新疆域
                          FRONTIERS

[美]艾萨克·阿西莫夫  著
上海科技教育出版社 1999.12

扫描，校对：异调


基础科学新疆域(FRONTIERS OF SCIENCE)，朱宝如  译

                          梦想成真

    1865年，一位化学家在睡梦中解决了一个问题。而在将近125年之
后的今天，科学家用最直接的方法最终进行了验证，结果表明梦中的
答案是正确的。

    事情是这样的。1860年初，化学家们正在研究原子相互化合形成
分子的方式。他们使用的方法是根据原子之间的联系去解释分子的性
质。根据有关各种原子相互连结的方式的一些简单规则提出的模型，
看起来好像是装配式玩具，但还是澄清了大量的化学观测现象。

    当时在研究中处于领先地位的是一位名叫弗里德里希·A·凯库勒
（Friedrich A. Kekule）的德国化学家，但他还是被一个重要问题难
倒了。这一问题看来用装配式玩具模型是解决不了的。

    这一问题涉及到一种名叫苯的化合物。凯库勒知道，一个苯分子
是由六个碳原子和六个氢原子组成的，但是好像没有办法能使这些原
子合适地组合在一起。不管如何把它们安排在一起，结果总是形成一
种活性很强的分子，也就是说它们应该很容易与其他原子和分子化合。
然而遗憾的是，实际中的苯并非这样。它是一种十分稳定的化合物，
要想让它与其他原子和分子化合，是相当困难的。

    只要这一矛盾还存在，整个装配式玩具模型就会令人置疑，而化
学家并不乐于去寻找一种新的模型。

    凯库勒花费了多年时间研究这一问题。他用各种能够想得到的方
式来安排碳与氢原子，但还是找不到一个满意的模型。然而在意想不
到的情况下，答案却不期而至。当时他正乘坐一辆马车沿着比利时根
特市的大街，朝着他正在执教的大学缓缓行进。这时他已很疲倦了，
当然还在想着关于苯的问题，这使他绞尽了脑汁。

    他打了个瞌睡，甚至在堕入梦乡时，有关苯的问题仍然萦绕在他
的脑海中。他梦见了碳原子链，当它们与氢原子粘连时，发生了这样
或那样的扭曲。在梦中，一条原子链突然弯曲，以至头尾相连，形成
一个碳原子的微小六角形，并不断旋转。

    他一下子惊醒了，意识到他找到了答案。当时每个人都一直想当
然地认为六个碳原子形成一条直线，上面粘连着氢原子。那么，如果
六个碳原子构成一个环的话，情况会是怎样呢？

    回到实验室后，他把一个苯分子构想成由六个碳原子组成的一个
环，每个碳原子上都粘附有一个氢原子。这样的一种安排十分对称，
因而应该使得苯分子相当稳定。他还构想了其他原子粘附在这个环上
的方式，并且发现所作的预言与苯分子的实际表现十分吻合。例如，
两个氯原子能够替代两个氢原子的方式恰好只有三种，模型与实际都
是如此。

    从此以后，六碳环就被大家接受了。

    单就环状结构而言，固然还不能充分解释稳定性，不过到20世纪
初，科学家发现原子是由微小的核以及围绕着它的一些很轻的电子构
成的。原子之间的化学键正是由这些相互作用着的电子形成的。1939
年，莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）证明，在类似苯分子这样的情况
下，电子之间的相互作用形成了一种十分稳定的状态。

    虽然从凯库勒时代以后所发现的有关苯的每一个化学特征都支持
了有关苯分子结构的假设，即它是由碳原子构成的一个环，形状像一
个微小的六角形；但是所有证明都是间接的。

    1981年，IBM公司发明了一种叫“扫描隧道电子显微镜”的仪器。
它包含有一根极细的钨针，能在真空中发射电子。这些电子从物质表
面上弹起来。根据电子的反射情况，计算机能够计算出反射面的形状。
既然表面可以被如此精细地展现出来，那么原子本身就能够被观察到。

    在固态苯的表面上使电子弹跳，这是十分有意思的，然而要做到
这一点，还需要某种能导电的物质，而苯不具有导电性。另外，即便
在固态下，苯分子也运动得过快，这会使图象变得过于模糊而看不清
楚。

    苯与一氧化碳结合后，便可保持稳定，然后将其全部束缚在导电
的铑金属上。终于，科学家在1988年得到了所要的图象。它表明碳环
的形状的确呈六角形。科学家最终看到了凯库勒的梦。这个梦完全正
确。