莱纳斯·卡尔·鲍林

美国著名化学家,量子化学和结构生物学的先驱者之一莱纳斯·卡尔·鲍林[Linus Carl Pauling]
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美国著名化学家,量子化学和结构生物学的先驱者之一莱纳斯·卡尔·鲍林[Linus Carl Pauling]
出生日期:
1901年2月28日
去世日期:
1994年8月19日
编撰用户:
赵马非马
最近更新:
2020-02-04
人物热度:
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人物介绍

莱纳斯·卡尔·鲍林(Linus Carl Pauling,1901年2月28日-1994年8月19日),美国著名化学家,量子化学和结构生物学的先驱者之一。1954年因在化学键方面的工作取得诺贝尔化学奖,1962年因反对核弹在地面测试的行动获得诺贝尔和平奖,成为获得不同诺贝尔奖项的两人之一。

概要

鲍林自1930年代开始致力于化学键的研究,1931年2月发表价键理论,此后陆续发表相关论文,1939年出版了在化学史上有划时代意义的《化学键的本质》一书。这部书彻底改变了人们对化学键的认识,将其从直观的、臆想的概念升华为定量的和理性的高度,在该书出版后不到30年内,共被引用超过16000次,至今仍有许多高水平学术论文引用该书观点。由于鲍林在化学键本质以及复杂化合物物质结构阐释方面杰出的贡献,他赢得了1954年诺贝尔化学奖。鲍林对化学键本质的研究,引申出了广泛使用的杂化轨道概念。杂化轨道理论认为,在形成化学键的过程中,原子轨道自身回重新组合,形成杂化轨道,以获得最佳的成键效果。根据杂化轨道理论,饱和碳原子的四个价层电子轨道,即一个2S轨道和三个2p轨道喙线性组合成四个完全对等的sp3杂化轨道,量子力学计算显示这四个杂化轨道在空间上形成正四面体,从而成功的解释了甲烷的正四面体结构。

鲍林在研究化学键键能的过程中发现,对于同核双原子分子,化学键的键能会随着原子序数的变化而发生变化,为了半定量或定性描述各种化学键的键能以及其变化趋势,鲍林于1932年首先提出了用以描述原子核对电子吸引能力的电负性概念,并且提出了定量衡量原子电负性的计算公式。电负性这一概念简单、直观、物理意义明确并且不失准确性,至今仍获得广泛应用,是描述元素化学性质的重要指标之一。

鲍林提出的共振论是20世纪最受争议的化学理论之一。也是有机化学结构基本理论之一。为了求解复杂分子体系化学键的薛定谔方程,鲍林使用了变分法。在原子核位置不变的前提下,提出体系所有可能的化学键结构,写出每个结构所对应的波函数,将体系真实的波函数表示为所有可能结构波函数的线性组合,经过变分法处理后,得到体系总能量最低的波函数形式。这样,体系的化学键结构就表示成为若干种不同结构的杂化体,为了形象地解释这种计算结果的物理意义,鲍林提出共振论,即体系的真实电子状态是介于这些可能状态之间的一种状态,分子是在不同化学键结构之间共振的。鲍林将共振论用于对苯分子结构的解释获得成功,使得共振论成为有机化学结构基本理论之一。1950年代,苏联和中国等共产主义国家出于意识形态的考虑,对共振论、现代遗传学等科学理论展开政治批判,共振论被作为唯心主义的典型加以批判。由于这场政治运动的影响,在共产主义国家量子化学的传播和发展几乎陷入停顿。1980年代以后,这些国家的学术界逐渐破除了政治因素对科学的束缚,重新审视和接受共振论的思想。在量子化学领域,随着分子轨道理论的出现和发展,鲍林的化学键理论由于在数学处理上的繁琐和复杂而逐渐处于下风,共振论方法作为一种相对粗糙的近似处理也较少使用了,但是在有机化学领域,共振论仍是解释物质结构,尤其是共轭体系电子结构的有力工具。

1930年代中期,随着加州理工学院加强其再在生物学领域的发展,鲍林得以接触一批生物学大师,期间鲍林对他原本没有兴趣的生物大分子结构研究产生了兴趣。鲍林在生物大分子领域最初的工作是对血红蛋白结构的确定,并且通过实验首先证实,在得氧和失氧状态下,血红蛋白的结构是不同的,为了进一步精确测定蛋白质结构,鲍林首先想到他早期从事的x-射线衍射晶体结构测试的方法,他将这种方法引入到蛋白质结构测定中来,并且推导了经衍射图谱计算蛋白质中重原子坐标的公式。至今通过蛋白质结晶,进行x-射线衍射实验仍然是测定蛋白质三级结构的主要方法,人类已知结构的绝大部分蛋白质都是经由这种方法测定获得的。结合血红蛋白的晶体衍射图谱,鲍林提出蛋白质中的肽链在空间中是呈螺旋形排列的,这就是最早的α 螺旋结构模型,有科学史学者认为沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构模型就是受到了鲍林的影响,而鲍林之所以没有提出双螺旋,是因为他在1950年代受到美国麦卡锡主义的影响,错过了一次在英国举行的学术会议,没有能够看到一幅重要的DNA晶体衍射图谱。1951年鲍林结合他在血红蛋白进行的实验研究,以及对肽链和肽平面化学结构的理论研究,提出了α螺旋和β折叠是蛋白质二级结构的基本构建单元的理论。这一理论成为20世纪生物化学若干基本理论之一,影响深远。此外,鲍林还提出了酶催化反应的机理、抗原与抗体结构互补性原理以及DNA复制过程中的互补性原理,这些理论在20世纪的生物化学和医学领域都扮演了非常重要的角色。

1994年8月19日,美国著名学者莱纳斯·鲍林以93岁高龄在他加利福尼亚州的家中逝世。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、居里夫人及爱因斯坦齐名。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”。

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