材料人网 首页 资讯 科技 查看内容

科学往事丨鲍林:两获诺奖的20世纪最受尊敬和最受嘲弄的全能科学家

2016-2-1 23:30| 发布者: 材料人网小编001| 查看: 3399| 评论: 12|来自: 材料人网
摘要: 科学往事丨鲍林:两获诺奖的20世纪最受尊敬和最受嘲弄的全能科学家欢迎关注材料人读书小组的“科学往事”栏目,从今起,我们将每周更新一期材料相关科学家的故事,以学习的姿态,收集整理尽可能多的科学家生平及学术 ...

欢迎关注材料人读书小组的“科学往事”栏目,从今起,我们将每周更新一期材料相关科学家的故事,以学习的姿态,收集整理尽可能多的科学家生平及学术故事,以飨读者。


一句话介绍:现代化学奠基人之一,美国著名化学家莱纳斯·鲍林,把量子力学运用于分子结构和化学键特性研究,对分子生物学和生物化学也做出了划时代的意义,是目前唯一一位两次单独获得诺贝尔奖奖金的科学家,一次是1954年化学奖,一次是1962年和平奖。


药剂师家庭培养出的化学家天才


莱纳斯·鲍林,1901年2月28日生于美国俄勒冈州波特兰市,父亲是一位药剂师,父亲对化学药品的使用和对小鲍林的教导,潜移默化的影响了他。11岁时,去同学家做客,同学为他演示课一个实验:把氯酸钾和糖混合,然后加入几滴浓硫酸,会产生蒸汽和碳,并且作用极其强烈。这个画面给鲍林留下了深刻的印象,他后来回忆到“它使我意识到我们周围的世界还有另一种变化存在”。


随后鲍林得到一位实验室仪器保管员的帮助,开始接触实验器材和药品,具备了简单地化学知识。1917年,鲍林考取俄勒冈农学院化学工程系,中途因为家境困难一度辍学,回到学校后担任定量分析教师助手、代课,并通过接触化学书籍和杂志,深入专研刘易斯和郎格缪尔发表的关于分子的电子结构论文。1922年毕业,获得工程理学学位。


 

进名校,遇名师,崭露头角


1922年,鲍林进入加工理工学院,师从A.A.诺伊斯教授(当时物理化学和分析化学权威,非常鼓励学生热爱化学,我国著名化学家、已故清华大学副校长张子高就是他培养出来的学生)。诺伊斯教授立即发现了才华横溢的鲍林,很快将他推荐给从事X射线晶体结构研究的著名化学家罗斯科·迪金森,迪金森教授治学严谨,非常讨厌粗心和浅薄,对鲍林严格要求,一丝不苟。鲍林在迪金森的指导下完成了MoS2晶体的全测定工作,期间受到了严格的技术训练和全面的基础培养。


后来鲍林又得到物理化学和数学物理学教授托尔曼的指导,托尔曼教授学识渊博,对物理学新进展有透彻的了解,他相信可以应用物理学知识解决复杂的化学问题。这段学习经历使鲍林克服了数学和物理学的不足,为以后运用量子力学新成就解决复杂化学问题提供了重要条件。


1925年,鲍林以优异的成绩获得加州理工学院化学哲学博士


赴欧深造,受量子力学名师指点


20世纪第一个年头,普朗克提出了革命性的量子假说。很快,爱因斯坦运用量子论成功解释了光电效应,波尔在1913年把量子论运用于解释原子结构,提出了著名的波尔原子模型,在此期间,布拉格父子成功利用X射线研究晶体结构。到了20年代,L.德布罗意提出波粒二象性,海森堡和薛定谔分别用不同数学形式表达微观粒子运动,创立了新的量子力学。这些突破为利用量子理论和量子力学攻破复杂化学结构问题大门提供了条件。


1925年,鲍林写信给波尔,没得到回复,接着写信给索末非,很快得到回复。1926年2月,鲍林去欧洲,在那里度过紧张而愉快的一年,索末非出色的演讲为他展示了更为宽广的道路。随后鲍林又到波尔实验室工作了几个月。接着,又到瑞士苏黎世,随薛定谔和P.德拜做研究工作,开始研究量子力学解决化学问题的可能性。


1927年,返回帕萨迪那,担任化学助理教授,1930年夏,再度到欧洲,在布拉格实验室学习X射线技术,随后到慕尼黑学习电子衍射技术,使他日后在蛋白质研究中做出卓越贡献。


厚积薄发,贡献斐然


成就:鲍林对化学键本质的研究以及把他们应用于复杂物质结构的研究而获得1954年诺贝尔化学奖。


19世纪关于物质的组成所提出经典结构理论,只定性的解释了化学现象和经验事实。到了20世纪30年代初期,关于化学键的新理论被提出来,其中之一就是价键理论。


价键理论是在氢分子成键的基础上建立起来的。这个理论认为,原子在未化合前有未成对的电子,这些未成对电子,如果自旋是反平行的,则可两两结合成电子对,这时原子轨道重叠交错,就生成一个共价键;一个电子与另一个电子配对以后,就不能与第三个电子配对;原子轨道的重叠愈多,则形成的共价键就愈稳定。这种价键理论解决了基态分子的饱和问题,但对有些实验试试却不能解释。例如,CH4中,C原子基态的电子结构有两个未成对的电子,按照价键理论只能生成两个共价键,但实验结果表明CH4却是正四面体结构。


为了解释CH4的正四面体结构,说明碳原子四个键的等价问题,鲍林提出了杂化轨道理论。从电子具有波动性,波可以叠加的观点出发,认为碳原子和周围的杂化轨道成键时,用的不是原来纯粹的S轨道或者P轨道,而是S轨道和P轨道经过叠加混杂而得到的“杂化轨道”。根据他的杂化轨道理论,能很好的解释CH4中碳四面体结构的事实,同时还满意的解释了其他事实,包括解释络离子的结构。鲍林提出的杂化轨道理论对化学的发展起到了重要作用。


鲍林在30年代所提出的共振理论在现代分子结构理论发展中曾起到重要作用,在化学界有着重要的地位。价键理论对于用一个价键结构式来表示的分子是很合适的,但对于用于一个结构式不能表示其物理化学性质的某些分子时,价键理论就不行了,例如共轭分子,像苯分子。若用经典的凯库勒(Kekule)结构式表示就出现了困难,按照凯库勒结构式,苯环中应有3个双键,应该可以起典型的双键加成作用,但实际却起取代作用,说明苯环中并不存在典型的双键,它具有“额外”的稳定性。为了解释价键理论与上述实验室是不相符的困难,鲍林用了海森堡在研究氦原子(最简单的多电子原子)问题时对量子力学交换积分所作的共振解释,用了W.海特勒和F.伦敦在研究氢分子(最简单的多电子分子)问题时从单电子函数线性变分法所得到的近似解法,用电子在键联原子核间的交换(即“电子共振”),来阐明电子在化学键生成过程中的具体成键作用,利用键在若干键结构之间的共振来解释共轭和新结构类型,如苯分子是共振于五个价键结构之间。


鲍林认为苯分子的真是基态不能用五个结构的任何一个表示,但却可以用这些结构的组合来表示。这一理论解释了苯分子的稳定性,与实验事实相符的很好。


鲍林的共振理论,在认识分子和晶体结构和性质以及化学键的本质方面,曾起到过相当重要的作用。由于它直观易懂,一目了然,在化学教学中易被人们所接受,所以受到化学工作者的欢迎。在三四十年代它在化学中居于统治地位,至今仍在化学教材中使用,共振论把原有的价键理论向前推进了一步。


共振论出现在化学从经典结构理论向现代结构理论研究转变的使其,具有把二者融合在一起的特点,虽然它从未揭示化学键的本质,但却是化学结构理论在一定历史发展阶段中提出的一种学术观点和理论。


鲍林除了上述成就以外,还独创性的提出了原子参数、键参数概念,如共价半径、金属半径、电负性标度、离子性等。这些概念应用不仅对于化学,而且对固体物理等领域也有重要作用。他还在1932年预言了惰性气体可以与其他元素化合成新的化合物。这一预言在当时是非常大胆、非常出色的。因为根据波尔等人的原子模型,惰性气体原子最外层电子恰好被八个电子所填满,已形成稳固的电子壳层,不能再与其他元素化合。然而,鲍林根据量子力学理论指出,较重的惰性气体可能会与那些特别容易接受电子的元素形成化合物。这一预言到1962年加拿大化学家N.柏特勒制成第一个惰性元素化合物六氟化氙铂而被证实。


鲍林并没有在这些杰出成就前停步,而是运用自己有关物质结构的丰富知识进一步研究分子生物学,特别是蛋白质分子结构。40年代,他对包含在免疫反应中的蛋白质感兴趣,从而发展了抗体-抗原反应中的分子互补概念。1951年起,他与美国化学家R.B.柯里合作研究氨基酸与多肽链。他们发现,在多肽链分子内可能形成两种螺旋体,一种是α-螺旋体(已在晶体衍射图上得到证实,为蛋白质的空间构象打下了理论基础),一种是γ-螺旋体,纠正了前人按螺旋轴次为简单正数而提出的螺旋体模型。鲍林进一步揭示了螺旋是靠氢键连接而保持其形状的,也就是长长的肽链的缠绕是由于氨基酸长链中某些氢原子形成氢键的结果。

 

1953年1月,当鲍林提出α-螺旋体结构后不久,英国生物学杰克里克从与他同一办公室工作的鲍林儿子那里得知,鲍林在美国加州理工学院也在建立DNA分子结构模型,所得的结果与他和沃森第一次建立起来的错误模型相似。他们在接受了鲍林和自己错误模型教训的基础上,加以改正,提出了新的DNA模型。这就是沃森-克里克DNA双螺旋模型,以后为实验所证实,并荣获了1962年诺贝尔生物学和医学奖。


1954年鲍林开始转向大脑的结构与功能研究,第一次提出“分子病”概念,指出“镰刀型细胞贫血症”是一种分子病,包括了由基因突变决定的血红蛋白分子的变态。鲍林这些重要工作,在科学上开辟了一个全新的领域——对分子水平疾病的研究。他在自然科学领域内,兴趣非常广泛,还从事古生物遗传学的研究,以揭示生命起源的秘密,1965年还提出一个原子核模型。


反对核战争,为和平奔走


鲍林曾指出“科学与和平是有联系的,世界已经被科学家的发明大大改变了,特别是最近一个世纪”“现在人类所有的愚蠢举动中,最大的蠢事就是年复一年的在战争和军事上浪费掉了世界财富的十分之一。成功解决这一问题,人类会得到最大利益”


1945年,第一颗原子弹在日本上空爆炸,核武器不断被制造出来。许多科学家预感到人类智慧的结晶——科学技术发明可能给人类带来毁灭性的结果。鲍林致力于和平运动,从事于战争与和平问题的研究,为此遭受了许多威胁和打击。


1952年,美国的麦卡锡主义曾对鲍林进行审查。怀疑他是亲共分子,禁止他出国旅行,访问和讲学。直到鲍林获得诺贝尔奖后,美国政府才不能不取消不准鲍林出国的禁令。


1955年,鲍林和世界著名的科学家爱因斯坦,罗素,约里奥·居里,波尔签署了一个呼吁科学家应该来集会评价发展毁灭性武器所带来的危险宣言。在这个宣言影响下成立了“普格华许——科学家与国际事务会议”组织,从事宣传反对战争、主张科学为和平服务的活动。


1957年5月15日,鲍林起草了《科学家及对核试验宣言》,这个宣言在两个星期内,就有2000多个美国科学家签了名,在短短几个月内,就有49个国家的11,000多名科学家签名。


1958年,鲍林把这个宣言提交给当时的联合国秘书长哈马舍尔德,向联合国请愿。同年,他写下了《不要再有战争》一书,书中简明的解答了核能和放射性的基础知识,并提出和回答了我们这个时代最迫切和危险最大的问题,计算了核武器对人类的严重威胁。


1959年鲍林与罗素等人在美国创办《一人少数》月刊,宣传和平。同年8月,他参加日本广岛举行的第五届禁止原子弹氢弹大会。


1962年,因反对核弹在地面测试行动获得诺贝尔和平奖金,次年以《科学与和平》为题在奥斯陆大学发表领奖演说。


从未在荣誉前止步


鲍林发表过400余篇科学论文,和大约100篇关于社会和政治,特别是关于和平问题的文章,还出版了十几本科学专著。培养了许多杰出化学家,我国中科院前院长卢嘉锡教授曾随鲍林工作过,我国还有几位著名化学家也曾是他的学生。


除了两次获得诺贝尔奖以外,他还多次获得化学奖。1975年他获得福特总统授予的1974年度国家科学奖章;1978年苏联科学院主席团授予他1977年洛蒙诺索夫金质奖章;1979年4月,接受美国国家科学院的化学奖。有30个大学授予他荣誉博士学位,曾任1949年美国化学学会主席,1951到1954年任美国哲学学会副主席。还是伦敦皇家学会外国会员,法国科学院外国院士,是挪威、苏联、印度、意大利、比利时、波兰、南斯拉夫、罗马尼亚等许多国家科学院的荣誉院士。


在医学领域引发大论战——“20世纪最受尊敬和最受嘲弄的科学家之一”


鲍林是“化学家、物理学家、结晶学家、分子生物学家和医学研究者”,他不是医生,可他偏偏引发了医学领域一场旷日持久的大论战。


鲍林根据自己多年的研究,于1970年出版了《维生素C与普通感冒》一书。书中认为:每天服用1 000毫克或更多的维生素C可以预防感冒:维生素c可以抗病毒。这本书受到读者的赞誉,被评为当年的美国最佳科普图书。


可是,医学权威们激烈反对鲍林的论点。有的说:“没有任何证据能够支持维生素C可以防治感冒的观点。”有的说:“这对预防或减轻感冒没有什么用处。”权威部门也纷纷表态。例如,美国卫生基金会就告诫读者:“每天服用1000毫克以上维生素C能预防感冒的说法是证据不充分的。”美国医学协会也发表声明:“维生素C 不能预防或治疗感冒!”只有个别医学家及几百位普通病人用自身的经历支持鲍林。


鲍林身陷重围攻击他的人说他根本不是医生,没资格来谈论维生素C防治感冒的问题。还有人干脆把他讥讽为江湖医生。或说他用维生素C防治感冒是江湖游医式的宣传。尊重他的人则叹惜他晚年“不安分”,说他完全可以安享荣耀,可他非要闯入医学领域。而离开他自己的化学“主流”太远。


鲍林不管这些1979年他和卡梅伦博士合作出版了《癌症和维生素C》一书,建议每个癌症患者每天服用10克(1克等于1000毫克)或更多的维生素C,建议癌症患者“尽可能早地开始服用大剂量维生素c,以此作为常规治疗的辅助手段”他们说:“我们相信这种简单的方法将十分显著地改善癌症治疗的结果。”


但是医学权威们更不相信这种观点。鲍林先后8次向国家癌症研究所申请资助,以便通过动物实验做进一步研究,可这位世界知名科学家的每次申请都被否定他只能靠“许多人资助”来工作。即使如此权威机构和权威人士还是声明:维生素C对癌症没有价值。此时,仍然是一些病人用自己的实例来支持鲍林的观点。


1985年,鲍林又写了一本有关健康长寿的书。他在谈及“一种提高健康水平的摄生法”时,介绍了12项具体步骤,第一项就是:“每天服用维生素C6~18克,或更多一天也不要间断。”他认为。“这种摄生法的主要特点就是增补维生素”,他自己则是个多年的身体力行者。他说:“1985年我写这本书时。每天服用4片营养物质加上18克维生素C。”鲍林认为。不管你现在年龄多大,每天服用最佳量的维生素(逐步增加维生素C用量),都是有益的。他说:“从青年或中年时开始。适当地服用维生素和其他营养物质,进行一些健身运动,能使寿命延长25~35年。”“如果你已进入老年,服用适当的维生素并进行一些健身运动,可以期望使衰老进程减慢,延长寿命15年或20年。”他的超大剂量服用维生素C可以益寿的观点自然又一次被医学界所拒绝。


医学权威们与鲍林的最大争论焦点在于维生素C的用量。鲍林认为,“对大多数成人来说.维生素C的最佳摄入量是在2.3~10克的范围内。”如果需要,还可以增加到每天20克、30克或更多。鲍林认为,无论是对付病毒、癌症还是抗衰老。维生素C的用量都应大大高于当时的规定用量。所以严格说,剂量之争是双方的关键之争。


在鲍林去世之前,美国的权威机构——食品营养委员会对维生素C的推荐剂量是每天60毫克。有些营养学家认为只要30~40毫克就行了。可鲍林向人们建议的服用量是专家推荐剂量的几十倍到几百倍。这自然要遭到医学界人士的坚决反对了。美国健康基金会主席明确告诫人们:“所谓的大剂量维生素疗法必须避免。”医学界反对大量服用维生素C的重要理由是:这会使人得肾结石。但鲍林反驳说:尽管理论上有这种可能,可是在医学文献中没有一个肾结石病例是因大剂量服用维生素C而导致的。


在鲍林去世之前。双方始终是各执一词,互不相让。


不知是有意还是无意,直到鲍林逝世以后。我们才初步看到了关于维生素C剂量和作用方面的一点变化:


1995年2月,美国心脏学会和部分营养学家向美国国家食品与药品管理机构建议:将维生素C的每日推荐量由60毫克提高到250~1000毫克。


1996年4月,美国国立卫生研究院的科学家声称:一个人每天摄入200毫克维生素C是最理想的,而不是60毫克。


1996年《纽约时报》报道的一则调查称。有30%~40%的美国人在服用维生素C,其中1/5的人每天服用量超过1克。


1997年10月,《美国临床营养杂志》报道,研究人员对247名年龄在56~72岁的妇女进行了调查,其中有11%的人每天补充维生素C超过10年,这些服用者没有一人得白内障。研究人员认为,长期补充维生素C,可使白内障的危险减少77%以上——而鲍林早在1985年前就这样论述了,然而,医学界原先不相信。


2000年美国药物研究所食品和营养委员会的评估认为:成人每天服用不超过2 000毫克维生素C是安全的。


有报告称,据对14例临床实验证明,每天口服10克维生素C且连续3年,未发现1例肾结石。现在。多数医学界人士相信。维生素C确有一定的防治感冒的作用。研究发现。每天摄入300~400毫克维生素C的男性,要比日摄入量60毫克及不足60毫克的人多活6年。


如今,许多专家承认:维生素C有抗癌作用,能预防多种疾病,包括老年痴呆症。有报道说。对18例晚期癌症患者,每天1次给予维生素C10~20克静脉滴注。结果14例全身骨关节痛患者治疗1周后有7例明显缓解。


关于维生素C作用与剂量的这场大论战。鉴于美国的影响力和双方的知名度,一开始就越过了国境,波及到全球。各国的医学界人士起初差不多也都站到了美国同行那边。遥想当年。鲍林几乎是“孤军作战”地与众多医学权威机构和权威人士论争,他为此而受到的嘲弄和轻蔑是一位著名学者,也是一般人难以忍受的。可鲍林在长长的20多年时间里,义无反顾地奋起捍卫自己的观点,这种勇气和探索精神令人深深敬仰。


时至今日,美国和世界各国的许多专家学者已经承认或接近承认鲍林的观点了,然而论争仍远远没有结束,例如,有些人认为维生素C能抗癌,有些人却认为它能致癌。总之,维生素C的作用与剂量问题仍需继续研究。


诚然,鲍林的某些观点是否有失偏颇,尚待实践进一步检验。即使有朝一日证明他的论点不够完美,他的探求精神依旧值得人们学习。毕竟探索永无止境,毕竟科学未到尽头,我们没有理由因循守旧。从这个角度看,鲍林的其他观点也是值得人们深思的。他说:“医生在行医时应当慎重是对的,但是,如果医学要进步,行医这行业也需要接受新思想。”“医生的意见不是一贯正确的,虽说其用心善良,患者要自己做出决定。”

 

鲍林是惟一一位先后两次单独获得诺贝尔奖的科学家。曾被英国《新科学家》周刊评为人类有史以来20位最杰出的科学家之一,与牛顿居里夫人爱因斯坦齐名。然而,路透社在报道鲍林逝世的消息时却说,他是“20世纪最受尊敬和最受嘲弄的科学家之一”


今天向大家推荐的书是《科学精英-求届斯芬克斯之谜的人们》,本文主要信息也是来自此书,部分图文来自人民网、百度百科等,欢迎关注材料人读书小组(QQ群: 491560352),欢迎爱读书爱学习的你加入,我们一起把最美好的材料故事将给世界听。

10

鲜花

握手

雷人

路过

鸡蛋

刚表态过的朋友 (10 人)

联系我们

企业新闻

返回顶部