20世纪的科学怪杰鲍林-第29章
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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。有人为这一盛会的通讯画了一幅漫画，画面上满头乱发的青年鲍林急切地把手伸向一个标有“1，000”的口袋。鲍林后来说，他唯一的遗憾是贝莉没有能到场看他获奖。
在开始第一个教职后的第四年，鲍林从一个大有前途的年轻人一跃而成了全国的名人。到1931年底，他已是正教授，《美国化学学会学报》的副主编，晶体学大师，化学键这一重大问题的合作攻克者，以及朗缪尔奖获得者。他的内心永远充满着自信；现在这种自信洋溢于他的全身。在1931年，他很少对自己产生怀疑。他回忆说：“我很有可能成为一个狂妄的自我本位者。我觉得早些年我就在科学上对自己充满自信。但是……我认为我不应该让这一切冲昏头脑。而且，尽管我在这一件事情上比别人干得好，我也不能够自以为在别的事情上也比别人强。”
7 共振
先锋派
1931年，爱因斯坦在帕萨迪纳逗留了几个月，当时加州理工学院正竭力说服他来校任教。期间，他出席了鲍林的一个研讨会。知道听众中有世界上健在的最伟大的科学家，鲍林格外卖力地将自己运用波动力学来解决化学键的新思想详细地进行了论述。后来，一位记者问爱因斯坦对这位青年化学家的理论有什么看法。他耸了耸肩膀，笑笑说：“对我来说，他的理论太复杂了。”
爱因斯坦也许只是出于对新闻记者的敷衍才这么说的，但是如果要进行精确的数学计算，鲍林对化学键的解释确实是相当复杂的——至少对绝大多数化学家来说是这样。从传统、数学或是哲学的角度来讲，化学家对鲍林的理论都感到茫然不解。那时候的化学仍然是扎根于上一世纪的许多分支学科的大杂烩——有机化学，无机化学，物理化学，胶体化学，农业化学——每一门分支都有自己的一班人马和一系列难题。化学家们被分成离子学家、热力学家，现在又新添了量子化学家，每一个团体都有自己的传统、方法、期刊，每年只是在几次全体会议上才坐在一起。在美国，只有受诺伊斯影响的加州理工学院和加州大学伯克利分校的化学系才跨越了这些旧的学科限制，强调在教授之间进行交流和沟通，并致力于研究化学学科的基本思想。
1931年，鲍林基于量子理论创造的化学键理论，比当时的思想领先了十年。绝大多数化学家既不知晓量子力学为何物，也不理会量子力学对化学学科的重大意义。对大多数从业人员来说，真正的化学研究是在实验室里，而不是在一张纸上进行的；只有通过亲手配制化合物，并观察其反应来作出发现，而不是靠臆想来推出一些数学公式。他们可能听说过X射线晶体学这一物理学家的工具，但是从未使用过——加州理工学院仍然
