量子化學(xué)大師鮑林

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鮑林是著名的量子化學(xué)家,他在化學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域都有過(guò)重大貢獻(xiàn)。曾兩次榮獲諾貝爾獎(jiǎng)金(1954年化學(xué)獎(jiǎng),1962年和平獎(jiǎng)),有很高的國(guó)際聲譽(yù)。
1901年2月18日,鮑林出生在美國(guó)俄勒岡州波特蘭市。
幼年聰明好學(xué),11歲認(rèn)識(shí)了心理學(xué)教授捷夫列斯,捷夫列斯有一所私人實(shí)驗(yàn)室,他曾給幼小的鮑林做過(guò)許多有意思的化學(xué)演示實(shí)驗(yàn),這使鮑林從小萌生了對(duì)化學(xué)的熱愛(ài),這種熱愛(ài)使他走上了研究化學(xué)的道路。
鮑林在讀中學(xué)時(shí)、各科成績(jī)都很好,尤其是化學(xué)成績(jī)一直名列全班第一名。他經(jīng)常埋頭在實(shí)驗(yàn)室里做化學(xué)實(shí)驗(yàn),立志當(dāng)一名化學(xué)家。
1917年,鮑林以優(yōu)異的成績(jī)考入俄勒岡州農(nóng)學(xué)院化學(xué)工程系,他希望通過(guò)學(xué)習(xí)大學(xué)化學(xué)最終實(shí)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(jì)收入微薄,居住條件也很差。于經(jīng)濟(jì)困難,鮑林在大學(xué)曾停學(xué)一年,自己去掙學(xué)費(fèi),復(fù)學(xué)以后,他靠勤工儉學(xué)來(lái)維持學(xué)習(xí)和生活,曾兼任分析化學(xué)教師的實(shí)驗(yàn)員,在四年級(jí)時(shí)還兼任過(guò)一年級(jí)的實(shí)驗(yàn)課。
鮑林在艱難的條件下,刻苦攻讀。他對(duì)化學(xué)鍵的理論很感興趣,同時(shí),認(rèn)真學(xué)習(xí)了原子物理、數(shù)學(xué)、生物學(xué)等多門學(xué)科。這些知識(shí),為鮑林以后的研究工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1922年,鮑林以優(yōu)異的成績(jī)大學(xué)畢業(yè),同時(shí),考取了加州理工學(xué)院的研究生,導(dǎo)師是著名化學(xué)家諾伊斯。諾伊斯擅長(zhǎng)物理化學(xué)和分析化學(xué),知識(shí)非常淵博。對(duì)學(xué)生循循善誘,為人和藹可親,學(xué)生們?cè)u(píng)價(jià)他“極善于鼓動(dòng)學(xué)生熱愛(ài)化學(xué)”。
諾伊斯告訴鮑林,不要只停留在書(shū)本知識(shí)上,應(yīng)當(dāng)注重獨(dú)立思考,同時(shí)要研究與化學(xué)有關(guān)的物理知識(shí)1923年,諾伊斯寫了一部新書(shū),名為《化學(xué)原理》,此書(shū)在正式出版之前,他要求鮑林在一個(gè)假期中,把書(shū)上的習(xí)題全部做一遍。鮑林用了一個(gè)假期的時(shí)間,把所有的習(xí)題都準(zhǔn)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(shí)鮑林,并把鮑林介紹給許多知名化學(xué)家,使他很快地進(jìn)入了學(xué)術(shù)界的社會(huì)環(huán)境中。這對(duì)鮑林以后的發(fā)展十分有用。
鮑林在諾伊斯的指導(dǎo)下,完成的第一個(gè)科研課題是測(cè)定輝鋁礦(mosz)的晶體結(jié)構(gòu),鮑林用調(diào)射線衍射法,測(cè)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(xué)界初露鋒芒,同時(shí)也增強(qiáng)了他進(jìn)行科學(xué)研究的信心。
鮑林在加州理工學(xué)院,經(jīng)導(dǎo)師介紹,還得到了迪肯森、托爾曼的精心指導(dǎo),迪肯森精通放射化學(xué)和結(jié)晶化學(xué),托爾曼精通物理化學(xué),這些導(dǎo)師的精心指導(dǎo),使鮑林進(jìn)一步拓寬了知識(shí)面,建立了合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)。
1925年,鮑林以出色的成績(jī)獲得化學(xué)哲學(xué)博士。他系統(tǒng)地研究了化學(xué)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)三者的聯(lián)系,同時(shí)還從方法論上探討了決定論和隨機(jī)性的關(guān)系。他最感興趣的問(wèn)題是物質(zhì)結(jié)構(gòu),他認(rèn)為,人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的深入了解,將有助于人們對(duì)化學(xué)運(yùn)動(dòng)、的全面認(rèn)識(shí)。
鮑林獲博士學(xué)位以后,于1926年2月去歐洲,在索未菲實(shí)驗(yàn)室里工作一年。然后又到玻爾實(shí)驗(yàn)室工作了半年,還到過(guò)薛定愕機(jī)和德拜實(shí)驗(yàn)室。這些學(xué)術(shù)研究,使鮑林對(duì)量子力學(xué)有了極為深刻的了解,堅(jiān)定了他用量子力學(xué)方法解決化學(xué)鍵問(wèn)題的信心。鮑林從讀研究生到去歐洲游學(xué),所接觸的都是世界第一流的專家,直接面臨科學(xué)前沿問(wèn)題,這對(duì)他后來(lái)取得學(xué)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(xué)回到了美國(guó),在帕莎迪那擔(dān)任了理論化學(xué)、的助理教授,除講授量子力學(xué)及其在化學(xué)中的應(yīng)用外,還講授晶體化學(xué)鄉(xiāng)開(kāi)設(shè)有關(guān)化學(xué)鍵本質(zhì)的學(xué)術(shù)講座。1930年,鮑林再一次去歐洲,到布拉格實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)有關(guān)射線的技術(shù),后來(lái)又到慕尼黑學(xué)習(xí)電子衍射方面的技術(shù),回國(guó)后,被加州理工學(xué)院聘為教授。
鮑林在探索化學(xué)鍵理論時(shí),遇到了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)的解釋問(wèn)題。傳統(tǒng)理論認(rèn)為,原子在未化合前外層有未成對(duì)的電子,這些未成對(duì)電子如果自旋反平行,則可兩兩結(jié)成電子對(duì),在原子間形成共價(jià)鍵。一個(gè)電子與另一電子配對(duì)以后,就不能再與第三個(gè)電子配對(duì)。在原子相互結(jié)合成分子時(shí),靠的是原子外層軌道重疊,重疊越多,形成的共價(jià)鍵就越穩(wěn)定一這種理論,無(wú)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(shuō)明碳原子四個(gè)鍵的等價(jià)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(yùn)動(dòng)不僅具有粒子性,同時(shí)還有波動(dòng)性。而波又是可以疊加的。所以鮑林認(rèn)為,碳原子和周圍口個(gè)氫原子成鍵時(shí),所使用的軌道不是原來(lái)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(duì)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(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)理論中,鮑林還提出過(guò)有名的“共振論”共振論直觀易懂,在化學(xué)教學(xué)中易被接受,所以受到歡迎,在本世紀(jì)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(guó)家,化學(xué)家的心理也發(fā)生了扭曲和畸變,他們不知道科學(xué)自由為何物,對(duì)共振論采取了急風(fēng)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(xué)和其他化學(xué)理論時(shí),創(chuàng)造性地提出了許多新的概念。例如,共價(jià)半徑、金屬半徑、電負(fù)性標(biāo)度等,這些概念的應(yīng)用,對(duì)現(xiàn)代化學(xué)、凝聚態(tài)物理的發(fā)展都有巨大意義。
1932年,鮑林預(yù)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(gè)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(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為,較重的惰性氣體原子,可能會(huì)與那些特別易接受電子的元素形成化合物,這一預(yù)言,在1962年被證實(shí)。
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