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萊納斯·鮑林(LinusCarlPauling,1901年2月28日-1994年8月19日),美國著名化學家,量子化學和結構生物學的先驅者之一。1954年因在化學鍵方面的工作取得諾貝爾化學獎,1962年因反對核彈在地面測試的行動獲得諾貝爾和平獎,成為兩位獲得諾貝爾獎不同獎項的人之一(另一人為居里夫人)。其後他主要的行動為支持維他命C在醫學的功用。鮑林被認為是20世紀對化學科學影響最大的人之一,他所撰寫的《化學鍵的本質》被認為是化學史上最重要的著作之一。他以量子力學入手分析化學問題,結論卻以直觀、淺白的概念重新闡述,即便未受量子力學訓練的化學家亦可利用準確的直觀圖像研究化學問題,影響至為深遠,比如他所提出的許多概念:電負度、共振理論、價鍵理論、混成軌域、蛋白質二級結構等概念和理論,如今已成為化學領域最基礎和最廣泛使用的觀念。


1 萊納斯·鮑林 -生平簡介

萊納斯·鮑林萊納斯·鮑林
出生:1901 年2月28日/美國俄勒岡州波特蘭市

逝世:1994 年8月19日/美國加利福尼亞州 〔93歲〕

獲獎:諾貝爾化學獎(1954年);諾貝爾和平獎(1962年)

萊納斯·鮑林1901年出生於美國西部俄勒岡州的波特蘭市,父親是一位藥劑師。鮑林從小就對父親在藥房里配製各種粉劑和藥膏非常感興趣,並常常到一個好朋友家中去看一些有趣的化學實驗。後來,他從父親的朋友那裡得到了很多化學藥品,自己做起了化學實驗。

18歲時鮑林開始對價鍵的電子理論發生興趣。1922年獲得化學工程學士學位后,他意識到自己想當化學家而不是工程師,於是進入加州理工學院做研究生併兼任助教,並於1925年獲得博士學位。1926年,他到慕尼黑,以博士後身份跟隨德國理論物理大師索末菲工作了一年。第二年他回到加州理工學院任教。1963年後他在加州聖巴巴拉民主學院研究中心擔任了四年的物理學和生物學教授。1969年——1973年,鮑林在斯坦福大學任教授。1973年以後,他擔任了以其名字命名的科學和醫學研究所的研究教授。

鮑林一生研究範圍相當廣,許多方面都處於領先地位,如首先提出化學鍵可能有一種混合特性,即既含有共價性,又含有離子性;第一個提出「電負性」概念,並確定了元素的電負性值;把「共振」這個術語用於化學鍵理論;第一個提出蛋白質分子具有螺旋狀結構等。

1929年,鮑林以離子的電荷和半徑為基礎,假設電荷的局部中和,提出了一系列簡單的配位規則,利用其不僅能夠理解,而且還常常能夠預測硅酸鹽和許多其它礦物的結構。這使整個化學領域有了一個理性的基礎。

在鮑林關於化學鍵研究的早期論文中,有一篇是具有革命性的,因為它用波動力學原理解釋了碳的四面體配位和過渡金屬的正方和八面體配位,而這些工作都是過去從未有人涉足過的。不久,由於發現許多物質的性質不能用基於某種鍵型的單一電子結構來表示,鮑林就將量子力學的共振概念運用到化學中來了。他的價鍵理論使原子間距與鍵能之間建立了關係,從而成功地解釋了眾多有機物的化學性質,並在此基礎上建立起了一個傑出的結構化學學派。他撰寫的《量子力學導論》一書於1935年出版,是化學史上的經典著作。

作為一位生物化學家,鮑林最著名的工作是a-螺旋的發現。30至40年代,科學家們開創了X射線測定氨基酸結構的工作,而a-螺旋的發現使X射線分析達到了新的高峰。這項發現給鮑林提供了立體化學數據,足以解釋已經得到的蛋白質纖維(如頭髮、指甲和肌肉)的X射線衍射譜。據說這個發現是在病床上完成的。鮑林因患感冒躺在病床上,閑來無事便用紙折了一個平面肽鍵來玩,這時他發現按每3.6個殘基為一周旋轉可以得到一個令人滿意的螺旋結構。這項發現再加上他對化學做出的諸多突出貢獻,使他在1954年獲得了諾貝爾化學獎。此外,他關於鐮狀細胞貧血和其它遺傳性溶血性貧血的異常蛋白的研究,也具有開創意義。

鮑林對化學的重要貢獻涉及面很廣,對年輕一代化學家影響巨大。1930至1940年間,他把化學從一個主要是現象學的學科轉變成一個以紮實的結構和量子力學原理為基礎的學科。後來,作為鮑林工作理論支柱的價鍵和共振理論又被分子軌道理論所補充,使得人們對化學鍵的認識進一步深化。鮑林因此被尊為20世紀最偉大的化學家之一。

2 萊納斯·鮑林 -求學之路

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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,鮑林以優異的成績考入俄勒岡州農學院化學工程系,他希望通過學習大學化學最終實現自己的理想。鮑林的家境很不好,父親只是一位一般的藥劑師,母親多病。家中經濟收入微薄,居住條件也很差。於經濟困難,鮑林在大學曾停學一年,自己去掙學費,復學以後,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、數學、生物學等多門學科。這些知識,為鮑林以後的研究工作打下了堅實的基礎。1922年,鮑林以優異的成績大學畢業,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「極善於鼓動學生熱愛化學」。

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,十分滿意。諾伊斯十分賞識鮑林,並把鮑林介紹給許多知名化學家,使他很快地進入了學術界的社會環境中。這對鮑林以後的發展十分有用。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)的晶體結構,鮑林用調射線衍射法,測定了大量的數據,最後確定了mosz的結構,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構。1925年,鮑林以出色的成績獲得化學哲學博士。他系統地研究了化學物質的組成、結構、性質三者的聯繫,同時還從方法論上探討了決定論和隨機性的關係。他最感興趣的問題是物質結構,他認為,人們對物質結構的深入了解,將有助於人們對化學運動的全面認識。

鮑林獲博士學位以後,於1926年2月去歐洲,在索未菲實驗室里工作一年。然後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遊學,所接觸的都是世界第一流的專家,直接面臨科學前沿問題,這對他後來取得學術成就是十分重要的。

1927年,鮑林結束了兩年的歐洲遊學回到了美國,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,還講授晶體化學鄉開設有關化學鍵本質的學術講座。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,後來又到慕尼黑學習電子衍射方面的技術,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構的解釋問題。傳統理論認為,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後,就不能再與第三個電子配對。在原子相互結合成分子時,靠的是原子外層軌道重疊,重疊越多,形成的共價鍵就越穩定一這種理論,無法解釋甲烷的正四面體結構。為了解釋甲烷的正四面體結構。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構。

在有機化學結構理論中,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,這種理論產生了重要影響,但到60年代,在以蘇聯為代表的集權國家,化學家的心理也發生了扭曲和畸變,他們不知道科學自由為何物,對共振論採取了急風暴雨般的大批判,給鮑林扣上了「唯心主義」的帽子。

3 萊納斯·鮑林 -學術貢獻

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混成軌域理論

鮑林自1930年代開始致力於化學鍵的研究,1931年2月發表價鍵理論,此後陸續發表相關論文,1939年出版了在化學史上有劃時代意義的《化學鍵的本質》一書。這部書徹底改變了人們對化學鍵的認識,將其從直觀的、臆想的概念升華為定量的和理性的層次,在該書出版后不到30年內,共被引用超過16000次,至今仍有許多高水平學術論文引用該書觀點。由於鮑林在化學鍵本質以及複雜化合物物質結構闡釋方面傑出的貢獻,他贏得了1954年諾貝爾化學獎。

鮑林對化學鍵本質的研究,引申出了廣泛使用的混成軌域概念。混成軌域理論認為,在形成化學鍵的過程中,原子軌道本身會重新組合,形成混成軌域,以獲得最佳的成鍵效果。根據混成軌域理論,飽和碳原子的四個價層電子軌道,即一個2s軌域和三個2p軌域可線性組合為四個完全對等的sp3混成軌域,量子力學計算顯示這四個混成軌域在空間上形成正四面體,從而成功的解釋了碳的正四面體結構。

電負度

鮑林在研究化學鍵鍵能的過程中發現,對於同核雙原子分子,化學鍵的鍵能會隨著原子序數的變化而發生變化,為了半定量或定性描述各種化學鍵的鍵能以及其變化趨勢,鮑林於1932年首先提出了用以描述原子核對電子吸引能力的電負度概念,並且提出了定量衡量原子電負度的計算公式。電負度這一概念簡單、直觀、物理意義明確並且不失準確性,至今仍獲得廣泛應用,並可定性描述氫鍵。如今電負度是描述元素化學性質的重要指標之一

共振理論

鮑林為了求解複雜分子體系化學鍵的薛定諤方程,使用了變分法。在原子核位置不變的前提下,提出分子體系所有可能的化學鍵結構,寫出每個結構所對應的波函數,將體系真實的波函數表示為所有可能結構波函數的線性組合,經過變分法處理后,得到體系總能量最低的波函數形式。為了便於以化學結構式表達,圖像地解釋這種計算結果的物理意義,鮑林提出共振理論,體系的化學鍵結構表示為若干種不同結構,電子是在不同化學鍵結構之間共振的。但這並不表示實際分子結構在不同時間下有不同結構,實際上只有一種經共振混成的低能穩態軌域。舉苯分子結構為例,六個碳之電子為p軌域,經過共振混成,即為一環狀軌域。這解釋了,為何單鍵和雙鍵鍵長不同,在實驗上測量苯環六個鍵長卻都相同。

生物大分子結構和功能

1930年代中期,隨著加州理工學院加強其再在生物學領域的發展,鮑林得以接觸一批生物學大師,期間鮑林對他原本沒有興趣的生物大分子結構研究產生了興趣。鮑林在生物大分子領域最初的工作是對血紅蛋白結構的確定,並且通過實驗首先證實,在得氧和失氧狀態下,血紅蛋白的結構是不同的,為了進一步精確測定蛋白質結構,鮑林首先想到他早期從事的X-射線衍射晶體結構測試的方法,他將這種方法引入到蛋白質結構測定中來,並且推導了經衍射圖譜計算蛋白質中重原子坐標的公式。至今通過蛋白質結晶,進行X-射線衍射實驗仍然是測定蛋白質三級結構的主要方法,人類已知結構的蛋白質大部分是經由這種方法測定獲得的。

結合血紅蛋白的晶體衍射圖譜,鮑林提出蛋白質中的肽鏈在空間中是呈螺旋形排列的,這就是最早的α螺旋結構模型,有科學史學者認為沃森和克里克提出的DNA雙螺旋結構模型就是受到了鮑林的影響,而鮑林之所以沒有提出雙螺旋,是因為他在1950年代受到美國麥卡錫主義的影響,錯過了一次在英國舉行的學術會議,沒有能夠看到一副重要的DNA晶體衍射圖譜。

1951年鮑林結合他在血紅蛋白進行的實驗研究,以及對肽鏈和肽平面化學結構的理論研究,提出了α螺旋和β摺疊是蛋白質二級結構的基本構建單元的理論。這一理論成為當代生物化學基本理論之一,影響深遠。

此外,鮑林還提出了酶催化反應的機理、抗原與抗體結構互補性原理以及DNA複製過程中的互補性原理,這些理論在20世紀的生物化學和醫學領域都扮演了非常重要的角色。

鮑林曾經提出一個磷酸在內側,含氮鹼基在外側的「DNA三螺旋結構模型」,但是很快的就被指出錯誤。

4 萊納斯·鮑林 -大腦研究

萊納斯·鮑林大腦結構
1954年以後,鮑林開始轉向大腦的結構與功能的研究,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,有助於對精神病的治療,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,他通過研究發現,鐮刀形細胞貧血症,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。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症是分子病的結論。他還研究了分子醫學,寫了《矯形分子的精神病學》的論文,指出:分子醫學的研究,對解開記憶和意識之謎有著決定性的意義。

 

5 萊納斯·鮑林 -社會工作

萊納斯·鮑林萊納斯·鮑林
鮑林自第二次世界大戰前一直不關心政治,但戰爭的後果及他妻子的和平主義價值觀對他日後有了重大影響,而使他成為和平的行動主義者。1946年,他加入由愛因斯坦領導的希望提醒公眾發展核武器的禍害的組織——原子能科學家緊急委員會。

因為參議員約瑟夫·麥卡錫公開倡導反共主義,五零年代美國瀰漫著強烈的反共氣息,政治圈的各層級積極找尋並懲罰被懷疑傾向共產主義者。由於鮑林對於反核及反戰的主張,自然成為當時立法者的質疑對象。1950年鮑林被參議院教育調查委員會(SenateInvestigatingCommitteeonEducation)要求去作證,鮑林雖然出席但是拒絕配合任何調查,因為他認為此舉已經對他的人權造成迫害。鮑林在多次場合表明自己不是共產黨員,也不認同共產理念。

當時鮑林已是美國政府的問題人物,所以即便當時最有聲望的倫敦皇家學會(RoyalSocietyofLondon)邀請鮑林出席一項關於蛋白質模型結構的研討會,時間訂為1952年年四月二十八號,也因政治打壓無法取得護照而作罷。一般咸信鮑林因為沒有出席這個會議而錯失目睹一項關鍵性的證據,而讓詹姆斯·沃森及同僚佛朗西斯·克里克搶得先機,早一步提出DNA的分子結構。

6 萊納斯·鮑林 -和平使者

鮑林堅決反對把科技成果用於戰爭,特別反對核戰爭。他指出:「科學與和平是有聯繫的,世界已被科學的發明大大改變了,特別是在最近一個世紀。現在,我們增進了知識,提供了消除貧困和飢餓的可能性,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,核戰爭可能毀滅地球和人類,他號召科學家們致力於和平運動,鮑林傾注了很多時間和精力研究防止戰爭、保衛和平的問題。他為和平事業所作的努力,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後,美國政府才被迫取消了對他的出國禁令。

萊納斯·鮑林萊納斯·鮑林
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:呼籲科學家應共同反對發展毀滅性武器,反對戰爭,保衛和平。1957年5月,鮑林起草了《科學家反對核實驗宣言》,該宣言在兩周內就有2000多名美國科學家簽名,在短短几個月內,就有49個國家的11000餘名科學家簽名。1958年,鮑林把反核實驗宣言交給了聯合國秘書長哈馬舍爾德,向聯合國請願。同年,他寫了《不要再有戰爭》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辦了《一人少數》月刊,反對戰爭,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。由於鮑林對和平事業的貢獻,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,根據世界法律來解決。」最後他號召:「我們要逐步建立起一個對全人類在經濟、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士,他的影響遍及全世界。

7 萊納斯·鮑林 -同名圖書

萊納斯·鮑林萊納斯·鮑林
書名:萊納斯·鮑林

ISBN:7119024965

作者:牛頓大衛著

出版社:北京:外文出版社

年份:1999

頁數和開本:179頁:照片;20cm

叢編項:現代科學的創造者;1

題名:LinusPauling

主題:鮑林(Pauling,LinusCarl1901~1994)(0)>生平事迹(1)
中圖分類號:歷史、地理

內容簡介:鮑林不僅是位有才氣的科學家,更是一位世界和平運動的熱情倡導者。他運用化學與物理學解決了各種與化學鍵本質有關的難題,發展出一套獨一無二的、可以用來研究蛋白質、氨基酸及DNA的模型架構技術。本書即記述了他的工作與生活。
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