20世纪的科学怪杰：鲍林(12)

一二

　　这一发现与汤姆逊发现电子同样地令人吃惊。原子不是实心的球，而是一张精巧的丝网。实心的物质实际上几乎是一片空白。卢瑟福的发现引发了另一轮理论探讨。如果原子核真的那么小且带正电，而电子真的高原子核那么远且带负电，那么是什么力量使两者结合在一起呢？异性相吸，为什么电子不会一头栽进原子核中去呢？

　　物理学家对运动的物体和力的研究是相当深入的；牛顿理论以及后来科学家的研究使他们能够仅仅凭几个地球上的试验就能预测天体的运动。同样，这一套久经考验的自然规律——后来被称之为古典物理学——也可以用来解释原子的运动。卢瑟福自己就提出，原子结构有可能像一个小型的太阳系，电子绕原子核运动就如同行星绕太阳运动。电子运行的速度可能抵消了原子核的吸引力。同大多数物理学家一样，他认为电子是高速运动的；卢瑟福的原子模型是一个动态模型。但他的理论不能成立。一个致命的缺陷是，在传统理论下，任何运动的物体都会失去能量。就拿电子来说，这意味着卢瑟福的原子会像一块上了发条的表，发条松了之后，电子就会盘旋着掉进原子中去。

　　如果原子不像太阳系，那像什么呢？在20世纪初的几十年内，这个问题的答案像圣杯①一样吸引了几代孜孜以求的物理学家。

　　①圣杯，传说是耶稣在最后的晚餐所用的餐具之一。

　　在寻找圣杯的旅途中物理学家并不是独行者。在引起鲍林关注的那篇论文中朗缪尔写道：“原子结构这一问题主要是由物理学家来研究的，而他们很少考虑那些最终必须由原子结构理论来解释的化学特性。有关物质的化学性质和关系，我们已经积累了大量的知识，归纳出了元素周期表。相对于用纯粹物理方法进行试验得到的数据而言，丰富得多的化学资料是建立原子模型的更好基础。”

　　这儿涉及到一些化学与物理学科之间的竞争。前者是19世纪科学之王，而后者将是20世纪科技的霸主。路易斯和朗缪尔都熟悉并欣赏物理学——两人都在德国与物理化学的先驱们共同学习过，路易斯还是美国最早接受爱因斯坦相对论的一批学者之——但他们打心底里说还是化学家。

　　朗缪尔指出，化学的核心是元素周期表，这也是化学家破解大自然语言的罗赛塔石碑。①元素周期表在19世纪60年代开始成形。几位化学家发现，当他们按照原子重量从小到大排列各种元素时，某些化学性质——熔点、沸点、化学活性——似乎大致按照一定的周期上升、下降、再上升。从惰性气体氦这种自然界中最不具活性的物质之一开始。在周期表中后移8位是另一种惰性气体氖，再后移8位又是一种惰性气体氩。活跃的碱性金属同样如此：锂离开钠8位，而钠与同样离开8位的钾的性质又十分相似。

　　①罗塞塔石碑系1799年在埃及罗塞塔镇附近发现的古埃及石碑，其碑文用古埃及象形文字和通俗文字以及希腊文字刻成。该碑的发现为解读古埃及象形文字提供了线索。后来被人们借用来比喻有助于理解疑难问题的事物。

　　但是人们尚不清楚为什么总是8这个神奇的数字。在1913年左右，大家接受了一种新的观点，即周期表内每一个新增的元素不仅在质量上增加，而且要比前一个元素多一个电子。电子数量有规律地增加一定与元素周期性质有着密切的联系。

　　路易斯在1916年发表的一篇论文中解释了这种现象。他写道，惰性气体不活跃，是因为其电子排列特别稳定。惰性气体之间相差8位意味着增加了8个电子；不管电子是如何稳定地排列的，8个电子为一个单位。以前也有人提议过所谓的“八位法”，但在用这一法则解释化学时，路易斯比别人更进了一步。他由此出发，建立了一个新的原子模型。他的模型不同于物理学家的小太阳系模型。他把电子与原子核放在三维立体的空间中，彼此之间的距离相等，然后把它们联结起来。这就形成了一个包含原子核的立方体，在8个角上各有一个电子。在元素周期表上每上升一位就增加一个电子，在里层立方体外就形成一个新的立方体，就像大盒子里套着小盒子一样。

　　路易斯的立方体原子模型不仅能用来解释八位法，还能用来解释物理学家的小太阳系模型所不能解释的现象，例如一个原子是如何与别的原子组成稳定分子的。按照路易斯和朗缪尔的理论，元素具有一种形成有8个电子的完整立方体的自然倾向。一个原子如果比完整立方体多出4个电子——比如碳——它会与另一些能够提供4个电子的原子结合，以形成稳定的、具有8个电子的完整立方体。路易斯写道，完整的立方体可以通过与别的原子分享电子来实现。根据这一理论，这一过程是通过每次分享立方体一边的一对电子实现的。举例来说，4个氢原子逐个与碳原子外壳的4个电子分享其单个电子，形成了稳定的甲烷分子CH4，其外层立方体相当于有了8个电子。路易斯和朗缪尔写道，电子对的分享是把分子结合在一起的黏合剂。

　　原子的立方体模型虽然很简单，但是很有效，至少可以初步解释惰性气体的性质、元素周期表、化合价，以及为什么某些元素能与一定数量的其他元素更稳定地结合，这是人们早已知晓却无法解释的问题。

　　此外，路易斯和朗缪尔的模型有一个物理学家的模型所不及的方面：它符合化学家对分子形状的认识。化学家知道，分子决不是一些原子随心所欲的排列；它们有特定的形状。就甲烷而言，四个氢原子与碳原子形成的是一个正四面体，就像一座三面的金字塔。用太阳系模型无法令人信服地说明为什么甲烷具有这一种形状，但用立方体模型就能容易地看到，立方体的原子通过在每一边分享电子就形成了自然界中存在的这种形状。

　　路易斯1916年的论文是一篇突破性的文章，鲍林认为这篇论文完全应该为他赢得诺贝尔奖。如同许多在科学史上具有里程碑意义的文章一样，它提出了几个重要的概念。它将化学家的注意力集中到电子上来，并进一步巩固了人们日益接受的一种观念，即化学总的来说扎根于电子的排列。强调结构——“研究一种化学现象，我们必须首先了解原子的结构和安排，”路易斯这样写道——对化学的影响同样是巨大的。它确立了化学家在研究原子结构中的地位，直接向物理学家的太阳系模型提出了挑战，因为后者无法解释化合价或分子结构。更为重要的是，它提出化学键是由电子对形成的。

　　然而，路易斯的立方体原子模型也有其自身的问题。与物理学家“动态”模型相对应，他的模型很快被称为原子的“静态”模型，因为路易斯要求电子相对静止地呆在立方体角点上。物理学家争论说，静态的电子是不可想象的；一个带负电的粒子是无法在一个带正电的粒子附近保持静止的——静电作用会把它们拉到一起。路易斯典型的大胆回答是，他的模型可能是正确的，而牛顿定律是错误的。他在1916年写道：“如果我们发觉有必要修改近距离带电粒子相互作用法则的话。这在科学史上也不是绝无仅有的。随着观察领域的拓展，往往需要对以前小范围观察得出的推论作出相应的调整。”

　　后来美国参加了第一次世界大战，这一争论就被搁置在一边了。路易斯开始研究在毒气战中保护战士的方法，而卢瑟福则专攻放射性。原子结构的问题要等到战后新一代的年轻物理学家来继续下去了。在化学家方面，直到朗缪尔在1919年介绍并推进了路易斯的思想之后，它们才得到了应有的重视。

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　　在读到路易斯和朗缪尔的论文之前，鲍林在授课时仍然沿用古希腊原始的化学键理论。照这种理论的说法，每个原子都有几个钩子和针眼，可以与别的原子扣在一起。比如说，钠有一个针眼；氯有一个钩子，因此很容易组成氯化钠，而两个氯原子的钩子扣在一起可以形成Cl2。两个钠原子则不能结合在一起。鲍林刚开始学习这种理论时，感到这样的解释还是可以令人满意的，但它毕竟无法说明钩子和针眼到底是什么，因而也无法说明把原子结合成稳定化合物的力量的实质。

　　而路易斯和朗缪尔的理论却可以对此作出解释。分享电子对的概念把化学和原子物理学结合在一起，这样就可以来讨论某些化学现象为什么发生，而不仅仅是描述发生了什么。

　　鲍林在学生时代就开始思考分子的结构。在读材料和冶金学课程时，讨论把铁炼成钢和金属的延展性时就需要涉及简单的原子模型。他记得在课上学到的一个概念是，当金属被拉伸时，原子平面会发生滑移，不同层的原子被重叠到了一起。他自鸣得意地想象着原子彼此碰撞，以此作为思考金属性质的基础。

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