《20世纪的科学怪杰鲍林》第38章

友苌洹币嵌月砜硕允且恢钟腥さ挠槔郑还荒苡糜谀切┠茉谑椅孪乱云问酱嬖诘慕闲〉姆肿樱氖笛槭夷壳暗闹氐闶蔷扌途酆衔铩６胰玖瞎径缘缱友苌湟埠廖扌巳ぃ蛭章砜说乃捣ǎ罢舛髯涣饲！?br /> 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?