20世纪的科学怪杰：鲍林(76)

七六

　　从德国化学家海特勒和伦敦的电子交换思想导出的鲍林理论认为，分子是不同原子的叠合体。原子与原子之间通过键联结，而键是由定位于两个原子核之间的若干个电子形成的。键的数目等于元素的价数，也就是元素的键容量，由此鲍林学派就被人们称为价键学派或VB学派。从理论上说，将每个键的波函数叠加起来，就可计算出总的量子力学状态。当然对计算结果还需根据每个健对相邻键的作用情况进行适当的修正。

　　在鲍林大力宣传VB理论的近20年时间里，马利肯却耐心研究自己的分子轨道（MO）理论，他坚信：分子并不是像VB理论鼓吹者所设想的那种情况。在马利肯看来，分子并不是由不同的原子通过不同的键联结起来的聚集体，而是一个不可分割的整体，其特有的性态只能从分子本身来加以解释。他研究过分子吸收和发射光谱的现象，这方面的研究经历使他相信不应把键接电子看作是固定在某个位置上的，而应看作分布在整个表面上，这样才能更好地解释分子的性态。虽然这个理论对多数化学家来说不那么直观，但马利肯经过20年的研究后坚信这个理论是正确的。马利肯认为，分子应该是它们自身实际表现出来的那个样子，而不是如19世纪的化学家所设想的它们应该具有的那种样子。他借用美国女作家斯泰因①话来概括自己的观点：“分子的定义是：分子就是分子。”

　　①斯泰因（Gertrude Stein，1874—1946），美国女作家，移居巴黎（1903），提倡先锋派艺术，运用重复或片断化、简单化手法写作，作品有小说《三个女人的一生》、《艾百斯·B·托克拉斯自传》等。

　　在价键理论和分子轨道理论的争论中，绝大多数化学家赞同和接受价键理论，出现这个结果的一个主要原因是鲍林的才智和人格所发挥的重要作用。鲍林懂得怎样解释他的价键理论使化学家乐于接受。原子通过不同的键每次一个地与其他原子联接起来，这种情况可以在纸上用联接元素符号的一根根虚线表示出来，这与化学家们关于化学键的看法相吻合。同样重要的是，鲍林善于找出捷径来简化数学运算。尽管从理论上讲，可以通过将不同的波函数叠加从而得出分子的量子力学刻画，但在当时尚无电子计算机的情况下，除了一些最简单的分子外，一般分子的有关数学计算非常困难，实际上根本不可行。

　　鲍林提出一些半经验性的变通办法来避开这种困难，诸如共振能和电子负电等级的计算方法，这些变通办法符合量子力学的精神，但其基础除了依赖于薛定谔波动方程外，还依赖于鲍林的直观想象力。化学家在应用鲍林的理论时，并不需要懂得怎样叠加波函数。这种简化方法使鲍林理论在30年代和40年代早期越来越流行。特别在鲍林的专着《化学键的本质》正式出版后，情况更是如此。化学家应用鲍林方法意味着已经涉足于最新的物理理论，而实际上又根本用不到学习物理；他们不费吹灰之力就带上了应用量子物理的光环，

　　鲍林本人的能力，他的才智和人格，在推广价键理论的过程中发挥了决定性的也可说是最重要的作用。他是一个杰出的教师，是一个极富性格魅力的演说家。他能吸引人们信仰他的理论。受他本人或他的著作的影响，研究者纷纷转而接受他的方法。到了40年代，价键理论似乎已经征服了整个化学界。

　　马利肯根本无法与鲍林竞争。不仅是因为他的基本概念过于深奥而使很多化学家望而却步，也不仅是因为他把这些概念包装得过于生僻而使人难以读懂（他用希腊字母来表示分子轨道，还带着复杂的上标和下标），而且还因为他是一个蹩脚的信息传播者——太精确，太数学化，太多的严格性，以致使他的理论变得十分枯燥乏味。在芝加哥大学，他讲课的效果极差，使化学系的学生感到厌倦。他的深邃的洞察力被笼罩在艰涩阴沉的理论迷雾中，使人摸不着头脑。他的论文大多数发表在与物理有关的杂志上，是很难读懂的。

　　在许多年里，马利肯只能眼巴巴地看着那么多荣誉和奖励落到鲍林的头上。他看到，鲍林发表于30年代的一系列关于“化学键的本质”的论文被盛赞为革命性成果，而他自己于同一时期发表的14篇系列文章“多原子分子的电子结构与价”却无人问津。他看到，鲍林讲课时教室里人满为患，而学生们对他却避而远之。他看到，给鲍林的邀请和荣誉一个接一个，而他自己却只能呆在芝加哥大学做一个辛辛苦苦的教书匠。

　　使马利肯感到特别恼怒的是，鲍林蔑视他的理论。鲍林倒并不认为他的理论是错误的——斯莱特和鲍林早在1931年就肯定价键理论和分子轨道理论都是对波动方程的很好的近似，假如深入研究下去，将推导出同样的结论；而且鲍林本人在自己早期的几篇论文里还采用了分子轨道理论的有关概念——但是鲍林却坚持主张，他的价键理论对化学家更实用且更适合于教学。“有一种理论已经足够了，”鲍林写道，“分子轨道只能把学生搞糊涂。”在他1935年出版的《量子力学导论》一书中，他用了相当大的篇幅论述价键理论，而只写了一小段文字把分子轨道理论一带而过。在《化学键的本质》一书中，他对马利肯的理论更只是顺便提了一句。

　　而马利肯却发现，风行一时的鲍林价键理论正在起着破坏作用。“鲍林是个演员，”他说，“他千方百计把每样事情都讲得通俗简单，这使他的理论在化学家中倍受欢迎；殊不知这样做的结果是使人们放弃了对事物的深入理解……他教给化学家非常粗略的概念并使他们自我满足，从而阻碍他们去做出更好的结果。”

　　在整个30年代，鲍林利用自己出色的演技将价键理论推上了唯我独尊的地位。但是到了40年代后期，越来越多的化学家开始学习马利肯的理论。主要由于鲍林的工作，这时量子化学已经走出了初期的普及阶段，在名牌大学学习的化学系高年级学生希望学习量子力学基础和更多的数学知识，以便在未来的化学研究中取得更好的成果。新一代化学家学到的知识越多，他们就越不需要鲍林的简化方法。他们渴望掌握这一领域中更加定量化的、不依赖于直观的理论。他们在马利肯的分子轨道理论中找到了所需的东西。

　　有些事情真像风水轮回，成败难料。举例说，在30年代，对氢分子用分子轨道方法进行分析时，比用价键方法可得出更精确的键长，却只能得出较差的离解常数。但现在人们逐渐看清，经过改进的分子轨道方法是研究复杂分子的更加有效的工具。人们开始公开批评鲍林的价键理论的某些概念，比如电子负电能级的概念。有些批评者说，这一概念虽然在很多场合是一种实用的工具，但是它缺乏坚实的理论基础，用来处理矿物元素时更不可靠。他们还批评鲍林用共振体来解释分子性质的方法。

　　在实践中，这种方法依赖于选取若干个恰当的初始结构——即所谓的正则结构——在它们之间形成共振，然后再恰当地权衡每个共振体的贡献得出最后的结果。一般来说，分子越大，包含的原子越多，那么解释分子性质所需要的正则结构的数量就越多。鲍林具有超常的化学直觉能力，常常能得到恰当的共振体，但其他化学家就得不出，鲍林的一个学生韦兰特（他曾成功地应用价键理论进行有机化学的研究）走得更远，他引入一种所谓的“受激态”结构——纯粹想象出来的在自然界不可能现实存在的结构——作为共振体的构件，使事情更加复杂化了。一些化学家认为，这种做法无异于鼓励人们胡思乱想，把各种怪东西都塞到正则混合体中去，价键理论的任意性太大了。越来越多的化学家产生了这样的感觉：鲍林和他的追随者为了解释某种分子的性质，可随时从他们的帽子里变出所需的共振混合体。

　　到1947年，甚至韦兰特也承认，尽管共振概念从总体上看对解释化学现象很有用，但确定正则结构的数值时，“带有很大的随意性，很不可靠……然而我并不认为这种方法是完全没有价值的。当严格的处理方式行不通而不得不采取近似方法时，那么你只能引进某种程度的随意性，这是为了取得进展唯一可行的方法，只要头脑清醒，不把所取得的结果看得太认真，你就不会有大的麻烦，并有可能获得某些研究成果。”

　　但是，到了战后时期，很多化学家急于把量子化学变成一门严格的定量化科学。对他们来说，价键方法已不再是一种好方法。正如马利肯所说，“当涉及到复杂分子时，价键方法要求有大量的共振结构，而对这些结构进行计算几乎是不可能的事。”在30年代，马利肯在英国找到了一小批人数虽少但影响颇大的志同道合的量子化学家。在莱纳德一琼斯（他是英国理论化学学会的首任主席）和朗盖一希金斯的领导下，英国的分子轨道理论研究者积极发展马利肯的理论并推广他的方法的应用范围。比如说，就在鲍林和马利肯在巴黎进行辩论之前不久，莱纳德一琼斯提出了一种简易方法，利用分子轨道理论解释键的方向性，从而克服了这种理论的一个重大缺陷。

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