化學鍵的本質

**萊納斯・卡爾・鮑林**（英語：Linus Carl Pauling；1901 年 2 月 28 日 —1994 年 8 月 19 日）是美國化學家，量子化學和結構生物學的先鋒之一。1954 年因在化學鍵方面的工作取得諾貝爾化學獎，1963 年因反對核彈在地面測試的行動獲得 1962 年度的諾貝爾和平獎。
由於在 1962 年的決選過程中，挪威諾貝爾委員會認為當年的提名者均不符合阿爾弗雷德・諾貝爾遺囑中所概述的標準。根據諾貝爾基金會的章程，在這種情況下，可以將諾貝爾獎保留到第二年，然後再應用該章程。 因此，一年後的 1963 年，萊納斯・鮑林獲得 1962 年諾貝爾和平獎，成為獲得不同諾貝爾獎項的兩人之一（另一人為瑪麗・居禮）；也是唯一的一位每次都是獨立地獲得諾貝爾獎的獲獎人。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。

## 生平

鮑林於 1901 年 2 月 28 日在美國俄勒岡州波特蘭市一個貧苦家庭出生，鮑林的父親是一位藥劑師，母親則患有嚴重的抑鬱症。幼年的鮑林對父親的工作非常感興趣，常觀察父親配製藥物，直到鮑林的父親於 1910 年病故，人們認為這一時期父親潛移默化的影響奠定勒鮑林日後走上化學科學研究道路的基礎。

1914 年鮑林進入波特蘭的華盛頓高中，高中的求學過程對鮑林影響深遠，受到好友的啟發，鮑林開始對化學產生濃厚的興趣。1917 年家境貧寒的鮑林進入俄勒岡農學院（今俄勒岡州立大學）攻讀化學工程專業，1922 年他獲得學士學位。大學畢業後鮑林申請了加州理工學院的研究生，洽逢美國物理化學學者諾伊斯（Arthur Noyes）剛剛從麻省理工學院來到加州理工學院，鮑林加入了諾伊斯的研究團隊，從事 X - 射線繞射法晶體結構的研究。在加州理工學院，鮑林接觸到了熱力學、統計力學、動力學、量子力學等物理化學和物理學的基礎理論。1925 年鮑林以最優等成績獲得物理化學和數學物理博士學位，畢業後的鮑林前往歐洲留學，當時的歐洲是量子理論發展的中心，鮑林在那裡接觸到了當時物理學界和物理化學界的頂尖人物。1927 年，鮑林返回美國，哈佛大學和加州理工學院爭相聘請他擔任教職，哈佛大學甚至同意依照鮑林的意思建立一個量子化學系，而在那個時代，量子化學還是世人聞所未聞的概念。但是鮑林最終選擇了加州理工學院，他在加州理工開設的第一門課程是「波動力學及其在化學上的應用」後來他將這門課的講義整理成文，於 1935 年出版了《量子力學導論 —— 及其在化學中的應用》這是歷史上第一本以化學家為讀者的量子力學教科書。鮑林在加州理工學院一直工作到 1963 年，其間獲得了 1954 年諾貝爾化學獎。1963 年－1967 年鮑林供職於加州聖巴巴拉民主學院研究中心 1967 年－1969 年任職於加州大學聖地牙哥分校化學系，1969 年－1973 年任職於史丹福大學，1973 年之後，任職於以他名字命名的鮑林科學和醫學研究所直到 1994 年逝世。

## 學術貢獻

### 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、臆想的概念昇華為定量的和理性的層次，在該書出版後不到 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，原子軌域本身會重新組合，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域，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。如今電負性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丁格方程式，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，經過變分法處理後，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 - 射線繞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，並且推導了經繞射圖譜計算蛋白質中重原子座標的公式。至今通過蛋白質結晶，進行 X - 射線繞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繞射圖譜，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 晶體繞射圖譜。

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。

## 社會理念與政治經歷

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，1950 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（Senate Investigating Committee on Education）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（Royal Society of London）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 4 月 28 日，也因政治打壓無法取得護照而作罷。一般相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，早一步提出正確的 DNA 分子結構。另一看法為他本人過度的自信，對當時的競爭對手缺乏關注，消耗過多精力於政治事務上才是錯失 DNA 發現機會的主要原因。X 晶體繞射照片實際上影響極有限。

## 醫學主張

鮑林提倡使用高劑量的維生素 C 治療感冒。

「這還要從 1970 年前後說起，鮑林在獲得了諾貝爾化學獎以及和平獎之後，並沒有停下自己的腳步，而是開始探索醫學領域。根據自己多年的研究，鮑林在 1970 年推出了自己的新作《維生素 C 與普通感冒》。」

## 傳記

* 大衛・牛頓 (David E. Newton). _Linus Pauling: Scientist and Advocate_ [林納・鮑林：諾貝爾化學獎、和平獎雙料得主]. 現代科學的創造者 (Makers of Modern Science). 林琳 (譯), 蔡俊逸 (審訂), 彭尊聖 (企劃，責任編輯), 李鍾桂 (發行人) 第 1 版。台北市重慶南路一段六六之一號三樓: Facts on File (原出版社), 幼獅文化事業公司. 1995 年 [1994 年]. ISBN 957-530-743-7 （中文（臺灣））.
* 馬克斯・德爾布呂克的學生，費雪所著《在費曼之前：二十世紀的科學簡史》一書，包含二十世紀，愛因斯坦等十三位重要科學家的小傳。其中有德爾布呂克、萊納斯・鮑林等人。

## 參考資料

## 外部連結

* 鮑林的其中 46 本研究筆記本