20世纪的科学怪杰鲍林-第23部分
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但是，后来他从别的科学家那里听说，尽管布拉格在信中对他非常客气，他把这个美国年轻人视为自己科学领地内不受欢迎的偷猎者。布拉格在自认为是自己的游戏中被打败了，他对此耿耿于怀。鲍林后来写道：“我当时并不知晓，实际上在以后的很多年里都没有想到布拉格把我看作是他的竞争对手。”而且实际情况还不止于此。布拉格的个人忧虑和巨大的工作压力使他濒临一个临界点。鲍林走后几个月，他就经受了一次精神崩溃。如果他疏远了鲍林的话，那部分原因是由于他正和自己进行着激烈的竞争。
不管是何种原因，初次见面给他俩今后的关系蒙上了一层阴影。在鲍林回到美国之后，两人的通信急剧减少。在余下的时间里，鲍林和布拉格之间的关系与其说是亲密的同行，不如说是互相仰慕的对手。
然而并不是所有的英国科学家都是像布拉格一样接待鲍林的。天性活泼的英国晶体学家约翰·戴斯蒙得·伯纳尔请他到剑桥就晶体中分子的旋转运动举行一个研讨会，这多少给鲍林受伤的感情一点慰藉。接着鲍林夫妇来到了德国，鲍林高兴地拜访了朋友们，并了解了最新的研究进展情况。他在慕尼黑停留了差不多三个月，试图要简化量子力学来解释化学键。他从索末菲那里得到了一些帮助，但是没有什么大的突破。
然而，他在其他方面作出了一个重大发现。他去路得维希港，一个距慕尼黑几个小时火车车程的城市，拜访了赫尔曼·马克，鲍林在第一次来到慕尼黑时曾经碰到过这位维也纳化学家。作为一名晶体学家，马克赢得了相当的声誉——他的工作包括一些对有机分子的初步研究——而且他在很年轻的时候就被德国工业巨头染料化学公司力邀去主持聚合物和胶片领域的研究工作，包括对大有商业前景的塑料制品与合成橡胶的早期研究。染料公司对马克有求必应。在鲍林来访时，一尘不染、工作高效的路得维希港实验室号称拥有欧洲大陆上最先进X射线衍射装置。但是鲍林此番来访的最大发现却与X射线无关。当他们在参观实验室设备时，马克告诉鲍林，他的一位助手，一个叫做维尔的年轻人，创造出一种在真空管内将一束电子射过一股气体的方法。维尔发现，气体的分子能够使电子发生衍射，形成同心圆的图谱，而图谱的密度和相对位置与分子中原子的距离有关。这个“电子衍射”仪对马克而言是一种有趣的娱乐，不过它只能用于那些能在室温下以气态形式存在的较小的分子，而他的实验室目前的重点是巨型聚合物。而且染料公司对电子衍射也毫无兴趣，因为照马克的说法，“这东西赚不了钱。”
然而这一发现令鲍林激动万分。在很长一段时间里，鲍林一直在寻找一种研究单个分子结构的方法，而无需为它们形成晶体的复杂方式所烦恼。马克和维尔的装置可以对气体中的单个分子进行分析，而不是许多分子聚集在一起的较大的结构单位，这样在计算结构时就去除了一层复杂性。由于电子衍射照片的曝光时间只有零点几秒——而不像X射线晶体学有时所需的几个小时——结构研究的对象可以扩展到不稳定的物质，特别是很难形成晶体形式的小分子有机化合物。鲍林说：“这一发现实在太重要了，我难以抑制自己的激动，我对马克也这样说了——我意识到，在相当短的一段时间里，也许十年，我们可以获得许多不同分子的键长和键角的知识。”马克对这一装置给鲍林造成的印象有些惊讶，他给鲍林提供了一整套有关建造这一装置的计划，并预祝鲍林成功。
鲍林于1930年秋天一回到帕萨迪纳，就让一名新的研究生劳伦斯·布罗克威建造一台电子衍射仪。过了两年，这台机器才开始正常运转，但是后来它成了鲍林实验室的一匹快马，同时也是加州理工学院最重要的一个科研工具。在它启用后的25年中，鲍林和他的学生和同事们用它弄清楚了225种分子的结构。
“飘飘欲仙”
1930年秋天鲍林回到了家，重新开始对四面体碳原子问题进行研究。他的欧洲之行并没有取得很大的成果，但是他回国后却有了重要的发现。
那年，一个名叫约翰·斯莱特的青年美国物理学家发现，对薛定谔波动方程作一巧妙的简化，就可以较好地描述碳原子的四个成键电子。在斯莱特研究的激励之下，鲍林拿起了笔，又一次开始热切地计算。为了符合化学家的碳原子四面体的现实，需要打破物理学家的两个电子亚层，并将其合并成一个新的等价形式。关键问题是找到波函数合适的数学近似，只有通过这一捷径才可能将亚层的波函数结合成可以求解的方程。
然而，鲍林在秋高气爽的环境中苦苦工作了几个星期，却没有找到一条行得通的捷径。然后，在1930年12月的一个夜晚，鲍林坐在书房的书桌前，又尝试了一种近似。这回在试图合并两个电子亚层的波函数时，他忽略了被数学家称为径向函数的部分，斯莱特在论文中曾经提及这种简化可能会奏效。在去除了这一层复杂性之后，鲍林惊奇地发现“从数学上来讲，这一问题变得相当简单”——至少对受过索末菲培训的量子物理学家来说是非常简单的。
现在，他可以用恰当的系数将物理学家的两个碳原子电子亚层的波函数合并为对一个新的混合形式的数学描述：四个相同的轨道正好以精确的角度组成一个四面体。不仅如此，他的新的混合轨道远离原子核，因此更加倾向于同别的原子中的电子轨道重叠。这里有一个基本思想：两个原子的电子轨道重叠越多，产生的能量交换就越多，化学键的强度就越大。
他的精神一下子抖擞了起来。根据量子力学的原则和公式；他建立了一个四面体的碳原子。计算得出的化学键之间的角度是正确的；键长看上去也合适；电子交换产生的能量也足以解释改变电子亚层轨道形状所需的能量。
他废寝忘食地伏案工作。他发现，运用同样的基本方法，可以在计算中加入更多的电子，并得出更为复杂的分子的特性。鲍林打破物理学家的电子亚层，将其组合成新的轨道的思想洞开了解释许多分子结构的大门，比如，某些钻和铂化合物的键合形式就能得到良好的解释。在鲍林的笔下，物理学家的新力学证明了化学家一个又一个的思想。他回忆说：“我无比激动和兴奋，彻夜不眠，设想、列出并求解许多方程。这些方程十分简单，花不了我几分钟时间。解出了一个方程，得到答案，然后解答另一个八面体配位体化合物结构的方程，比如铁氢化钾中的亚铁氢离子，或者是正方形配位体化合物，如四氯化铂离子，和各种其他问题。随着时间的推移，我越来越觉得飘飘欲仙了。”
在接下来的两个月时间里，他日以继夜地不断完善并扩充自己的发现，有关成果的论文将成为化学史上最为重要的文献之一。在论文中，他提出了共享电子对成键的六条规则。头三条规则是对路易斯、海特勒、伦敦和自己早期工作的重申——电子对化学键是通过两个原子中孤电子的相互作用形成的；一旦配成对，两个电子就不能参加新键的组成。他的后三条规则是新的。一条提出，化学键的电子交换条件只涉及每个原子的一个波函数；另一条规则提出，能级最低的自由电子可以形成最强的化学键。鲍林的最后一条规则断言，在一个原子中的两个轨道中，能与别的原子的轨道重叠最多的轨道会形成最强的化学键，而且化学键一般与较为集中的轨道保持同方向。这样就能对键角和分子结构作出预测和计算。
考虑到自己的读者大多是缺乏数学基础的化学家，鲍林对自己的规则并没有给出冗长的数学证明。他在论文中写道：“即使在最简单的情况下对电子对化学键作出证明……也需要用到大量的符号和方程。”不过，他简要地概括了对这些规则进行验证的方式，并列出了几个推理的例子。从量子力学的原则出发，现在就已能够推出从化学键的长度和排列直到分子和复杂离子磁性的完整理论。鲍林还能够预测原子新的电子结构和性质。换句话说，量子力学不仅能够证明已知的事实；它还可以引导人们得到新的认识。在1931年2月中旬，鲍林将自己的论文寄给了《美国化学学会学报》。他给论文起了一个略显豪华的题目：“化学键的本质”。
几乎与此同时，他的第二个儿子，彼得·杰夫列斯（其中间名是为了纪念鲍林少年时的一个朋友）在2月10日呱呱坠地，真可谓是双喜临门。
不料平地又起了风波。3月1日——在鲍林的论文寄出两星期后、发表一个月之前——《物理评论》上出现了一篇与鲍林的文章内容极其相近的论文，其中包括：波函数重叠最大能够形成最稳定的化学键的思想；对于离子键和共价键关系的讨论；对化合物成键方式的讨论，如果化合物与价键有几种组合方式，很可能“真实情况为……对各种可能性的组合，并由于共振原理，能量相对较低”；而且更为重要的是，文章解释了碳原子中的四面体化学键。作者正是启发了鲍林获得突破的物理学家约翰·斯莱特。
乍一看来，似乎斯莱特打败了鲍林。但是在把斯莱特的文章细读了几遍之后，鲍林发现了他俩的工作有着很大的不同。就一点而言，在斯莱特的论文中，描述性的内容多于定量分析；它并没有提供获得化学键长度和强度确切数字的方法。鲍林匆忙地给《物理评论》写了一封短信，恳请读者注意他在给《美国化学学会学报》的论文中“对化学键强度近似定量分析十分简单，然而却非常强大的方法”（黑体字由鲍林标明）。他简要地阐述了自己的六条规则，并强调是他第一个在1928年运用量子力学手段来解决四面体键合问题。（斯莱特在论文中并没有提及鲍林的那篇论文。）鲍林然后很快地概括了斯莱特的成果，并指出自己的思想比这些成果更深入。
这一争名夺誉的手法相当巧妙：鲍林和斯莱特都喜欢对方，而且尊重对方的工作。在那篇论文发表前的几周，斯莱特还提议鲍林到麻省理工学院任教，给他物理学、化学或者任一种组合的正教授头衔；在鲍林“万分感激，实难从命”的回信中（那时加州理工学院已经答应提升他当正教授），鲍林写道：“除了您之外，没有别的理论物理学家的工作使我感兴趣。”在阅读鲍林发表在《美国化学学会学报》上的论文之后，斯莱特写道：“我很高兴事情发展到了这一步，我们同时决定把自己的想法写出来。我还没有机会细读您的论文，但是第一眼的印象是我们总的观点十分一致。”他们的观点确实非常一致。1931年夏天，鲍林在帕萨迪纳组织了一场关于化学键的讨论会，斯莱特到会作报告。在演讲之前，斯莱特提醒鲍林说：“……我们的观点基本相同，所以在会议之前我们最好对一下笔记，免得讲同样的内容。”
两个年轻人不约而同地在同样的问题上运用了同样的方法，也将分享这一荣誉。在一段时间里，这一理论被拗口地称为海特勒—伦敦—斯莱特—鲍林化学成键理论——后来的名称较为顺口，价键理论——人们一致认为斯莱特和鲍林几乎在同时，通过独立的研究工作，得出了同样的结论。
正如物理学家维克多·魏斯科普夫后来指出，量子力学最终把物理和化学这两大领域统一了起来。通过运用新物理的规则来解释原子键合成分子的过程，斯莱特和鲍林促成了这段姻缘。物理学家是正确的：电子在轨道上运动，而不是在干货架上傻坐着。但是在一些很重要的方面，化学家，特别是路易斯同样是正确的。电子轨道有一定朝向，而且化学键是由共用电子对形成的。斯莱特和鲍林的成果表明——合乎逻辑而且至少具有近似的数学可信度——物理学家的新的量子原则是如何在化学家的分子中发挥作用的。
《美国化学学会学报》在收到鲍林论文之后的六个星期内就刊登了这篇文章，这充分显示了鲍林研究成果的重要性和独创性，因为一般的等待时间要长达几个月。后来鲍林得知，杂志的编辑阿瑟·兰姆想不出有谁能够鉴定这篇文章，就直接把它发表了。
为了支持和鼓励青年化学家，A·C·朗缪尔博士（物理化学家欧文·朗缪尔的哥哥）在1931年每年出资一千美元，奖励全国最优秀的青年化学家。他请这一领域内最权威的专业组织美国化学学会来挑选获奖者。第一年授予朗缪尔奖的时候，前美国化学学会主席诺伊斯确保自己的得意门生获得提名。1931年8月，鲍林欣喜地得知自己获奖了。这一奖励承认了鲍林非凡的成就和远大的前程——仅仅30岁，他已经发表了50多篇论文，涉及广泛的理论和实验题目——而且在当时是相当丰厚的一笔收入，大致相当于鲍林年薪的四分之一。同时这也为美国化学学会和加州理工学院提供了一个宣传自己的绝好机会。很快，鲍林发现自己成了一个小小的名人，接受来自从波特兰到纽约的记者的采访，自己的照片和专访也纷纷出现在报章杂志上。《科学美国人》刊登了他的一张大幅照片，看上去若有所思，一副学者风度，并把他称为“美国科学的神童”。诺伊斯告诉记者，鲍林是“我多年教书生涯中遇见的最有前途的年轻人”。A·C·朗缪尔更是赞不绝口，说他是“一颗正在升起的新星，将可能获得诺贝尔奖”。9月的一个夜晚，在纽约州布法罗市举行的美国化学学会全会上，鲍林大步走上主席台，从学会主席的手中接过了奖项，台下两千名全国最优秀的化学家报以热烈的掌声�
