量子化學大師

編輯: 逍遙路 關鍵詞: 高中化學 來源: 高中學習網(wǎng)
鮑林是著名的量子化學家,他在化學的多個領域都有過重大貢獻。曾兩次榮獲諾貝爾獎金(1954年化學獎,1962年和平獎),有很高的國際聲譽。

1901年2月18日,鮑林出生在美國俄勒岡州波特蘭市。幼年聰明好學,11歲認識了心理學教授捷夫列斯,捷夫列斯有一所私人實驗室,他曾給幼小的鮑林做過許多有意思的化學演示實驗,這使鮑林從小萌生了對化學的熱愛,這種熱愛使他走上了研究化學的道路。

鮑林在讀中學時、各科成績都很好,尤其是化學成績一直名列全班第一名。他經(jīng)常埋頭在實驗室里做化學實驗,立志當一名化學家。

1917年,鮑林以優(yōu)異的成績考入俄勒岡州農(nóng)學院化學工程系,他希望通過學習大學化學最終實現(xiàn)自己的理想。鮑林的家境很不好,父親只是一位一般的藥劑師,母親多病。家中經(jīng)濟收入微薄,居住條件也很差。于經(jīng)濟困難,鮑林在大學曾停學一年,自己去掙學費,復學以后,他靠勤工儉學來維持學習和生活,曾兼任分析化學教師的實驗員,在四年級時還兼任過一年級的實驗課。

鮑林在艱難的條件下,刻苦攻讀。他對化學鍵的理論很感興趣,同時,認真學習了原子物理、數(shù)學、生物學等多門學科。這些知識,為鮑林以后的研究工作打下了堅實的基礎。

1922年,鮑林以優(yōu)異的成績大學畢業(yè),同時,考取了加州理工學院的研究生,導師是著名化學家諾伊斯。諾伊斯擅長物理化學和分析化學,知識非常淵博。對學生循循善誘,為人和藹可親,學生們評價他"極善于鼓動學生熱愛化學"。

諾伊斯告訴鮑林,不要只停留在書本知識上,應當注重獨立思考,同時要研究與化學有關的物理知識1923年,諾伊斯寫了一部新書,名為《化學原理》,此書在正式出版之前,他要求鮑林在一個假期中,把書上的習題全部做一遍。鮑林用了一個假期的時間,把所有的習題都準確地做完了,諾伊斯看了鮑林的作業(yè),十分滿意。諾伊斯十分賞識鮑林,并把鮑林介紹給許多知名化學家,使他很快地進入了學術(shù)界的社會環(huán)境中。這對鮑林以后的發(fā)展十分有用。

鮑林在諾伊斯的指導下,完成的第一個科研課題是測定輝鋁礦(mosz)的晶體結(jié)構(gòu),鮑林用調(diào)射線衍射法,測定了大量的數(shù)據(jù),最后確定了mosz的結(jié)構(gòu),這一工作完成得很出色,不僅使他在化學界初露鋒芒,同時也增強了他進行科學研究的信心。

鮑林在加州理工學院,經(jīng)導師介紹,還得到了迪肯森、托爾曼的精心指導,迪肯森精通放射化學和結(jié)晶化學,托爾曼精通物理化學,這些導師的精心指導,使鮑林進一步拓寬了知識面,建立了合理的知識結(jié)構(gòu)。

1925年,鮑林以出色的成績獲得化學哲學博士。他系統(tǒng)地研究了化學物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)三者的聯(lián)系,同時還從方法論上探討了決定論和隨機性的關系。他最感興趣的問題是物質(zhì)結(jié)構(gòu),他認為,人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的深入了解,將有助于人們對化學運動、的全面認識。

鮑林獲博士學位以后,于1926年2月去歐洲,在索未菲實驗室里工作一年。然后又到玻爾實驗室工作了半年,還到過薛定愕機和德拜實驗室。這些學術(shù)研究,使鮑林對量子力學有了極為深刻的了解,堅定了他用量子力學方法解決化學鍵問題的信心。鮑林從讀研究生到去歐洲游學,所接觸的都是世界第一流的專家,直接面臨科學前沿問題,這對他后來取得學術(shù)成就是十分重要的。

1927年,鮑林結(jié)束了兩年的歐洲游學回到了美國,在帕莎迪那擔任了理論化學、的助理教授,除講授量子力學及其在化學中的應用外,還講授晶體化學鄉(xiāng)開設有關化學鍵本質(zhì)的學術(shù)講座。1930年,鮑林再一次去歐洲,到布拉格實驗室學習有關射線的技術(shù),后來又到慕尼黑學習電子衍射方面的技術(shù),回國后,被加州理工學院聘為教授。

鮑林在探索化學鍵理論時,遇到了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)的解釋問題。傳統(tǒng)理論認為,原子在未化合前外層有未成對的電子,這些未成對電子如果自旋反平行,則可兩兩結(jié)成電子對,在原子間形成共價鍵。一個電子與另一電子配對以后,就不能再與第三個電子配對。在原子相互結(jié)合成分子時,靠的是原子外層軌道重疊,重疊越多,形成的共價鍵就越穩(wěn)定一這種理論,無法解釋甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)。

為了解釋甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)。說明碳原子四個鍵的等價性,鮑休在1928一1931年,提出了雜化軌道的理論。該理論的根據(jù)是電子運動不僅具有粒子性,同時還有波動性。而波又是可以疊加的。所以鮑林認為,碳原子和周圍口個氫原子成鍵時,所使用的軌道不是原來的s軌道或p軌道,而是二者經(jīng)混雜、疊加而成的"雜化軌道",這種雜化軌道在能量和方向上的分配是對稱均衡的。雜化軌道理論,很好地解釋了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)。

在有機化學結(jié)構(gòu)理論中,鮑林還提出過有名的"共振論"共振論直觀易懂,在化學教學中易被接受,所以受到歡迎,在本世紀40年代以前,這種理論產(chǎn)生了重要影響,但到60年代,在以蘇聯(lián)為代表的集權(quán)國家,化學家的心理也發(fā)生了扭曲和畸變,他們不知道科學自由為何物,對共振論采取了急風暴雨般的大批判,給鮑林扣上了"唯心主義"的帽子。

鮑林在研究量子化學和其他化學理論時,創(chuàng)造性地提出了許多新的概念。例如,共價半徑、金屬半徑、電負性標度等,這些概念的應用,對現(xiàn)代化學、凝聚態(tài)物理的發(fā)展都有巨大意義。

1932年,鮑林預言,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。但鮑林的量子化學觀點認為,較重的惰性氣體原子,可能會與那些特別易接受電子的元素形成化合物,這一預言,在1962年被證實。

鮑林還把化學研究推向生物學,他實際上是分子生物學的奠基人之一,他花了很多時間研究生物大分子,特別是蛋自質(zhì)的分子結(jié)構(gòu),本世紀40年代初,他開始研究氨基酸和多肽鏈,發(fā)現(xiàn)多肽鏈分子內(nèi)可能形成兩種螺旋體,一種是???螺旋體,一種是???螺旋體。經(jīng)過研究他進而指出:一個螺旋是依靠氫鍵連接而保持其形狀的,也就是長的肽鍵螺旋纏繞,是因為在氨基酸長鏈中,某些氫原子形成氫鍵的結(jié)果。作為蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的一種重要形式,???螺旋體,已在晶體衍射圖上得到證實,這一發(fā)現(xiàn)為蛋白質(zhì)空間構(gòu)像打下了理論基礎。這些研究成果,是鮑林1954年榮獲諾貝爾化學獎的項目。

1954年以后,鮑林開始轉(zhuǎn)向大腦的結(jié)構(gòu)與功能的研究,提出了有關麻醉和精神病的分子學基礎。他認為,對精神病分子基礎的了解,有助于對精神病的治療,從而為精神病患者帶來福音。鮑林是第一個提出"分子病"概念的人,他通過研究發(fā)現(xiàn),鐮刀形細胞貧血癥,就是一種分子病,包括了由突變基因決定的血紅蛋白分子的變態(tài)。即在血紅蛋白的眾多氨基酸分子中,如果將其中的一個谷氨酸分子用纈氨酸替換,就會導致血紅蛋白分子變形,造成鐮刀形貧血病。鮑林通過研究,得出了鐮刀形紅細胞貧血癥是分子病的結(jié)論。他還研究了分子醫(yī)學,寫了《矯形分子的精神病學》的論文,指出:分子醫(yī)學的研究,對解開記憶和意識之謎有著決定性的意義。

鮑林學識淵博,興趣廣泛,他曾廣泛研究自然科學的前沿課題。他從事古生物和遺傳學的研究,希望這種研究能揭開生命起源的奧秘。他述于1965年提出原子核模型的設想,他提出的模型有許多獨到之處。

鮑林堅決反對把科技成果用于戰(zhàn)爭,特別反對核戰(zhàn)爭。他指出:"科學與和平是有聯(lián)系的,世界已被科學的發(fā)明大大改變了,特別是在最近一個世紀,F(xiàn)在,我們增進了知識,提供了消除貧困和饑餓的可能性,提供了顯著減少疾病造成的痛苦的可能性,提供了為人類利益有效地使用資源的可能性。"他認為,核戰(zhàn)爭可能毀滅地球和人類,他號召科學家們致力于和平運動,鮑林傾注了很多時間和精力研究防止戰(zhàn)爭、保衛(wèi)和平的問題。他為和平事業(yè)所作的努力,遭到美國保守勢力的打擊,50年代初,美國奉行麥卡錫主義,曾對他進行過嚴格的審查,懷疑他是美共分子,限制他出國講學,干涉他的人身自由。1954年,鮑林榮獲諾貝爾化學獎以后,美國政府才被迫取消了對他的出國禁令。

1955,鮑林和世界知名的大科學家愛因斯坦、羅素、約里奧?居里、玻恩等,簽署了一個宣言:呼吁科學家應共同反對發(fā)展毀滅性武器,反對戰(zhàn)爭,保衛(wèi)和平。1957年5月,鮑林起草了《科學家反對核實驗宣言》,該宣言在兩周內(nèi)就有2000多名美國科學家簽名,在短短幾個月內(nèi),就有49個國家的11000余名科學家簽名。1958年,鮑林把反核實驗宣言交給了聯(lián)合國秘書長哈馬舍爾德,向聯(lián)合國請愿。同年,他寫了《不要再有戰(zhàn)爭》一書,書中以豐富的資料,說明了核武器對人類的重大威脅。

1959年,鮑林和羅素等人在美國創(chuàng)辦了《一人少數(shù)》月刊,反對戰(zhàn)爭,宣傳和平。同年8月,他參加了在日本廣島舉行的禁止原子彈氫彈大會。由于鮑林對和平事業(yè)的貢獻,他在1962年榮獲了諾貝爾和平獎。他以《科學與和平》為題,發(fā)表了領獎演說,在演說中指出:"在我們這個世界歷史的新時代,世界問題不能用故爭和暴力來解決,而是按著對所有人都公平,對一切國家都平等的方式,根據(jù)世界法律來解決。"最后他號召:"我們要逐步建立起一個對全人類在經(jīng)濟、政治和社會方面都公正合理的世界,建立起一種和人類智慧相稱的世界文化。"

鮑林是一位偉大的科學家與和平戰(zhàn)士,他的影響遍及全世界。


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