浅谈鲍林的科学成就和创新方法

程学礼

(泰山学院化学与环境科学系，山东泰安 271021)

鲍林(Linus Carl Pauling，1901－1994)，量子化学和结构化学的先驱者［1］，1954年因在化学键方面的工作获得诺贝尔化学奖，1962年因反对核弹在地面测试而获得诺贝尔和平奖.他是唯一一个单独两次获诺贝尔奖的人.他在化学的多个领域都有过重大贡献.他提出了许多理论和概念，如电负性、共振理论、价键理论、杂化轨道、蛋白质二级结构等，享有很高的国际声誉.随着现代化学的迅速发展，结构化学观点不仅渗透到化学各个分支学科领域，同时在生物、材料、矿冶、地质等技术科学中也得到应用;量子化学也已经成为化学家们广泛应用的一种理论方法.同时，鲍林也是化学领域出现最多的人物之一.2011年恰逢鲍林诞辰110周年，在倡导素质教育和科学创新的今天，有必要对这位化学大师的科学成就和科学思想做一个介绍，以期对当代的大学生和科研工作者带来启示.

1 鲍林的主要科学成就

鲍林创造性地提出了许多新的概念.例如，共价半径、金属半径、电负性标度等，这些概念的应用，对现代化学、凝聚态物理的发展都有巨大意义.

1.1 价键理论［2］

创建了近代化学键理论，揭示了化学键的本质，倍受科学家关注［3－5］，直到现在仍对科学家的思想有着重要影响［6］.鲍林自1930年开始致力于化学键的研究，1931年2月发表价键理论，此后陆续发表相关论文，1939年出版了在化学史上有划时代意义的《化学键的本质》一书，完善了价键理论，提出了电子对键的六条规则［7］.这部书彻底改变了人们对化学键的认识，将其从直观的、臆想的概念升华为定量的和理性的高度.由于鲍林在化学键本质以及复杂化合物物质结构阐释方面杰出的贡献，他赢得了1954年诺贝尔化学奖.鲍林对化学键本质的研究，引申出了广泛使用的杂化轨道概念.杂化轨道理论认为，在形成化学键的过程中，原子轨道自身回重新组合，形成杂化轨道，以获得最佳的成键效果.根据杂化轨道理论，饱和碳原子的四个价层电子轨道，即一个2S轨道和三个2p轨道线性组合成四个完全对等的sp3杂化轨道，量子力学计算显示这四个杂化轨道在空间上形成正四面体，从而成功的解释了碳的正四面体结构.直到今天，鲍林的键焓假设仍然是热力学的基本理论［8］.

1.2 电负性

最早提出了“电负性”的概念［9］.鲍林在研究化学键键能的过程中发现，对于同核双原子分子，化学键的键能会随着原子序数的变化而发生变化，为了半定量或定性描述各种化学键的键能以及其变化趋势，鲍林于1932年首先提出了用以描述原子核对电子吸引能力的电负性概念，并且提出了定量衡量原子电负性的计算公式.电负性这一概念简单、直观、物理意义明确并且不失准确性，至今仍获得广泛应用，是描述元素化学性质的重要指标之一［10］.

1.3 共振论

最早把“共振”这一概念应用于化学键中.鲍林提出的共振论是20世纪最受争议的化学理论［11］，也是有机化学结构基本理论之一［12－13］.为了求解复杂分子体系化学键的薛定谔方程，鲍林使用了变分法.在原子核位置不变的前提下，提出体系所有可能的化学键结构，写出每个结构所对应的波函数，将体系真实的波函数表示为所有可能结构波函数的线性组合，经过变分法处理后，得到体系总能量最低的波函数形式.这样，体系的化学键结构就表示成为若干种不同结构的杂化体，为了形象地解释这种计算结果的物理意义，鲍林提出共振论，即体系的真实电子状态是介于这些可能状态之间的一种状态，分子是在不同化学键结构之间共振的［14］.鲍林将共振论用于对苯分子结构的解释获得成功，使得共振论成为有机化学结构基本理论.苏联和中国等共产主义国家出于意识形态的考虑，曾对共振论、现代遗传学等科学理论展开政治批判，共振论被作为唯心主义的典型加以批判［15］.有机化学领域，共振论一直是解释物质结构，尤其是共轭体系电子结构的有力工具.

1.4 生物大分子结构和功能［16－17］

最早提出了蛋白质由多肽组成，并且具有螺旋结构.二十世纪三十年代中期，随着加州理工学院加强其在生物学领域的发展，鲍林得以接触一批生物学大师，期间鲍林对他原本没有兴趣的生物大分子结构研究产生了兴趣［18－19］.鲍林在生物大分子领域最初的工作是对血红蛋白结构的确定，并且通过实验首先证实，在得氧和失氧状态下，血红蛋白的结构是不同的，为了进一步精确测定蛋白质结构，鲍林首先想到他早期从事的X－射线衍射晶体结构测试的方法，他将这种方法引入到蛋白质结构测定中来，并且推导了经衍射图谱计算蛋白质中重原子坐标的公式.结合血红蛋白的晶体衍射图谱，鲍林提出蛋白质中的肽链在空间中是呈螺旋形排列的，这就是最早的α螺旋结构模型，有科学史学者认为沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构模型就是受到了鲍林的影响，而鲍林之所以没有提出双螺旋，是因为他受到美国麦卡锡主义的影响，错过了一次在英国举行的学术会议，没有能够看到一幅重要的DNA晶体衍射图谱.1951年鲍林结合他在血红蛋白进行的实验研究，以及对肽链和肽平面化学结构的理论研究，提出了α螺旋和β折叠是蛋白质二级结构的基本构建单元的理论.这一理论成为20世纪生物化学若干基本理论之一，影响深远［20］.此外，鲍林还提出了酶催化反应的机理、抗原与抗体结构互补性原理以及DNA复制过程中的互补性原理，这些理论在20世纪的生物化学和医学领域都扮演了非常重要的角色.

1.5 发现锡锡键［20］

1983年11月3日，美国《新科学家》杂志报道鲍林发现了新化学键——锡锡键.鲍林新发现的化学键，属于金属与金属之间的结合，称为锡锡键.锡锡键的键长比单键短，比双键长，键能介于单双键之间，它比单键稳定.

2 鲍林的创新方法

鲍林是一位化学大师，他对化学的卓越贡献和对化学真知不懈探索中隐含着他的科学方法和创新思想.上文提及的伟大科学发现说明他是一个博学而勤奋的人，这些成就改变了后半世纪自然科学和医学的发展，从中我们可以得到了很多启示.

2.1 永不认输的科学精神

在鲍林晚年，由于对维生素C的偏爱，这位“最受尊敬”的科学家却犯了一个影响很大的错误而受到医学权威们的激烈反对［21］.鲍林于1970年出版了《维生素C与普通感冒》一书，提出了一种缺乏科学根据的学说，认为维生素是具有防止感冒、抗癌症等功能的药物，主张大剂量服用.“维生素神话”表现出鲍林从不服输的精神，甚至有些固执和偏执.再比如，鲍林把共振概念引入化学，形成了共振论，从而完善了量子力学与经典结构理论的联接，但引起了科学史家的极大关注和争议、误解.鲍林坚信自己的观点是正确的，最终是共振论得到认可，也表现出他意志坚定、执著自信的科学精神［22］.同时，鲍林坚决反对把科技成果用于战争，特别反对核战争，并进行坚持不懈的斗争，也表现出他的这种工作态度和科学精神.

2.2 勇于创造的探索精神

鲍林关于共振论的研究方法不同于传统的科学方法.他明确地抓住了海森堡介绍的共振的意义，并将创造性地将共振论引入到化学中，由此产生了一些新的概念.鲍林将量子力学的说明与电子的交换或电子在不同的原子轨道之间的跃迁的形象描述融合起来，提出了“共振能”的概念.［22］虽然共振论存在某些缺陷和局限性，但这一开创性工作迄今仍是有机化学的主导理论.［23］鲍林价键规则是一个既有物理基础，又带有一定经验色彩的方法，这一创造性成果的应用面是相当广泛的，并衍生出多个重要理论.［24－25］在化学键知识的基础上，1932年，鲍林预言，惰性气体可以与其他元素化合生成化合物.惰性气体原子最外层都被8个电子所填满，形成稳定的电子层按传统理论不能再与其他原子化合.但鲍林的量子化学观点认为，较重的惰性气体原子，可能会与那些特别易接受电子的元素形成化合物，这一预言，在1962年被证实.这些开创性的猜想或理论是建立在坚实的化学基础和不懈的探索之上的，也说明他敏锐、敢于冒险而勇于创造的科学精神.

2.3 勤奋的科学态度

鲍林的家境很不好，父亲只是一位一般的药剂师，母亲多病，9岁丧父，母亲几乎无力抚养他.但他很早就接触化学实验并产生浓厚兴趣，是勤奋使鲍林坚强地成长为20世纪最伟大的化学家之一.鲍林是一位十分勤奋而博学的人，他曾经直言不讳地说:“对于聪明而不愿勤奋的人，我从来就对他们不怀好感.”［21］笔者也认为，勤奋是一个科学工作者最可贵、最不可或缺的优良品质，是科学家成功的关键因素.

2.4 丰富的想象力

鲍林有数量惊人的设想，但多数证明是无用的.［25］比如，鲍林认为稀有气体氙是一种极好的全身麻醉药，作用的机理是药剂改变了水的结晶，提出了“水合微晶理论”(或称“水合相理论”)，但现代科学技术证明该理论是不合理的.［26］他超强的想象力同样导致了后来获得巨大成功的共振理论，但一开始中、西方科学界都难以接受这一思想，在1951年莫斯科一个为期4天的会议上，共振论受到苏联激进思想家的猛烈抨击，鲍林被赶出苏联.［27］然而，鲍林的少数几个天才般的奇思妙想却使他成为20世纪最伟大的科学家.可见，在科学上，丰富的想象力往往起到举足轻重的作用.

3 结束语

鲍林是世界著名量子化学家，对价键理论、电负性、共振论、生物大分子的结构和功能等方面做出了开创性的工作，并发现了锡锡键，在世界上享有很高的声望.永不服输而又有些固执、敢于创新、勤奋和丰富的想象力使他成为一个多产而备受关注的科学家.他的创新思想、科学态度和工作方式可以给当代科技工作者带来启迪.

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