淺談鮑林的科學(xué)成就和創(chuàng)新方法

程學(xué)禮

(泰山學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)系，山東泰安 271021)

鮑林(Linus Carl Pauling，1901－1994)，量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的先驅(qū)者［1］，1954年因在化學(xué)鍵方面的工作獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，1962年因反對核彈在地面測試而獲得諾貝爾和平獎(jiǎng).他是唯一一個(gè)單獨(dú)兩次獲諾貝爾獎(jiǎng)的人.他在化學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域都有過重大貢獻(xiàn).他提出了許多理論和概念，如電負(fù)性、共振理論、價(jià)鍵理論、雜化軌道、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)等，享有很高的國際聲譽(yù).隨著現(xiàn)代化學(xué)的迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)化學(xué)觀點(diǎn)不僅滲透到化學(xué)各個(gè)分支學(xué)科領(lǐng)域，同時(shí)在生物、材料、礦冶、地質(zhì)等技術(shù)科學(xué)中也得到應(yīng)用;量子化學(xué)也已經(jīng)成為化學(xué)家們廣泛應(yīng)用的一種理論方法.同時(shí)，鮑林也是化學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)最多的人物之一.2011年恰逢鮑林誕辰110周年，在倡導(dǎo)素質(zhì)教育和科學(xué)創(chuàng)新的今天，有必要對這位化學(xué)大師的科學(xué)成就和科學(xué)思想做一個(gè)介紹，以期對當(dāng)代的大學(xué)生和科研工作者帶來啟示.

1 鮑林的主要科學(xué)成就

鮑林創(chuàng)造性地提出了許多新的概念.例如，共價(jià)半徑、金屬半徑、電負(fù)性標(biāo)度等，這些概念的應(yīng)用，對現(xiàn)代化學(xué)、凝聚態(tài)物理的發(fā)展都有巨大意義.

1.1 價(jià)鍵理論［2］

創(chuàng)建了近代化學(xué)鍵理論，揭示了化學(xué)鍵的本質(zhì)，倍受科學(xué)家關(guān)注［3－5］，直到現(xiàn)在仍對科學(xué)家的思想有著重要影響［6］.鮑林自1930年開始致力于化學(xué)鍵的研究，1931年2月發(fā)表價(jià)鍵理論，此后陸續(xù)發(fā)表相關(guān)論文，1939年出版了在化學(xué)史上有劃時(shí)代意義的《化學(xué)鍵的本質(zhì)》一書，完善了價(jià)鍵理論，提出了電子對鍵的六條規(guī)則［7］.這部書徹底改變了人們對化學(xué)鍵的認(rèn)識(shí)，將其從直觀的、臆想的概念升華為定量的和理性的高度.由于鮑林在化學(xué)鍵本質(zhì)以及復(fù)雜化合物物質(zhì)結(jié)構(gòu)闡釋方面杰出的貢獻(xiàn)，他贏得了1954年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).鮑林對化學(xué)鍵本質(zhì)的研究，引申出了廣泛使用的雜化軌道概念.雜化軌道理論認(rèn)為，在形成化學(xué)鍵的過程中，原子軌道自身回重新組合，形成雜化軌道，以獲得最佳的成鍵效果.根據(jù)雜化軌道理論，飽和碳原子的四個(gè)價(jià)層電子軌道，即一個(gè)2S軌道和三個(gè)2p軌道線性組合成四個(gè)完全對等的sp3雜化軌道，量子力學(xué)計(jì)算顯示這四個(gè)雜化軌道在空間上形成正四面體，從而成功的解釋了碳的正四面體結(jié)構(gòu).直到今天，鮑林的鍵焓假設(shè)仍然是熱力學(xué)的基本理論［8］.

1.2 電負(fù)性

最早提出了“電負(fù)性”的概念［9］.鮑林在研究化學(xué)鍵鍵能的過程中發(fā)現(xiàn)，對于同核雙原子分子，化學(xué)鍵的鍵能會(huì)隨著原子序數(shù)的變化而發(fā)生變化，為了半定量或定性描述各種化學(xué)鍵的鍵能以及其變化趨勢，鮑林于1932年首先提出了用以描述原子核對電子吸引能力的電負(fù)性概念，并且提出了定量衡量原子電負(fù)性的計(jì)算公式.電負(fù)性這一概念簡單、直觀、物理意義明確并且不失準(zhǔn)確性，至今仍獲得廣泛應(yīng)用，是描述元素化學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)之一［10］.

1.3 共振論

最早把“共振”這一概念應(yīng)用于化學(xué)鍵中.鮑林提出的共振論是20世紀(jì)最受爭議的化學(xué)理論［11］，也是有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)基本理論之一［12－13］.為了求解復(fù)雜分子體系化學(xué)鍵的薛定諤方程，鮑林使用了變分法.在原子核位置不變的前提下，提出體系所有可能的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，寫出每個(gè)結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的波函數(shù)，將體系真實(shí)的波函數(shù)表示為所有可能結(jié)構(gòu)波函數(shù)的線性組合，經(jīng)過變分法處理后，得到體系總能量最低的波函數(shù)形式.這樣，體系的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)就表示成為若干種不同結(jié)構(gòu)的雜化體，為了形象地解釋這種計(jì)算結(jié)果的物理意義，鮑林提出共振論，即體系的真實(shí)電子狀態(tài)是介于這些可能狀態(tài)之間的一種狀態(tài)，分子是在不同化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)之間共振的［14］.鮑林將共振論用于對苯分子結(jié)構(gòu)的解釋獲得成功，使得共振論成為有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)基本理論.蘇聯(lián)和中國等共產(chǎn)主義國家出于意識(shí)形態(tài)的考慮，曾對共振論、現(xiàn)代遺傳學(xué)等科學(xué)理論展開政治批判，共振論被作為唯心主義的典型加以批判［15］.有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，共振論一直是解釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)，尤其是共軛體系電子結(jié)構(gòu)的有力工具.

1.4 生物大分子結(jié)構(gòu)和功能［16－17］

最早提出了蛋白質(zhì)由多肽組成，并且具有螺旋結(jié)構(gòu).二十世紀(jì)三十年代中期，隨著加州理工學(xué)院加強(qiáng)其在生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，鮑林得以接觸一批生物學(xué)大師，期間鮑林對他原本沒有興趣的生物大分子結(jié)構(gòu)研究產(chǎn)生了興趣［18－19］.鮑林在生物大分子領(lǐng)域最初的工作是對血紅蛋白結(jié)構(gòu)的確定，并且通過實(shí)驗(yàn)首先證實(shí)，在得氧和失氧狀態(tài)下，血紅蛋白的結(jié)構(gòu)是不同的，為了進(jìn)一步精確測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，鮑林首先想到他早期從事的X－射線衍射晶體結(jié)構(gòu)測試的方法，他將這種方法引入到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測定中來，并且推導(dǎo)了經(jīng)衍射圖譜計(jì)算蛋白質(zhì)中重原子坐標(biāo)的公式.結(jié)合血紅蛋白的晶體衍射圖譜，鮑林提出蛋白質(zhì)中的肽鏈在空間中是呈螺旋形排列的，這就是最早的α螺旋結(jié)構(gòu)模型，有科學(xué)史學(xué)者認(rèn)為沃森和克里克提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型就是受到了鮑林的影響，而鮑林之所以沒有提出雙螺旋，是因?yàn)樗艿矫绹溈ㄥa主義的影響，錯(cuò)過了一次在英國舉行的學(xué)術(shù)會(huì)議，沒有能夠看到一幅重要的DNA晶體衍射圖譜.1951年鮑林結(jié)合他在血紅蛋白進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究，以及對肽鏈和肽平面化學(xué)結(jié)構(gòu)的理論研究，提出了α螺旋和β折疊是蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)建單元的理論.這一理論成為20世紀(jì)生物化學(xué)若干基本理論之一，影響深遠(yuǎn)［20］.此外，鮑林還提出了酶催化反應(yīng)的機(jī)理、抗原與抗體結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性原理以及DNA復(fù)制過程中的互補(bǔ)性原理，這些理論在20世紀(jì)的生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都扮演了非常重要的角色.

1.5 發(fā)現(xiàn)錫錫鍵［20］

1983年11月3日，美國《新科學(xué)家》雜志報(bào)道鮑林發(fā)現(xiàn)了新化學(xué)鍵——錫錫鍵.鮑林新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)鍵，屬于金屬與金屬之間的結(jié)合，稱為錫錫鍵.錫錫鍵的鍵長比單鍵短，比雙鍵長，鍵能介于單雙鍵之間，它比單鍵穩(wěn)定.

2 鮑林的創(chuàng)新方法

鮑林是一位化學(xué)大師，他對化學(xué)的卓越貢獻(xiàn)和對化學(xué)真知不懈探索中隱含著他的科學(xué)方法和創(chuàng)新思想.上文提及的偉大科學(xué)發(fā)現(xiàn)說明他是一個(gè)博學(xué)而勤奮的人，這些成就改變了后半世紀(jì)自然科學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展，從中我們可以得到了很多啟示.

2.1 永不認(rèn)輸?shù)目茖W(xué)精神

在鮑林晚年，由于對維生素C的偏愛，這位“最受尊敬”的科學(xué)家卻犯了一個(gè)影響很大的錯(cuò)誤而受到醫(yī)學(xué)權(quán)威們的激烈反對［21］.鮑林于1970年出版了《維生素C與普通感冒》一書，提出了一種缺乏科學(xué)根據(jù)的學(xué)說，認(rèn)為維生素是具有防止感冒、抗癌癥等功能的藥物，主張大劑量服用.“維生素神話”表現(xiàn)出鮑林從不服輸?shù)木?，甚至有些固?zhí)和偏執(zhí).再比如，鮑林把共振概念引入化學(xué)，形成了共振論，從而完善了量子力學(xué)與經(jīng)典結(jié)構(gòu)理論的聯(lián)接，但引起了科學(xué)史家的極大關(guān)注和爭議、誤解.鮑林堅(jiān)信自己的觀點(diǎn)是正確的，最終是共振論得到認(rèn)可，也表現(xiàn)出他意志堅(jiān)定、執(zhí)著自信的科學(xué)精神［22］.同時(shí)，鮑林堅(jiān)決反對把科技成果用于戰(zhàn)爭，特別反對核戰(zhàn)爭，并進(jìn)行堅(jiān)持不懈的斗爭，也表現(xiàn)出他的這種工作態(tài)度和科學(xué)精神.

2.2 勇于創(chuàng)造的探索精神

鮑林關(guān)于共振論的研究方法不同于傳統(tǒng)的科學(xué)方法.他明確地抓住了海森堡介紹的共振的意義，并將創(chuàng)造性地將共振論引入到化學(xué)中，由此產(chǎn)生了一些新的概念.鮑林將量子力學(xué)的說明與電子的交換或電子在不同的原子軌道之間的躍遷的形象描述融合起來，提出了“共振能”的概念.［22］雖然共振論存在某些缺陷和局限性，但這一開創(chuàng)性工作迄今仍是有機(jī)化學(xué)的主導(dǎo)理論.［23］鮑林價(jià)鍵規(guī)則是一個(gè)既有物理基礎(chǔ)，又帶有一定經(jīng)驗(yàn)色彩的方法，這一創(chuàng)造性成果的應(yīng)用面是相當(dāng)廣泛的，并衍生出多個(gè)重要理論.［24－25］在化學(xué)鍵知識(shí)的基礎(chǔ)上，1932年，鮑林預(yù)言，惰性氣體可以與其他元素化合生成化合物.惰性氣體原子最外層都被8個(gè)電子所填滿，形成穩(wěn)定的電子層按傳統(tǒng)理論不能再與其他原子化合.但鮑林的量子化學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為，較重的惰性氣體原子，可能會(huì)與那些特別易接受電子的元素形成化合物，這一預(yù)言，在1962年被證實(shí).這些開創(chuàng)性的猜想或理論是建立在堅(jiān)實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)和不懈的探索之上的，也說明他敏銳、敢于冒險(xiǎn)而勇于創(chuàng)造的科學(xué)精神.

2.3 勤奮的科學(xué)態(tài)度

鮑林的家境很不好，父親只是一位一般的藥劑師，母親多病，9歲喪父，母親幾乎無力撫養(yǎng)他.但他很早就接觸化學(xué)實(shí)驗(yàn)并產(chǎn)生濃厚興趣，是勤奮使鮑林堅(jiān)強(qiáng)地成長為20世紀(jì)最偉大的化學(xué)家之一.鮑林是一位十分勤奮而博學(xué)的人，他曾經(jīng)直言不諱地說:“對于聰明而不愿勤奮的人，我從來就對他們不懷好感.”［21］筆者也認(rèn)為，勤奮是一個(gè)科學(xué)工作者最可貴、最不可或缺的優(yōu)良品質(zhì)，是科學(xué)家成功的關(guān)鍵因素.

2.4 豐富的想象力

鮑林有數(shù)量驚人的設(shè)想，但多數(shù)證明是無用的.［25］比如，鮑林認(rèn)為稀有氣體氙是一種極好的全身麻醉藥，作用的機(jī)理是藥劑改變了水的結(jié)晶，提出了“水合微晶理論”(或稱“水合相理論”)，但現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)證明該理論是不合理的.［26］他超強(qiáng)的想象力同樣導(dǎo)致了后來獲得巨大成功的共振理論，但一開始中、西方科學(xué)界都難以接受這一思想，在1951年莫斯科一個(gè)為期4天的會(huì)議上，共振論受到蘇聯(lián)激進(jìn)思想家的猛烈抨擊，鮑林被趕出蘇聯(lián).［27］然而，鮑林的少數(shù)幾個(gè)天才般的奇思妙想?yún)s使他成為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家.可見，在科學(xué)上，豐富的想象力往往起到舉足輕重的作用.

3 結(jié)束語

鮑林是世界著名量子化學(xué)家，對價(jià)鍵理論、電負(fù)性、共振論、生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能等方面做出了開創(chuàng)性的工作，并發(fā)現(xiàn)了錫錫鍵，在世界上享有很高的聲望.永不服輸而又有些固執(zhí)、敢于創(chuàng)新、勤奮和豐富的想象力使他成為一個(gè)多產(chǎn)而備受關(guān)注的科學(xué)家.他的創(chuàng)新思想、科學(xué)態(tài)度和工作方式可以給當(dāng)代科技工作者帶來啟迪.

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