3 少年教授
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。
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。
在化学学习