《20世纪的科学怪杰鲍林》第15章

坪醮笾掳凑找欢ǖ闹芷谏仙⑾陆怠⒃偕仙４佣栊云搴ふ庵肿匀唤缰凶畈痪呋钚缘奈镏手豢肌Ｔ谥芷诒碇泻笠?位是另一种惰性气体氖，再后移8位又是一种惰性气体氩。活跃的碱性金属同样如此：锂离开钠8位，而钠与同样离开8位的钾的性质又十分相似。
①罗塞塔石碑系1799年在埃及罗塞塔镇附近发现的古埃及石碑，其碑文用古埃及象形文字和通俗文字以及希腊文字刻成。该碑的发现为解读古埃及象形文字提供了线索。后来被人们借用来比喻有助于理解疑难问题的事物。
但是人们尚不清楚为什么总是8这个神奇的数字。在1913年左右，大家接受了一种新的观点，即周期表内每一个新增的元素不仅在质量上增加，而且要比前一个元素多一个电子。电子数量有规律地增加一定与元素周期性质有着密切的联系。
路易斯在1916年发表的一篇论文中解释了这种现象。他写道，惰性气体不活跃，是因为其电子排列特别稳定。惰性气体之间相差8位意味着增加了8个电子；不管电子是如何稳定地排列的，8个电子为一个单位。以前也有人提议过所谓的“八位法”，但在用这一法则解释化学时，路易斯比别人更进了一步。他由此出发，建立了一个新的原子模型。他的模型不同于物理学家的小太阳系模型。他把电子与原子核放在三维立体的空间中，彼此之间的距离相等，然后把它们联结起来。这就形成了一个包含原子核的立方体，在8个角上各有一个电子。在元素周期表上每上升一位就增加一个电子，在里层立方体外就形成一个新的立方体，就像大盒子里套着小盒子一样。
路易斯的立方体原子模型不仅能用来解释八位法，还能用来解释物理学家的小太阳系模型所不能解释的现象，例如一个原子是如何与别的原子组成稳定分子的。按照路易斯和朗缪尔的理论，元素具有一种形成有8个电子的完整立方体的自然倾向。一个原子如果比完整立方体多出4个电子——比如碳——它会与另一些能够提供4个电子的原子结合，以形成稳定的、具有8个电子的完整立方体。路易斯写道，完整的立方体可以通过与别的原子分享电子来实现。根据这一理论，这一过程是通过每次分享立方体一边的一对电子实现的。举例来说，4个氢原子逐个与碳原子外壳的4个电子分享其单个电子，形成了稳定的甲烷分子CH4，其外层立方体相当于有了8个电子。路易斯和朗缪尔写道，电子对的分享是把分子结合在一起的黏合剂。
原子的立方体模型虽然很简单，但是很有效，至少可以初步解释惰性气体的性质、元素周期表、化合价，以及为什么某些元素能与一定数量的其他元素更稳定地结合，这是人们早已知晓却无法解释的问题。
此外，路易斯和朗缪尔的模型有一个物理学家的模型所不及的方面：它符合化学家对分子形状的认识。化学家知道，分子决不是一些原子随心所欲的排列；它们有特定的形状。就甲烷而言，四个氢原子与碳原子形成的是一个正四面体，就像一座三面的金字塔。用太阳系模型无法令人信服地说明为什么甲烷具有这一种形状，但用立方体模型就能容易地看到，立方体的原子通过在每一边分享电子就形成了自然界中存在的这种形状。
路易斯1916年的论文是一篇突破性的文章，鲍林认为这篇论文完全应该为他赢得诺贝尔奖。如同许多在科学史上具有里程碑意义的文章一样，它提出了几个重要的概念。它将化学家的注意力集中到电子上来，并进一步巩固了人们日益接受的一种观念，即化学总的来说扎根于电子的排列。强调结构——“研究一种化学现象，我们必须首先了解原子的结构和安排，”路易斯这样写道——对化学的影响同样是巨大的。它确立了化学家在研究原子结构中的地位，直接向物理学家的太阳系模型提出了挑战，因为后者无法解释化合价或分子结构。更为重要的是，它提出化学键是由电子对形成的。
然而，路易斯的立方体原子模型也有其自身的问题。与物理学家“动态”模型相对应，他的模型很快被称为原子的“静态”模型，因为路易斯要求电子相对静止地呆在立方体角点上。物理学家争论说，静态的电子是不可想象的；一个带负电的粒子是无法在一个带正电的粒子附近保持静止的——静电作用会把它们拉到一起。路易斯典型的大胆回答是，他的模型可能是正确的，而牛顿定律是错误的。他在1916年写道：“如果我们发觉有必要修改近距离带电粒子相互作用法则的话。这在科学史上也不是绝无仅有的。随着观察领域的拓展，往往需要对以前小范围观察得出的推论作出相应的调整。”
后来美国参加了第一次世界大战，这一争论就被搁置在一边了。路易斯开始研究在毒气战中保护战士的方法，而卢瑟福则专攻放射性。原子结构的问题要等到战后新一代的年轻物理学家来继续下去了。在化学家方面，直到朗缪尔在1919年介绍并推进了路易斯的思想之后，它们才得到了应有的重视。
在读到路易斯和朗缪尔的论文之前，鲍林在授课时仍然沿用古希腊原始的化学键理论。照这种理论的说法，每个原子都有几个钩子和针眼，可以与别的原子扣在一起。比如说，钠有一个针眼；氯有一个钩子，因此很容易组成氯化钠，而两个氯原子的钩子扣在一起可以形成Cl2。两个钠原子则不能结合在一起。鲍林刚开始学习这种理论时，感到这样的解释还是可以令人满意的，但它毕竟无法说明钩子和针眼到底是什么，因而也无法说明把原子结合成稳定化合物的力量的实质。
而路易斯和朗缪尔的理论却可以对此作出解释。分享电子对的概念把化学和原子物理学结合在一起，这样就可以来讨论某些化学现象为什么发生，而不仅仅是描述发生了什么。
鲍林在学生时代就开始思考分子的结构。在读材料和冶金学课程时，讨论把铁炼成钢和金属的延展性时就需要涉及简单的原子模型。他记得在课上学到的一个概念是，当金属被拉伸时，原子平面会发生滑移，不同层的原子被重叠到了一起。他自鸣得意地想象着原子彼此碰撞，以此作为思考金属性质的基础。
在化学学习中，这是一个不可多得的享受。作为学生，鲍林能够阅读到大量的资料，其中描述了各种物质的属性——分子式、分子量、密度、颜色、晶体结构、熔点、沸点、溶解性、活性、折射率——然而没有一段文字是分析为什么会产生这些属性的：为什么水和甲烷的冰点不同？为什么石墨和钻石的硬度相差这么大？为什么氖气不同任何别的物质发生反应，而在周期表上仅与其相差一位的氯气却能和几乎所有的物质发生反应？现在，通过应用路易斯和朗缪尔的思想，鲍林学会了用一种更成熟、更能说明问题的方式来看待分子。他写道：“那时，我产生了一种强烈的愿望，要去了解物质的物理和化学性质与其原子和分子结构之间的关系。”
鲍林不仅被路易斯的思想所打动，也为其风格所吸引。路易斯的科学态度——大胆、理论、结构——将成为鲍林的榜样。这完全不同于他以前熟知的化学。这是理论化学，通过几个简单、概括的概念来解释、整理头绪纷繁的现象。路易斯试图用他的电子立方体来解释所有的化学现象，这让鲍林异常激动。他也开始用一种概括的思维进行思考，比以前的思维方式提高了一个层次。
鲍林希望与别人分享他的激动。与其他成熟的高等学府不同的是，俄勒冈农学院化学系并不经常组织研讨会，教师和学生们极少有机会在一起交流最新的研究成果。在鲍林任教的一年中，唯一举行的一次研讨会是关于捕捞冷冻加工的。鲍林尽管不到20岁，但决心提高学院学术交流的层次。为此他精心准备了一次研讨会以交流他的学习心得，而实际上那时他刚读完二年级。他向教授们介绍了化学最重大的进展：化学反应的“电子”理论。
米勒小姐
在教学之余的空闲时间里，鲍林还广泛涉猎了科学以外的知识。每隔几天，他就会到学校图书馆去，兴致所至，随意地翻阅一两本书。他发现了萧伯纳，阅读了他所有的戏剧，包括序言和介绍。他通读了莫泊桑的短篇小说，阅读了大量的哲学书籍以及他终身为乐的通俗文学。只要口袋里还有余钱，他每周都要购买《周末晚