质二级结构的一种重要形式,a -螺旋体,已在晶体衍射图上得到证实,这一发现为蛋白质空间构像打下了理论基础。这些研究成果,是鲍林1954年荣获诺贝尔化学奖的项目。

    1954年以后,鲍林开始转向大脑的结构与功能的研究,提出了有关麻醉和精神病的分子学基础。他认为,对精神病分子基础的了解,有助于对精神病的治疗,从而为精神病患者带来福音。鲍林是第一个提出“分子病”概念的人,他通过研究发现,镰刀形细胞贫血症,就是一种分子病,包括了由突变基因决定的血红蛋白分子的变态。即在血红蛋白的众多氨基酸分子中,如果将其中的一个谷氨酸分子用缬氨酸替换,就会导致血红蛋白分子变形,造成镰刀形贫血病。鲍林通过研究,得出了镰刀形红细胞贫血症是分子病的结论。他还研究了分子医学,写了《矫形分子的精神病学》的论文,指出:分子医学的研究,对解开记忆和意识之谜有着决定性的意义。

    鲍林学识渊博,兴趣广泛,他曾广泛研究自然科学的前沿课题。他从事古生物和遗传学的研究,希望这种研究能揭开生命起源的奥秘。他述于1965年提出原子核模型的设想,他提出的模型有许多独到之处。

    鲍林坚决反对把科技成果用于战争,特别反对核战争。他指出:“科学与和平是有联系的,世界已被科学的发明大大改变了,特别是在最近一个世纪。现在,我们增进了知识,提供了消除贫困和饥饿的可能性,提供了显著减少疾病造成的痛苦的可能性,提供了为人类利益有效地使用资源的可能性。”他认为,核战争可能毁灭地球和人类,他号召科学家们致力于和平运动,鲍林倾注 了很多时间和精力研究防止战争、保卫和平的问题。他为和平事业所作的努力,遭到美国保守势力的打击,50年代初,美国奉行麦卡锡主义,曾对他进行过严格的审查,怀疑他是美共分子,限制他出国讲学,干涉他的人身自由。1954年,鲍林荣获诺贝尔化学奖以后,美国政府才被迫取消了对他的出国禁令。

    1955,鲍林和世界知名的大科学家爱因斯坦、罗素、约里奥·居里、玻恩等,签署了一个宣言:呼吁科学家应共同反对发展毁灭性武器,反对战争,保卫和平。1957年5月,鲍林起草了《科学家反对核实验宣言》,该宣言在两周内就有2000多名美国科学家签名,在短短几个月内,就有49个国家的11000余名科学家签名。1958年,鲍林把反核实验宣言交给了联合国秘书长哈马舍尔德,向联合国请愿。同年,他写了《不要再有战争》一书,书中以丰富的资料,说明了核武器对人类的重大威胁。

    1959年,鲍林和罗素等人在美国创办了《一人少数》月刊,反对战争,宣传和平。同年8月,他参加了在日本广岛举行的禁止原子弹氢弹大会。由于鲍林对和平事业的贡献,他在1962年荣获了诺贝尔和平奖。他以《科学与和平》为题,发表了领奖演说,在演说中指出:“在我们这个世界历史的新时代,世界问题不能用故争和暴力来解决,而是按着对所有人都公平,对一切国家都平等的方式,根据世界法律来解决。”最后他号召:“我们要逐步建立起一个对全人类在经济、政治和社会方面都公正合理的世界,建立起一种和人类智慧相称的世界文化。”

    鲍林是一位伟大的科学家与和平战士,他的影响遍及全世界。