作者：周天泽
出版社：河北科学技术出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
神奇的分子结构试读：
前言
21世纪开头这两年真是多事，先是2001年的美国“9·11事件”，然后是刚刚过去的2002年10月的俄罗斯人质事件，着实叫全世界吓了一大跳。在俄罗斯人质事件中，特种部队使用一种催眠气体以麻痹恐怖分子，使歹徒很快就失去抵抗力，成功地救出了大部分人质。纽约世贸中心大楼的坍塌，则使人怀念起半个世纪前帝国大厦遇撞时的复合材料分子创造的奇迹。
继19世纪末伟大的科学家诺贝尔研发了威猛无比的炸药分子，开创了人类战胜自然、利用自然的新局面以后，20世纪科学英才辈出。卡洛泽斯从羊毛的优良制装性能中受到启发，模拟它的分子结构，发明了耐磨能力超过羊毛20倍的合成纤维尼龙66，编织了衣料的五彩梦，实现了分子“改性”的新境界；性爱的秘密自古就受到人们的关注，被称为绝对隐私，布特南德从成吨的尿中分离出毫克级，即亿分之几的性激素和许多昆虫的信息素，揭示了这一大功能化学分子的奥秘；截至2002年10月，国际象棋人机大战打成平手，机器智能的发展真叫人惊叹，这是硅器材料分子的卓越贡献；我国长征号火箭运载卫星入轨成功，为将来载人登月打下了坚实基础，当火箭像凤凰一样从火中喷发而出时，这应感谢烧蚀材料分子的异彩。正是由于人们不辞辛劳深入掌握了物质的性能与组成它的分子结构之间的关系，才完成了许多创造新物质的壮举，给学习自然、模拟自然、改善自然、保护自然的伟大事业以巨大推动，大大提高了人类文明的水准。
到2002年底，人类将得到3000多万种化合物，每种化合物就是一种新分子，其中必有许多闪光的“明星”，要利用它们关键在于揭示它们的神奇结构。而这方面正是科学研究的薄弱环节，有大量亟待开垦的新领域。十年树木，百年树人。学习科学前辈们在研究神奇的分子结构方面走过的光辉道路中创造的业绩、经验和方法，领会他们的光辉思想、风格和精神，一定会使你更富有智慧、力量和勇气。周天泽2002年11月于北京
一、分子的魅力
在一些高水平的国际空港里，人们常见可爱的獴在旅客的行李边钻来钻去，这是怎么回事呢？原来，它们是海关警察专门训练出来的“缉毒员”。獴的嗅觉特别好，行动比狗灵敏得多，当它嗅出哪只箱子里有毒品，就会尖叫着通知警察，罪犯就插翅难逃了。在电视片或作案现场，常会看到警犬在奔忙。在国际市场上一条普通警犬售价达4000美元，有的要上万美元。它能根据指令搜索、追捕罪犯，缉查毒品。现在又训练出了各类警鼠，它们个头小、动作灵活，在车站、码头行动更方便。公安部门在通道口装上鼠笼，如果旅客携带有炸药、汽油或海洛因等，只要空气中有一丝异味，警鼠就会立刻用骚动和狂叫来报警。
它们为什么会有这么大的本事呢？就是因为它们的鼻子特别灵敏。科学家们对狗鼻进行过专门研究，发现它能分辨200多万种物质的气味。
这是为什么呢？类似奇妙的事情真可叫人多少有些感到莫测高深。会看戏的看门道，不会看戏的看热闹。实际上，从遥远的古代起，人类就对类似的问题发生了兴趣，它以其特有的魅力吸引着人们的追求，有关它的研究就成为人类智慧之树上的朵朵鲜花。
物质本源探索
现实生活是智慧的源泉。《西游记》第24回有个人参果的故事，说这种果子“遇金而落，遇木而枯，遇水而化，遇火而焦，遇土而入”。金、木、水、火、土都有了，也就是从公元前700多年的春秋战国时代开始盛行的“五行”说，人们认为这几种物质是构成宇宙万物的五种最基本形态，因为它们是现实生活最常见的。那么，组成这些物质的构件是什么呢？人们从聚少成多、积土成山等生活经验中得到启发，认为组成物质的原始东西是那些小到不能再小的粒子。我国古代的《墨经》中记载：“端，体之无序而最前者也。”意思是说，物质分割到最后的东西，也就是事物的初始，物质的本源。《中庸》中也明确指出：“语小，天下莫能破焉。”意思是指，所谓小，就是不能再分割了。真是英雄所见略同。今天，我们再来倾听这些历史的回声，似乎感受到了这些远古思想家们的认真探索精神。
古代的西方人经历了与我们的祖先对世界认识相似的道路。2000多年前，古希腊有位名叫德谟克利特的哲学家提出了原子学说，他被誉为“古原子论”的奠基者。德谟克利特认为，原子是永恒的、不可改变的和不可毁坏的构成物质的最小微粒；原子不是单一的，构成物质的各种各样的原子在外形、大小等性质上不同。像水的原子是圆的，这才使水具有流动性，并且没有固定的形状；火的原子是多刺的，使人产生烧灼感；土的原子是毛糙的，它形成的物体很坚固……自然界物质的变化不过是原子的聚集、排列和分散罢了。也许是由于这个理论很有趣，所以德谟克利特有一个绰号，“会讲笑话的哲学家”。在我们今天看来，这些朴素的思想和朦胧的说法中，包含了元素、原子和分子等概念的萌芽，代表了人类文明的黎明时期对物质本源进行的英勇探索。“会讲笑话的哲学家”德谟克利特古代元素论示意图
道尔顿的历史贡献
到17世纪，由于航海、造船、纺织、冶金业的迅速发展，人们已不能满足关于微粒、原子和元素概念的空洞议论，迫切要求建立科学的物质本源理论。例如，为了提高燃烧的效率，不能光谈火与木的作用，而要弄清哪种燃料更有效、更耐烧；为了提高金属的强度，需要了解和比较不同金属的性质等。1650年法国科学家伽桑狄关于原子学说的论文，首创分子一词，澄清了原子和分子的模糊认识，他指出，原子是不可分的终极粒子；而分子是独立存在的物质的最小单位，它是可分的。随后，英国化学家波义耳起来支持这种观点，他在1661年发表的划时代著作《怀疑派化学家》中说：“宇宙中由普通物质组成的混合物体的最初产物实际上是可以分成大小不同而形状千变万化的微小粒子，这种想法并不荒谬。”他的同时代人，英国著名科学家牛顿全盘接受了这种思想，于1687年出版的著名的《自然哲学的数学原理》一书中进一步发展了物质结构的微粒说，特别是光的粒子论。波义耳和牛顿的工作对后来科学的分子-原子学说的建立有重大推动作用。科学的想法是科学的生命，基础理论每前进一步，都能给整个科学特别是技术的进步以巨大动力。但是伽桑狄、波义耳、牛顿的粒子学说要真正成为科学的基础，还有许多问题亟待解决。英国科学家波义耳
做出第一个重大努力的是波义耳，他对古希腊尤其是亚里士多德以来的已成定型的传统观念提出质疑，首次在实验的基础上提出，“元素是指某种原始的和完全纯净的简单物质”，树立了科学的元素概念的第一个里程碑。他还明确指出，化学应当用实验方法和科学观察而不是用抽象的空谈和冥思苦想的臆测来建立自己的“理论”。这实在是一件大事，一石击起千重浪。波义耳的这种实证科学精神，给后世的科学家以重大的影响。18世纪的工业革命进程，特别是蒸气机、轮船的发明，促进了动力研究，呼唤着新的燃烧理论。法国化学家拉瓦锡的燃烧氧化学说，总结了波义耳后100年的科学进展，这标志着化学发展的新阶段。拉瓦锡在一篇论文中提出了“元素是用任何方法都不能分解的物质”的新概念，并列出了人类历史上第一张包括33种元素的化学元素表。在这些前人卓越工作的基础上，英国科学家道尔顿通过自己的实验，总结了当时已知的各种化学反应特别是气体反应间的关系，提出了科学的原子论，为揭示物质本源的科学的分子一原子学说的建立做出了历史性的贡献。
200多年前，道尔顿出生在苏格兰一个穷乡僻野的贫苦家庭，父亲是纺织匠，具有刻苦耐劳的品质，母亲出身于自由民家庭，有着刚毅和热忱的性格。道尔顿10岁起就为一富家当小工，由于聪明勤奋，很得主人的喜爱，并且热心地教他数学。他还被推荐做了乡村教师，就这样，道尔顿一边干活，一边刻苦自学。20岁时，就学完了许多大学课程并熟练地掌握了多种外国语。他还兼做气象预报员，从青年时期开始，道尔顿就对大气的研究产生了浓厚的兴趣，他常常是在业余时间背起自制的简陋仪器爬上山，在山上不同高度观测，收集气象资料。就这样，从21岁开始，他坚持每天记录，直至去世，持续57年之久，观测记录达2万多次。道尔顿把自己的成就谦虚地归结为“不屈不挠”，这是从母亲那里继承的优秀品质。他认为自己并不才华横溢，但有伟大的独立精神，这使他能把自己的卓绝心智用在看来烦琐的问题上，促使他进行创立原子学说所必须的实验和资料整理。经过20多年的努力，他终于取得了丰硕的成果。英国科学家道尔顿
1803年10月21日，在科学史上是一个值得纪念的日子，道尔顿在一次学术会议上首次提出了复杂原子（也就是后来的分子）的新概念和第一张相对原子质量表。随后在1808年他发表了《化学哲学新系统》一书，系统地阐述他提出的新原子学说：元素的最终组成为原子，它在所有的变化中保持本性不变；每种元素以其原子的质量为基本特征，同种元素的原子质量及各种性质均相同；不同元素的原子以简单整数比相结合，形成复杂原子，其质量为所含的各种原子质量之和。道尔顿还通过实验确定了37种原子如氢、氧、氮和水、氨以及醇、糖等，醇和糖就是他所说的复杂原子。道尔顿的原子论不是哲学上的原子论，也就是说不是古代的那种哲学猜测，而是科学研究的结果，是可用实验重复验证的。
气体实验引出大难题
科学的发展史是最为宝贵的，它镜鉴人们以智慧、力量和勇气。前面提到原子学说经过2000多年的发展，到道尔顿终于建立了科学原子论，其弥足珍贵的是，除一般的原子理论外，他还贡献了“复杂原子”的新概念。好一个复杂原子！它不就是分子吗？我们的主角已经登上历史舞台了，虽然是“羞答答的，披头散发的，还没有正式名号”，人们还不易识别其真容，但它终于出场了。但要真正把分子的内涵揭示出来，更需要科学的敏感。遗憾的是道尔顿没能完成有关分子研究的历史任务。科学的接力棒传到稍后的一批杰出人物的手中，继续前进。
有意思的是，道尔顿在通过气体的实验提出原子论的同时，法国化学家盖·吕萨克也正在热情地研究各种气体物质反应时的体积变化。他对气体研究情有独钟，几乎达到痴迷的程度。1802年，24岁的盖·吕萨克发表了气体热膨胀定律，也就是关于温度对气体体积的关系定律，并计算了数十次的实测结果，得出各种气体的体积膨胀温度系数为0.00375。这个数据在以后的100多年经许多科学家无数次重复检验，与最终确定值0.00367的相差真是很小。由于气体实验特别难做，这个结果实在是科学史上的一曲极其美妙的数据实测之歌。盖·吕萨克的这个工作与他稍后获得的其他成果，对分子概念的确认都很有启发。法国科学家盖·吕萨克
盖·吕萨克曾两次自制氢气球进行高空探测，第二次他独自一人飞上海拔7016米的高空去采集空气样品，带回实验室分析。结果证实了氮、氧、二氧化碳和水蒸气是各地空气的共同组分，而且和地面的没有两样。盖·吕萨克的精彩工作是1808年12月31日发表的与德国化学家洪堡特共同完成的气体反应定律。原来在1803年，为了研究气体氢与氧化合成水的比例关系，他们重新验证了24年前著名的英国实验家卡文迪什做过的氢气与氧气化合生成水的实验。当用100体积的氧气，跟过量的氢气反应生成水蒸气时，所消耗的氢气是199.89体积；当所用的氧气过量时，也恰好是199.89体积氢气消耗100体积氧气。这个实验结果说明，化合成水的氢气与氧气的体积比约为2：1。一个优秀的科学家，为了得到可信的结果，总会不只一次进行重复测定。盖·吕萨克和洪堡特改变条件进行了12次测定，证实参加化合反应的氢气和氧气的体积比确实是2：1。1805年他们联名发表了这一成果。
不过，不要高兴得太早了，这仅仅是研究工作的开始。科学要求观察的全面性，这很像律师为了辩护尽可能充分地收集证据一样。盖·吕萨克想，是否其他气体化合时，它们的体积比也是简单的整数比呢？这不能靠空想，富有科学实证精神的科学家总是用实验事实来说话的。说干就干，又经过3年的努力工作，他们对氧气和一氧化碳、氢气和氯气、氨气和氯化氢等当时已知的多种气体参加的反应进行细致的研究，发现这些气体相化合的体积也都是呈简单的整数比。整数比，整数比，又是一串整数比。这是为什么呢？不错，科学要求研究者首先在积累事实上下工夫，没有事实就什么也没有。许多著名的伟人教导我们，事实是科学的空气，没有事实，你的理论的鸟儿永远也飞不起来。但盖·吕萨克知道，科学家不应该是事实的保管人，而应当分析事实、对比事实、研究事实，力图发现支配事实的奥秘。现在奥秘何在呢？
盖·吕萨克还注意到，前面只是从反应物着眼，是反应物的体积关系，再看看生成物的情况如何呢？他大吃一惊，有些气体化合反应的生成物的体积出乎意料：如2体积氢气与1体积氧气反应生成2体积水蒸气；1体积氢气与1体积氯气反应生成2体积氯化氢气。而按照惯常的设想，它们都应该是1体积才对。因为既然氢、氧两种气体化合成水的体积比是2：1，那么水中氢、氧两种原子的个数比也应是2：1。这样，根据盖·吕萨克新完成的气体反应定律，氢气、氧气和生成的水蒸气的体积比应为2：1：1，但实验结果却是2：1：1。氢气与氯气反应生成氯化氢气体的情况也与上相似：氢气与氯气的反应物体积比为1：1，说明氯化氢中氢、氯两种原子的个数比应为1：1，氢气、氯气和生成的氯化氢气体的体积比应为1：1：1，但实验结果却是1：1：2。即水蒸气和氯化氢气的体积都比预期的大1倍，这个矛盾如何解决呢？
被冷落了半个世纪的伟大发现
为了解决这个问题，盖·吕萨克当然想求助于道尔顿的原子论。他认为很可能是由于化合时气体的原子个数的整数比才导致化合时反应物气体体积以及反应物和生成物气体体积之间呈整数比，他殷切希望能得到当时负有盛名的大科学家道尔顿的指点和支持。如果盖·吕萨克的实验是正确的，而同体积气体中的原子数目相同的话，就意味着“水原子”和“氯化氢气体原子”都应当分成两半。但这是不可能的，因为原子不能再分是道尔顿原子论的基础，也是千百年来人们对原子认识的定论。许多科学家，特别是道尔顿怀疑盖·吕萨克的实验结果。当然，事实胜于雄辩，盖·吕萨克是一个优秀的实验家，他的结果是毫不含糊的，经得起一次又一次检验。
问题出在哪里呢？原来盖·吕萨克提出气体反应体积定律时，根据他多年对气体性质的研究，很快就想到，气体体积的大小必然跟气体中所包含的原子数目有关。他猜测，在相同温度、相同压力下，相同体积的气体应含有相同数目的原子。在科学中是允许猜想的，高明的猜想是科学家的敏感，而科学敏感是科学家的宝贵品格。但无论多么美好的聪明猜测，也需要经过实验的验证。因为只有实践才是检验真理的惟一标准。
当事者迷，旁观者清。当大名鼎鼎的道尔顿的原子论与准确无误的盖·吕萨克的实验事实之间争论得不可开交时，1811年意大利的法学博士、物理学家阿佛加德罗提出了一个很好的解决办法。这一年他用法文发表了一篇关于分子概念的重要论文，随后一直到1814年的3年间，他以“论物质的一般结构”为题连续发表了5篇论文。阿佛加德罗认为，盖·吕萨克的实验是不容否认的事实，而道尔顿坚持的某些纯净气体如氢气、氧气、氯气等必定由单个原子组成则根据欠缺，必须予以修正。怎么修正呢？阿佛加德罗指出，如果引入分子概念，并假定氢气、氧气、氯气等单质的分子都是由两个相同的原子组成的话，一切矛盾都迎刃而解了。
阿佛加德罗在自己的论文中清晰地阐述了他的观点：一切物质，无论是单质还是化合物，都是由分子组成的；分子则是由原子组成的；单质分子由相同原子组成，化合物分子则由不同的原子组成；原子是参加化学反应的最小微粒，分子则是物质独立存在的最小微粒。在引入分子概念后，阿佛加德罗还进一步修正了盖·吕萨克的假说，即在同温、同压下，相同体积的任何气体，都含有相同数目的分子（而不是原子）。这就是当时的阿佛加德罗假说，后来被证实的阿佛加德罗定律。这一定律不仅把道尔顿原子论与盖·吕萨克的气体反应定律统一起来，还成为日后利用气体密度测定相对分子质量的理论根据。下面就是他当年测出的几种气体的相对分子质量（括号中的是现代的数据）：氢气2.01（2.016），氧气32（标准，32.00），氮气28.02（28.02），氯气72.01（70.90），水蒸气18.016（18.016），二氧化碳44.28（44.01），氯化氢36.72（36.458）。你看，两者符合得多好，这简直是相对分子质量测定的史诗，谁能不为之赞叹呢！谁不会举双手欢呼阿佛加德罗的成功呢！意大利科学家阿佛加德罗
然而好事多磨，令人遗憾的是，这么一个极有价值，对物质结构理论作了重大发展，而且用当时和今天的观点来看，对道尔顿和盖·吕萨克两家都是双赢的理论，却受到了最不公正的待遇。它不但遭到盖·吕萨克的摒弃，也被道尔顿拒绝，在历史上竞被冷落了整整半个世纪。任何人犯错误都是叫人感到遗憾的，而一些伟人犯错误就更叫人倍加痛惜。道尔顿和盖·吕萨克所犯的错误，既是他们终生的遗憾，更是化学乃至科学界的不幸。
康尼查罗的拨乱反正
从道尔顿的原子论发表以来，到1860年的50年中，化学界发生了许多大事：英国化学家戴维在电解法制得一系列碱金属的基础上提出了电化学说，把物质的结构和电性联系起来；瑞典化学家贝采里乌斯用元素的拉丁名的起首字母代替道尔顿不方便的圆圈儿，统一了化学元素符号，他分析了2000个矿物，测定了近30种元素的相对原子质量，提出了影响很大的二元学说，他认为物质是由电正性和电负性两者结合而成。德国化学家孚勒从氰酸铵制得尿素，开创了有机化学研究的新阶段；在19世纪上半叶最著名的德国化学家李比希的努力下，有机化学有了很大进展；法国化学家杜马提出了类型论，指出各种不同的类型是物质结构的基础……这段时期，化学元素的发现捷报频传，很快达到60种；化学论文如雨后春笋，相互批评的匿名文章也常见于各种杂志。成就多，争论也多，莫衷一是。在这种背景下，1860年，也就是阿佛加德罗逝世后的第四年，在德国的卡尔斯鲁厄召开了一次有100多位世界知名的化学家参加的国际化学会议，目的在于澄清各种混乱，取得共识。瑞典科学家贝采里乌斯
问题在哪里呢？科学家们发现主要在化学式和相对原子质量的确定上。例如有人用OH来代表水，也有人用它来代表过氧化氢；有人用CH来表示乙烯，也有人用它来表示甲烷；甚至在1850～1860年的10年间，醋酸的化学式就出现了13种，而且各家都有各自的理由。相对原子质量的标准很不一致，有的用氢为1作标准，有的用氧为100作标准；就是同一标准，各家的数据也很不同，例如，磷分别有26.8、62.77、31.43三种相对原子质量，砷则有134.38、150.52、75.33等几种数据。在这种情况下，不少有名的化学家对相对原子质量的测定表示怀疑，对轰动一时的道尔顿的原子学说也缺乏信心。有的化学家把这50年称为化学史上的“混乱时代”。
这个“混乱”该如何澄清，由谁来拨乱反正呢？这是当时与会者最关心的问题。会上化学家们就化学式、相对原子质量等问题争论十分激烈，难于取得统一意见。会议最后无奈地决定，每位化学家继续用他爱用的化学式和原子论系统。在会议的角落坐着一位30岁出头的意大利化学家康尼查罗，他不急于参加争执，而是在认真思考，他竭力要找出各方分歧所在。康尼查罗虽然并不出名，但他已有很多成就：年轻时就钻研有机合成，提出了以他名字命名的制造香料的反应；在测定许多挥发性物质的相对分子质量方面，成果尤其丰富。他在自己的工作中认真研究了刚刚去世的同胞谦逊的阿佛加德罗的论文，并在两年前就写成了《化学哲学教程大纲》的小册子，认定当前科学界混乱的症结恰恰就是未能接受分子和相对分子质量等概念造成的。会后，他给每位与会者送了这个小册子请求指正。科学的道路的确是曲折的，但真理的声音总会传出来的。意大利科学家康尼查罗
康尼查罗的这篇论文，使50年前阿佛加德罗的分子假说重现了。他据理重申了阿佛加德罗关于原子和分子必须加以区别的论点；坚决纠正了道尔顿关于单质是由单个原子组成，及许多化学家头脑中的电化学二元论传统观念，认为同种原子只能相斥而不能结合的错误；具体介绍了他根据阿佛加德罗的分子概念，由气体密度所测得的7种单质如氢、氧、氯等和3种化合物水、氯化氢和醋酸的相对分子质量；明确指出了在测定相对分子质量的基础上确定化学式和相对原子质量的合理途径。康尼查罗也不是原封不动地重复50年前阿佛加德罗的观点，而是根据自己的新实验对其加以分析，取其精华，舍其谬误，从而使之更加完善。例如，他测出氧气与臭氧相对分子质量不同，温度高于1000摄氏度与低于此温度时硫的相对分子质量也不同。根据这些新事实，他明确指出，阿佛加德罗关于一切单质气体分子都含有相同数目的原子的说法是不全面的，是错误的。
心有灵犀一点通，康尼查罗的论文在化学家中引起强烈反响。有位看过这本小册子的科学家感慨地说：“我一连读了几遍，觉得这篇论文对大家争辩的问题，都能给以启示。”一位日后在元素周期表研究中作出过重大贡献的德国化学家迈耶尔读过后说：“眼前的阴翳消失了，怀疑没有了，使我有一种安定的明确的感觉。”他还把康尼查罗的观点作为稍后出版的他的经典著作《近代化学理论》的基础，许多化学家都是从这本书中获知阿佛加德罗的理论和康尼查罗的见解的。
由于康尼查罗的出色工作，在道尔顿原子学说和阿佛加德罗分子学说的基础上提出的分子一原子学说，终于得到了科学界的公认。分子一原子学说的建立，在科学界澄清了错误认识，统一了分歧意见，理顺了许多定律之间的关系，使化学这门科学冲破难关，获得了新的重大发展，使整个科学大厦的基础更加牢固，为19世纪下半叶物理学的迅速进步开拓了新方向。
分子真的存在吗
康尼查罗推动建立的分子一原子学说，在理论上的确说服了当时的科学界，但是科学要求实证，也就是要求实践，实验能直接证明一种猜测或理论。的确，谁也没有看见过分子和原子，也不知道构成我们周围的物质如水、盐、糖的最小微粒究竟是什么。这些在科学家们的头脑中仍是一个疑问。1827年英国植物学家布朗报告他在显微镜下观察到漂浮在水中的花粉的微粒在做颤抖的直线运动。他还进一步考察了各种物质如煤、灰尘、植物、树脂等，只要弄成足够小的微粒，都会发生这种运动，这就是布朗运动。布朗微粒是不是就是科学家们日夜想见到的分子呢？这个问题难倒了19世纪的所有科学大师。1905年大科学家爱因斯坦对布朗运动进行了深入研究，对此做了否定回答。他经过严密的数学计算，认为布朗运动是分子不规则运动的结果，微粒受到介质（通常是水）分子的撞击不平衡，因而运动，但不是分子本身运动。爱因斯坦认为真正的分子要比布朗微粒小得多。但无论如何，布朗运动仍然是分子存在的有力证据。布朗运动示意图
19世纪末和20世纪初由于放射性元素的发现，电子的发现等直接冲击了分子-原子学说的基础，表明原子是可以分割的；而能量的研究及其他理论研究取得了很多成果，于是科学界流传着物质消失了，只剩下能量，物质是没有的，只有感觉还存在等论调。例如，有的人提出，我们吃的苹果是由红色、绿色、硬、酸味、甜味、圆形等按不同比例组成的，科学就是要研究这种感觉的比例，而不是研究苹果这种物质本身。有许多科学家都持这种论点，造成科学界思想的很大混乱。这样，就迫切需要证实分子的真实性，取得分子存在的第一手材料。法国科学家佩兰在1908～1910年通过3年的努力，出色地完成了这个历史任务，他也因此于1926年获得诺贝尔奖。
佩兰的工作是以爱因斯坦对布朗运动的研究为基础的，即在地球引力作用下粒子（也称为质点）随高度而分布不同。例如，空气的压力随离地面的距离增加而减小，大气层所处的位置愈高气体的分子浓度也愈低。假如人们在统计各个质点数的实验中，能够证明按照分子运动论计算的正确性，那么分子存在的真实性也就被证实了。法国科学家佩兰
分子太小，看不见，摸不着，佩兰用比分子大的小颗粒克服了这个困难。他用某些树脂如藤黄经过仔细研磨，制得了半径几乎相同的小球，它们很容易在显微镜下看到。知道小球的半径与制造材料的密度，容易算出其质量。把这些小球与水（或其他液体如甘油，作实验介质用）在小玻璃箱中混合，它们起先均匀充填在整个容器中，放置一段时间后就按高度建立起质点的平衡分布。用显微镜计数不同高度单位视野内的质点，可以核对结果是否与爱因斯坦的理论要求相符。
这个研究中最困难的是制备一定大小的微球。佩兰写道：“我必须加工1千克藤黄，才能在数月内获得一部分约数百毫克所希望的小颗粒。”实验在很不相同的条件下进行：温度在-9～55摄氏度；介质黏度为1～330；小球质量在1～7000内变动等。条件变得越多，结果将更可靠。佩兰顽强地耐心地工作着，科学研究就需要这种执着精神。他计数了很多不同高度的小球，例如在一个用半径为0.21微米的藤黄小球的实验中，在离器底5、35、65及95微米处计数。按照理论，在这些高度上的质点数在给定条件下应呈100：48：23：11分布。在实验过程中，总共数过13000个小球，并且按照高度求得的相对分布为100：47：23：12。佩兰的结果无论在质点按高度分布方面，或在考验由分子运动学说推引出来的其他结构方面，都与理论要求出色地一致。至此，经过各代科学家100多年的努力，人们再也不怀疑分子一原子学说了，奇谈怪论也消失了。
不过，如果你认为分子已研究得差不多了，科学该停滞了，那就错啦！不断进取是科学的宝贵特点。人们在不倦地追求新的成果，力图直接看到分子和原子。想当年，观测布朗运动用的显微镜只能放大300倍左右，佩兰所用的光学显微镜效果好些，可放大1500倍，但并没有本质的不同，他们未能实现科学家们的夙愿。1955年，美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员发明了能将针尖大的物体放大500万倍的场离子显微镜，人们才第一次看到了单个原子的形貌。1977年日本东京大学的科学家，用500千伏的电子显微镜拍摄到了氯化铜-酞菁染料的分子照片。这些观测结果告诉我们：原子、分子是很小很小的，一般原子的直径不到1厘米的亿分之一；分子的体积比原子大一些，-8一个水分子的直径是2.8×10厘米，即使将1亿个水分子排成一列长队，也只有一粒花生米那么长。1982年IBM公司研制成功了扫描隧道显微镜（STM），它可以观察到单个原子在物质表面的排列，此成果获得了1986年诺贝尔奖。20世纪90年代中国科学院化学所的科学家们用自行研制的扫描隧道显微镜观察到了磷脂头在细胞膜表面的排列情况。1亿个氢原子排列起来的长度
这样，长达千百年的争论结束了。任何物质都是由原子、分子组成的，分子的真实存在是无庸置疑的，分子的魅力是永恒的。
二、奇妙的分子杰作
分子是那样小，但它们竟然支撑了我们庞大的物质世界。一株幼苗能长成参天大树，一个正六边形标志了化学学科，五光十色的染料，夷山毁城的威猛炸药以至具有生命活性的遗传物质，都是分子的杰作。
水分子不平凡的历史
古代的哲学家、炼金者乃至17～18世纪的科学家们都认为，水是构成世界的最重要的元素之一。那么，水究竟有多重要呢？一株幼苗能长成大树，靠的是什么？在当时流行于科学界的实证精神的推动下，17世纪比利时科学家霍尔蒙特设计了著名的“柳树实验”。他用一个大桶装上烘干了的不含水分的土壤100千克，用雨水浇湿，铺平后在上面种了一颗2.5千克的柳树幼苗。在这以后，只往土中浇雨水，不上肥料。5年后柳树长大了，重量比刚种下时增加了82千克，而且还不算这5年中有4个秋天的落叶。他把桶里的土壤烘干了再称，只比原来的重量减轻了0.1千克。所以霍尔蒙特认为这82千克的木头、树皮、树根只能是由水产生的。他之后的200年间有不少科学家重做过这个实验，结果都相似。今天来看，这个结论大体也正确，因为树木大部分由水组成，霍尔蒙特虽然没有考虑到光合作用，但他精心设计的这个柳树实验，还是很有启发的。英国科学家普利斯特利
自古以来，水的重要性不言而喻，到1860年科学界公认用HO来2表示水分子，它的经历可真不平凡。在18世纪后期时，人们还将水当作一种元素。1781年英国科学家普利斯特利将可燃气（即氢气，那时人们还不知道氢气是一种单质）与空气混合，通上电火花，发现瓶底有些液体，但他对这个“无目的实验”成果不甚注意。英国实验家卡文迪什约在同时也做了此实验。他用32升可燃气和两倍半的空气混合燃烧，得到了9克的液体。这些液体究竟是不是水，还得通过实验来证明，为此他用可燃气与纯氧气重做实验。经过3年的努力，他终于弄清了最初得到的液体不是纯水而是硝酸，因为空气中含氮，通电火花时氮被氧化了。他的结果尚未公布时，他的助手就将他们的实验结果告诉了法国化学家拉瓦锡，拉瓦锡马上重复了这个实验，证明了水是氧与可燃气的化合物。因为可燃气是组成水的主体，所以拉瓦锡将它取名为氢，这一结果很快被化学界所接受。拉瓦锡认为倘若水是氢、氧所组成的，则将水中的氧取去之后，应当可以再得到氢气。为此，他使水蒸气通过红热的铁管，即有一部分水分解了，用冰水使未分解的水凝聚，所余气体与可燃气即氢气完全相同。至此，水是由氢、氧两种元素化合而成的，而并不是过去传统所说的一种元素得到了化学界的公认。后来，人们研究了不同地区、不同形态的水样，只要将它们预先蒸馏制成纯水，都得到相同的结果。拉瓦锡在实验室
氢、氧在水中各占多少？人们进行了艰苦的探索。卡文迪什作了最早的定量研究，他发现423体积的氢气恰好与1000体积空气中的氧化合，亦即423体积的氢与209体积的氧化合，此值与2：1相近。24年后，盖·吕萨克等做了更精确的实验，我们在前面已经提到，比例与2：1也极其相近。又过了15年，1820年瑞典化学家贝采里乌斯利用氢与热的氧化铜反应以测定水中氢、氧质量的比例，得到1：8.01。1842年，法国化学家杜马重新精巧设计实验装置，例如原料气氢气中常含少量杂质（如硫化氢、水分等），经过8个U形管一一消除之后，方与反应物氧化铜接触，经过19次实验的结果，他测得水中氢、氧质量之比是1.002：8.000。这个结果被科学界承认了约50年。1893年得到的体积比是2.00245：1.00000，质量比为1.000：7.931。水分子的原子结构图
由上可见，我们身边最普通不过的小小的水分子，人类对它的组成的认识却经历了100多年的时间。
化学大厦的标志
如今，我们在许多化学试剂厂或者与化学有关的标签、文书上都可看到一个正六边形的图案，这是苯分子的结构式，人们常称这是化学科学的形象和标志。
19世纪中叶，煤焦油的研究获得了很多成果，1845年德国化学家荷夫曼首次从煤焦油中提取了苯。他的老师李比希非常高兴，在他们所在的吉森大学的实验室里，决定对这种新化合物进行深入研究。1847年18岁的凯库勒进入吉森大学学习建筑。那时在德国的大学里，学术风气浓郁，学生们可以自由选课。凯库勒一有机会就去听那些著名教授的课，数学的、物理的、天文的各种课他都不放过。当他听了李比希的化学课后，被深深吸引了，并决定改行学化学。想当初1824年21岁的李比希就成了吉森大学的教授，他建成了德国第一个系统进行实际训练的学生化学实验室，他的名声传遍全世界，作为一个杰出的化学家和卓越的教育家，他的周围团聚着许多优秀的青年。当凯库勒跻身进入的时候，李比希的实验室正处在事业的巅峰时期。
到1858年，年轻的凯库勒不但在实际上掌握了丰富的化学知识，而且以深刻的理论思维在同伴中著称。他首次提出了“芳香族”化合物这个重要概念来表述从煤焦油中新提取的一系列带有香味的化合物；他清楚地认识到碳是4价的，如在甲烷中那样和4个氢结合；他还引进了一个非常重要的基本思想，这就是碳原子之间可以连接（化学上叫成键），就像房屋间有走廊相通才连成一个整体，也许是他联想到建筑，并受其启发。这些，都成了日后有机化学理论的基石。
有整整7年，他在繁忙的教学之外孜孜不倦地研究苯。他反复地做了有关苯的性质、制备的实验，发现苯实在是一个极为奇特的化合物：苯分子中碳和氢之比和乙炔一样，都是1：1，应当极不稳定，然而苯即使和高锰酸钾这种强氧化剂同煮，也不会被氧化；最重要的是苯分子中的6个氢是均等的，而不是其中的某一个氢最活泼。这种“均等性”说明什么呢？凯库勒在深深地思索。
一个重大成果即将产生了，行百里者半九十。凯库勒在日夜思考苯的化学结构式，寝食难安。有一次在书房中打盹，朦胧中他仿佛看见那些碳原子的长链像蛇一样盘卷着，忽然有一条“抓住自己的尾巴”，凯库勒写道：“这个图像在我眼前萦绕不已，这不就是成环吗？”“均等性”不就意味着苯环上的6个碳原子各连着1个氢原子形成一个正六边形吗？赶快记录下来！这就是凯库勒在1865年首次提出的苯的无键即未写上碳、氢原子数的六边形结构式。但他将碳、氢原子排入时，碳只有3价，显然高兴得早了点。又苦心琢磨了1年，到1866年，他画了一个新的空间模型草图，解决了这个问题。就这样，经过8年的钻研，凯库勒首先引入了苯环概念，后来发现有很多化合物都含有这个结构单元。苯环的发现开辟了有机化学发展的一个新阶段。凯库勒的苯分子结构图
1890年，在纪念苯环结构发现25周年的仪式上，凯库勒谈到了当年他的那个梦，因此，苯又被称为梦中发现的分子或梦幻的分子。梦中能够创造新思维吗？对这个古老的问题，有各种各样的回答，如日有所思，夜有所梦；南柯一梦等。过去对这个问题的回答大都是否定的。自1953年美国芝加哥大学的阿塞尔斯基和开勒特门两位生理学家发现睡眠有两种即有梦睡眠和无梦睡眠以来，人们开始了对人类睡眠本质的新认识。自20世纪70年代起，受计算机技术中存储和排序程序的启发，人们认为有梦睡眠阶段实际上是把每天收集在头脑中的信息进行整理和归纳，并非像过去所认为的那样是神经细胞和大脑的休息。这样，凯库勒蛇咬住尾的梦就变得可以理解和可信了。
在凯库勒同时，甚至在此前，还有许多人也在研究苯的结构。例如，已经知道在1861年奥地利化学家洛希米特就第一个发表了苯的正确结构式，这要比凯库勒早4年。然而，遗憾的是他的这项成果被忽视了，这与他的个性和经历有关。洛希米特天性含羞、木讷而不爱抛头露面，他从未走出过奥-匈帝国，也从不在重要的化学杂志上发表文章或在重要国际会议上讲演。因此，他的杰作就被埋没了。而凯库勒却是个世界闻名的教授，有多方面成就的学者，杰出的演说家和教师，并且还是当时一本最广为传诵的教科书的作者。这些往事对我们今天的成长也许会有所启示呢！
色彩斑斓的分子
今天，我们的衣着能够五彩缤纷，应该感谢化学家们发明了各种染料。在现代战争环境下，为制造军事隐蔽材料，特别是地表隐蔽材料，染料的作用也非同小可。早在远古时，人们从万紫千红的花中提取了各种美丽的汁液。我国的染料和染技在《周礼》上已经记载得非常详尽，可见在3000年前的发展盛况。罗马人视为名贵的帝王紫染料是从地中海里的一种有壳鱼内取得的。还有许多染料如靛蓝、茜素，是从植物或动物分泌汁中制取的。近代所用的合成染料，大都是加工煤焦油产品而得。染料工业的建立被认为是开创有机化学工业之先河，到今天，染料行业仍然是国民经济的支柱之一。
说起来，染料的发明与其他很多发明一样是无意中得到的，也就是所谓的歪打正着。19世纪中叶，非洲流行的疟疾通过殖民者传入欧洲，并逐渐蔓延，治疗疟疾的特效药是盛产于南美洲的金鸡纳树提取的奎宁。这时，已因研究煤焦油取得重大成就的德国化学家荷夫曼应英国王室之邀请，去伦敦新建的化学学院执教，他敏锐地认识到制造这一特效药的重要性。1856年荷夫曼指导他的英国学生18岁的少年帕金来完成这个重要课题，小伙子受老师从煤焦油中制得苯胺的启发，满心指望用苯胺制取当时的名贵药物奎宁。他先用重铬酸钾及硫酸处理，希望得到白色的奎宁结晶。但实际上得到一种深红发黑的液体和胶状物，当用酒精去洗涤时，出现了鲜艳的紫色，好像美丽的紫罗兰。由于当时英国纺织业很发达，对染料的需求十分急迫，帕金想：能用它来染布该多好。说干就干，他将一条布放进去，浸了一会儿，拿出来时，布已染成了很漂亮的紫红色。机会总是为训练有素的人准备，必然性通过偶然性开辟着道路。帕金很有商业头脑，回到英国后立即办厂生产，建立了有机合成染料工业，他的产品被认为是第一种人工合成的化学商品。这种染料名为苯胺紫，可与历史上的帝王紫争辉。它的最初样品珍藏在大英博物馆里，直到1994年还有人重新测定过它的分子结构以探讨它获得成功的原因呢！
帕金的成功吸引了师兄弟们的注意，激励着他们也来研究染料，没几年，荷夫曼和他的学生相继合成了苯胺蓝、翡翠紫、甲基紫等染料，很多一直沿用至今。在他们的努力下，染料化工的成果极其丰富。帕金成功后的第十年，即1869年，德国青年化学博士格拉泽以煤焦油中提出的蒽为原料，人工合成了第一种天然染料茜素，并很快投入市场。在茜素能合成前，欧洲每年需天然茜素75万千克。它们都是从茜草中提取出的，而每100千克茜草最多只能提出1千克染料，价格非常昂贵。到1875年，已能人工合成10万千克茜素；到1902年，已达到200万千克。至此，天然茜素终于完全被合成品所取代。人工合成茜素的成功，充分显示出科学技术在认识自然、学习自然、模拟自然中的巨大作用。
在20世纪的两次世界大战中，人们认识到军事伪装的重要。所谓军事伪装就是军事设施、武器、人员以及军事保护物的外观色彩，对探测波如红外线的反射要尽量做到与环境一致。这样染料及涂料（即涂在军事设施上的颜料）的分子又做出了新的贡献。
在战争中最早用于军服的染料是适应目视要求的黄绿色，主要是蒽醌类染料，因为它们与环境色相近。自红外探测仪用于军事后，据此发展了夜视仪，也就是夜间能凭目标的红外反射不同而定靶。例如，1991年海湾战争时期，伊拉克的坦克白天藏在沙漠掩体里没有被发现，但到夜晚烤得发烫的强烈的红外辐射，却使它们成了美国导弹的极好靶子，因此，伊拉克军队损失惨重。到1998年南斯拉夫科索沃战争期间，南联盟高超的伪装术，使北约损失了很多昂贵的导弹，美国军方报导击毁了南方200多辆坦克，事实上才损失10多辆。这是因为南方采用了先进的多色迷彩。
迷彩伪装是当代各国军方或有机密价值的民用建筑都采用的伪装技术。它的特点是军服及军事设施用迷彩织物或迷彩染料涂饰。这种染料是由计算机对战场背景，也就是大量丛林、沙漠、大海、岩石等环境材料进行统计分析后做出数字化处理，配比出色彩、色调、亮度、对探测射线的反射能力，通过各种色彩的面积、强度的调整，得出与背景一致的图案，求得完全消除目标与背景间的差异，从而实现伪装。这里的关键仍然是要制得合适的染料。先进的染料能适应温度和湿度的变化，即在不同温度和不同湿度下可显示出不同的颜色，染料的分子在不同条件下包括不同光线照射下改变结构，达到探测效果与环境完全的一致。
惊心动魄的事业
因研制炸药致富并造福全人类的一个光辉例子是诺贝尔。诺贝尔的名字在世界上几乎家喻户晓，受到许多有志青少年的热忱崇拜，这不仅因为他在化学发展史上做出了杰出的贡献，更重要的是他为了促进科学和社会的发展而设立了举世瞩目的奖项，其中诺贝尔科学奖代表了当时科学的最高水准。
诺贝尔出生在瑞典的一个普通知识分子家庭，父亲是一位机械师和发明家，因生活所迫，全家迁居俄国。诺贝尔虽然只受过1年正规学校教育，但他自幼努力学习，跟着父亲干活，看父亲设计水雷、研制炸药，耳闻目睹，在他幼小的心灵中，萌发了献身科学的理想。他的一生都是在艰难险阻中奋斗前进的。著名科学家诺贝尔
诺贝尔的青年时代在欧洲度过，那时，许多国家由于冶金业的发展迫切需要发展采矿业。为加快采掘速度，炸药是急需品。诺贝尔决心改进炸药的生产。在诺贝尔之前，很多人研制过炸药。中国的黑色火药早在13世纪就传入欧洲；意大利人在19世纪40年代就发明了烈性炸药硝化甘油，但不能贮存，同时引爆问题也没有解决。因此，急需解决炸药的安全使用问题。
由于硝化甘油太容易爆炸了，几乎碰不得，震不得，惨痛事故时有发生，诺贝尔在自己的实验室就多次遇险，甚至连他的助手及弟弟也罹难。可以说研制炸药真好比从老虎嘴上拔毛，充满了危险，牺牲时刻都在伴随着他。但诺贝尔明知山有虎，偏向虎山行。他经过1年多的反复实验，发现用一些多孔的木炭粉、锯末、硅藻土等吸收硝化甘油，能减少易爆危险。最后，他用简便的方法制成了运输和使用都很安全的炸药。为了解决与安全同样重要的引爆问题，他又经过上百次实验发现，雷酸汞是一种优良的引爆物，从而使他发明了雷管，实现了应用炸药的科学道路上又一个重大突破。
光说不行，科学要求一切经过验证，尤其在炸药这种人命关天的问题上更是如此。1867年7月14日在炸药研制史上是一个值得纪念的日子。这一天，诺贝尔选在炸药用得最多的英国的一座矿山上，当着政府官员、企业界要人和许多工人的面做了一次实地表演：他把一箱安全炸药点火烧，没有爆炸；亲自用大锤砸，没有爆炸；从大约20米高的山崖上往下扔，也没有爆炸。这个操作还请旁观者重复多次，在人们承认这种炸药的安全性之后，他在石洞、铁桶和钻孔中装入安全炸药，用雷管引爆，结果炸得地动山摇，飞岩走石。这真是叫人惊心动魄的魔术表演，这真是鬼神莫测的壮烈画面。在有力地证明这种炸药既安全又强力的同时，人们不禁被诺贝尔不怕牺牲、缜密研究的科学精神深深感动。
一个真正优秀的科学工作者，是永不自满的。又经过20年的不懈努力，到1887年，诺贝尔发明了以三硝基甲苯为基体的无烟火药，其爆炸力比原先的炸药大了200多倍，而且燃烧充分，烟雾很少。直到今天，在民用爆炸和军事工业中使用的常规火药，仍属于诺贝尔发明的这一类。为什么这类炸药会威猛无比呢？这是因为硝酸盐分子组成中含有大量氧，是一种强氧化剂；它又含有氮，极容易形成稳定的氮气；同时硝化甘油或三硝基甲苯中都含有大量易生成二氧化碳等气体的碳。这样，反应激烈进行，释出很大能量，使温度迅速提高，生成气体急剧膨胀，爆炸就不可避免了。炸药分子的奇妙之处，就在于它能在瞬间迅速升温，释放出大量气体。
诺贝尔的一生是不断从事创造发明的一生。据不完全统计，他共取得355项专利，其中有关炸药的就有129项。他不但是个优秀的科学家，也是个能干的实业家，在欧洲各国和美国都建立了由他主持的生产炸药的工厂，通过生产和销售许多高性能的炸药，积聚了一笔巨大的财产。1896年12月10日，脑溢血夺走了这位举世闻名的化学家和富豪的生命，诺贝尔结束了自己生机勃勃、光彩照人的一生。在生命垂危的时刻，他念念不忘的是科学和全人类。他决定将他的920万美元的财产作为基金存入银行，将每年的利息分成数份，奖给那些为科学和社会进步事业做出重大贡献的杰出人物。他还在遗嘱中专门强调：“奖金不分国籍、人种和语言，只发给对人类有不可磨灭贡献的人。”
斯人已去，余音袅袅。从1901年第一次颁发诺贝尔奖金到现在，全世界已有500多位著名科学家、文学家、经济学家、政治活动家及10个群众团体获得这一殊荣。每年的12月10日瑞典斯德哥尔摩音乐大厅灯火辉煌，座无虚席。隆重的授奖仪式，把诺贝尔奖金、奖状和奖章授予各国的得奖者。简朴的发言，唤起人们对诺贝尔的怀念，他高尚的品格、伟大的胸怀、崇高的夙愿，成为科学海洋中各路航船的灯塔，鼓舞着一代又一代的青年为科学事业特别是发展分子有关的学科而英勇奋斗。
在保存诺贝尔遗嘱的保险柜里，还有一份他签名的自传。在幽默地说了他的特点后，诺贝尔写道：“一生的重要事迹：无；仅有的愿望：不要被人活埋。”这最后一句话，留给我们无尽的思索……
身份鉴定者
古代的一位国王为断两位母亲争夺一个婴儿的案件，想了一个要把婴儿杀死的恐怖办法，利用人的心理做了聪明的判决。我们从电视上，从报刊的寻人启事中，常常看到父母千里迢迢去找寻丢失的孩子，或是在派出所领养的孩子中有几对父母同时认领而无法确证亲缘关系时，往往只有求助于亲子鉴定。如今，随着法制观念的强化，人们利用法律来保护自己权益的思想逐渐深入，在处理财产纠纷、遗产继承、罪犯确认等一系列案件中，亲缘鉴定往往起关键作用。这种鉴定是根据遗传物质DNA确定的，也就是子体的DNA中一定有母体的DNA的特征，才构成亲缘关系。这样，DNA的鉴定就足以判定被测试者的身份，是是非非就一目了然，DNA是一种有特定结构的化学实体，真是分子的一项杰作。
在法医物证检验中，最理想的鉴定结论是绝对肯定或绝对否定嫌疑对象。过去主要凭指纹，因为每个人的指纹几乎各不相同，但是指纹提取有一定难度，而且现在罪犯有很多办法如戴手套等来掩盖指纹。1985年，英国莱斯特大学遗传学系杰弗里斯教授提出DNA指纹图鉴定法，实现了这方面的飞跃。办法就是进行DNA分析，因为一个个体的所有细胞中都含有相同的DNA分子，且终生不变；不同个体的DNA各不相同，因而DNA就具有指纹性。而要取得某人的DNA样本，只要找来极少量的细胞就行，通常是一滴血或一根毛发就够了。前些年美国总统克林顿和白宫女实习生莱温斯基的性丑闻案，正是通过DNA指纹图的比较确定的，因为莱温斯基裙子上残留精液的DNA指纹图与克林顿的完全相同。那么DNA是什么呢？
经过100多年的不懈追求，到今天人类已经清楚了解到，遗传原来是由基因决定的，基因之所以稳定就是因为它代表一种化学实体，这就是DNA, DNA就是遗传物质。那么它的结构如何呢？化学家有一个好的思路，就是努力探索分子结构的秘密，因为分子的神奇本领是由它的神奇结构确定的。到20世纪40年代，向DNA结构进军的众多科学家中，最权威的是美国结构化学家，1954年诺贝尔奖获得者鲍林，他在研究结构和建立分子模型上很有经验，实际上离弄清DNA的结构只有一步之遥了。但有两位年轻人即美国生物学家沃森和英国物理学家克里克却捷足先登，首先在1953年4月25日的英国《自然》杂志上公布了他们提出的DNA双螺旋结构的分子模型，这一成果被誉为20世纪最伟大的发现之一，也被认为是分子生物学诞生的标志，沃森和克里克也因此于1962年获得了诺贝尔奖。
这两个年轻人配合得十分默契。1949年当他们刚进入著名的英国卡文迪什实验室时，一个是学生物化学的，熟悉生物学前沿的情况，对弄清DNA结构的重大意义十分理解；一个是学物理的，对结构测定技术非常在行。同时两人都从事DNA课题研究，形成了黄金搭档。尤其可贵的是他们在工作中废寝忘食、异常勤奋。那时，他们所在的卡文迪什实验室的大门每晚10时就要关闭，为了在夜间拍摄到DNA的照片，他们整夜呆在实验室里，终于他们看到了DNA的模糊图像，很像螺旋形线条。
正在这时，别的研究DNA的科学家也来和他们交流，并且丝毫不保密，把自己拍摄的更清晰的照片让他们仔细观看。沃森后来在描述当时自己的心情时写道：“一见到这些照片，我真激动极了，话也说不出来了，心怦怦直跳，因为从这张照片上，完全断定DNA的结构是一个螺旋体。”
在确定这一点后，紧接着需要解决这个螺旋体是由几条链组成的问题。他们经历了一段艰苦的过程。首先，沃森和克里克根据模型计算和已有的图像资料，他们否定了一链和四链。在对所有的数据进行处理后，1951年他们建立了三链结构，并且十分自信这个模型的有关数据符合DNA照片的要求，但却被进一步的实验否定了。然而，他们又以满腔的热情和坚强的毅力，重新开始研究。又奋斗了两年，沃森和克里克想到生物体内各种器官甚至染色体都是成双成对的，由此也估计到DNA分子是一种双链结构，再说也只剩下双链没有试了。但在链间连接方式上又犯了错误，结果又告失败。到1953年初，他们夜以继日、马不停蹄地工作，参考了当时许多化学家和数学家的研究成果，合理解决了双链骨架、连接两条链的方式等问题，进行了几百万次计算，在3月18日终于成功建立了新模型。
按照这个模型，DNA分子就好像一架高楼的螺旋形梯子，有两股链即糖和磷酸组成梯子的两侧支柱，当中则由许多氨基酸连成横杠。在人体的一个细胞中，DNA梯子全长约有1米，它所包含的横杠就有60亿条之多，以此可知构建模型之不易。这对当时才25岁的沃森和37岁的克里克来说，实在难能可贵。他们的成功除了他们有谦虚和勤奋的优点外，头脑中没有框框、思想不保守、失败不气馁也是重要原因。
DNA是分子世界中目前已知的最奇妙的结构，它是遗传基因的载体，一个人的基因约有2000条横杠，是DNA上有遗传效应的片断。它体现了分子的所有本领中最神奇的绝招，即有生物活性，而且能遗传。种瓜得瓜，种豆得豆，如今把不同的DNA剪裁相接，又能得到全新品种，真是酷极了！
三、分子“改性”创奇迹
从童年时代起，我们就惊奇于自然界的五光十色和无穷的奥妙。你在动物园里一定看过大象吧，它身上那宝贵的象牙，促使人去研究试制它的代用物；你看见过蚕儿吐丝吧，那熠熠发光的美丽丝绸激励着人们去找寻新的精品。正是沿着这样的思路，科学家们观察自然、模拟自然，由分子“改性”进而创造奇迹。
教授夫人的布围裙消失之谜
早在17世纪中叶，英国科学家胡克就预言过，人类应该能够仿效蚕蛾产丝的工序而有所作为。胡克是大科学家波义耳的助手，忙于燃烧实验和显微镜研究，并没有沿着他提出的思路继续深入下去。到19世纪上半叶，几位法国化学家开始了对天然纤维素的系统研究。1814年，盖·吕萨克发现纤维素和醋酸的组成相同，纤维素是人们很容易得到的物质，研究它应该是大有可为的。当时，专门的化学实验室还没有建立，厨房就是科学家们的家庭实验室，许多生物材料如淀粉、木材就成了最初的原料，而硝酸、硫酸这两种在17世纪就已广泛应用的酸，就成了他们手中主要的试剂。1833年，布拉康诺将硝酸作用于淀粉，得到具有爆炸性的淀粉硝酸酯，布拉康诺将其称为西洛依丁，意思是指木材改性物。当时，科学家们认为，从组成看淀粉和木材中的纤维素是相同的。接着在1838年佩劳茨和帕扬将硝酸与纸张、亚麻、棉花等反应，得到一种易燃和易爆的物质，被认为就是上面提到的西洛依丁。但帕扬在1839年首先用塞璐珞西一词表示纤维素，这个词源于法文细胞（cellule）一词，后来被科学界沿用下来。
这些工作虽然没有取得实在的成果，可是却为后来的人们提供了启示。1846年瑞士化学家薛拜恩宣称将硝酸和硫酸的混合物作用于棉花，制得了纤维素硝酸酯，并确定它具有易燃性和易爆性。说来事情也巧，一天，瑞士北部的巴塞尔大学的化学教授薛拜恩下班回家后，还在想着他的科研项目。在稍事休息后，又进了他的家庭实验室，也就是他的厨房。也许是太劳累的缘故，刚开始实验，他就不小心把盛有浓硝酸和浓硫酸混合物的试剂瓶打翻了，这两种腐蚀性很强的液体流到了地板上。他知道应该尽快地把地板擦干净，但在慌乱中没有找到抹布和拖把，只好用妻子做烹饪时用的布围裙救急。薛拜恩有一个把实验场所收拾得干净利落的好习惯，他把桌子和地面擦干净以后，马上就把围裙洗好并放在炉子边上烤。
就在这时，一件科学上的奇事发生了。出乎薛拜恩的意料，围裙非但没有烤干，反而突然着火了，不一会就烧了个精光。这真是怪事，怪事对于一个科学家来说是宝贵的，它意味着一种奇迹。薛拜恩有很好的科学素养，他决不会放过这样的机遇。于是他设计了一个实验来重复“围裙着火”。科学发明有时出现在意想不到的事情上
他把棉花和浓硝酸、浓硫酸放在一起作用，生成了一种浅黄色的类似纤维的物质，洗净和干燥后，这种物质很容易着火燃烧，受到摩擦和冲击时会发生爆炸。这些事实说明，这是一种新物质。新物质，发明新物质，是化学家的光荣使命；一种新物质，意味着一种新分子的出现，是最让热爱科学的人们激动不已的。
薛拜恩发明的这种新物质具有强大的爆炸威力，这就是后来人们所称的强棉火药。在此之前人们所用的炸药主要是黑色火药，它是13世纪由蒙古人通过阿拉伯传入欧洲的，其主要成分是炭、硫磺、硝酸钾，爆炸力不很强，而且在爆炸时还会产生很大的烟雾。与黑色火药相比，强棉火药的爆炸力增大了3倍，并且爆炸时的烟雾很少。强棉火药的发明对于正在迅速发展采矿、冶金工业的欧洲企业界来说，真是再及时不过的重大福音。薛拜恩很快申请了专利，并且作为宣传在法国和德国的杂志上公布了他的发明摘要。他还把强棉火药的生产专利权卖给了英国商人泰勒。这位精明的企业家很快组织了生产，并且在欧洲许多国家如法、德、俄及奥地利开设了生产这种强棉火药的分公司。订单如雪片般飞来，生意格外红火。
不过，福兮祸所伏。强棉火药生产的好景不长，1年以后，也就是1847年7月，英国一家公司的产品爆炸，这次爆炸毁坏了一座工厂，死亡21人。以后，其他国家的工厂也相继发生事故。但由于市场对这种火药的急迫需求，又经过了15年，到1862年，强棉火药的生产才终于全部停止了。虽然如此，仍有许多目光远大的化学家对薛拜恩的工作进行了深入研究，英国化学家阿贝尔就是其中之一。阿贝尔想，既然这种火药有这么强烈的爆炸能力，必有缘故，只要找到它不稳定的原因，就能控制它使之安全应用。他孜孜不倦地工作了18年，到1865年终于取得成果。他发现，只要将这种物质切碎并在碱液中洗涤，干燥后就变得稳定而安全了。他还发现，爆炸与否及爆炸力的强弱，主要取决于硝化的程度，也就是硝酸加入的多少。当这种物质充分硝化，使其氮含量超过13%时，它就是一种强力爆炸物，称为火棉；当其氮含量在11%～12%时，它只是一种易燃物，但不爆炸，称为派罗西林，希腊文的意思是火和木材；当含氮量在10%左右时，它被称为火棉胶，其乙醇溶液就是一般封瓶口用的珂罗丁。至此，人们才算彻底解开了教授夫人的布围裙消失之谜。
由“照相问题”引发的研究
在19世纪中叶的一天，一个摄影师正在暗室里为他的底片不清晰而伤脑筋，那时，照相还是一件高级享受，只有王公贵族才有钱体验摄影的气派和快乐，就像今天只有少数人有私人飞机一样。英国的伯明翰市以产钢闻名，帕克斯是这里一家大钢铁公司的冶金工程师和化学家，摄影是他的业余爱好。受到曾购买薛拜恩制造硝酸纤维素专利的泰勒的启发，帕克斯也想将硝酸纤维素用于制作照相底片。
帕克斯不仅是一位优秀的工程师，而且很有商业头脑。他认为，只掌握硝酸纤维素的制备方法是不够的，还应考虑大规模生产的成本，只有降低成本，才会有竞争力；他还认为，最根本的还是要开发产品的用途，只有用途广泛，产品才有实用价值。帕克斯设计了能一次投料47千克棉花的容器和工艺流程，不足2小时，就可制得质地优良的固体硝酸纤维素。为了扩大这种产品的应用范围，他对产品的性质进行了充分研究。把它溶解在乙醚和乙醇的混合溶液里，再把溶剂蒸发掉，这样就得到一种角质状的坚硬而又耐水侵蚀的物质。帕克斯发现，这种材料虽然硬，但缺乏韧性，不便加工。于是，他向其中加了一些添加剂，如树脂或油类，终于使韧性得到改善，可以制成一定的形状。他还设法解决了染色问题，使它的制品有了所希望的各种美丽的图案和花纹。
1862年，帕克斯将自己发明的制品在英国举办的国际博览会上展出，他用自己的姓名来命名这种新材料，叫做“帕克星”。他认为这种物质除主要用作照相胶片外，还可用来代替天然的虫胶，制作电气工业用的绝缘材料。他在送呈展览的制品的文字说明中还指出，这些有花纹和图案的制品包括软管、纽扣、梳子、刀柄、盒子、笔等，还能制成硬如象牙的贵重物，并且能用模具像金属一样进行浇铸。总之，产品将是无穷而极其多样的……最后，博览会授予帕克斯一枚青铜勋章。
又经过4年努力，1866年成立的生产帕克星制品的公司开张了。可是帕克斯并未一帆风顺，生产上经常碰到难题，有时弄得三两天就得停工排解。例如，当配料欠准确时，就会导致帕克星的纯度不够，从而使产品质量低劣；生产中用到的大量浓硝酸，放出的气体使人难以忍受。这些故障和困难，使优秀的技术专家帕克斯也穷于应付。于是只经营了2年，他的公司就倒闭了，他本人也像一颗星星似地，在后来者更光辉的奇迹普照之前隐退了。
早期塑料之王的降生
长江后浪推前浪。正当帕克斯离开硝酸纤维素研究领域时，在大洋彼岸的美国出现了一个把帕克斯的事业继承下来并发扬光大的年轻人海厄特。海厄特是纽约的一位印刷工人，也是一位业余化学爱好者。1869年的一天，他漫步在街头，看到广告柱上的一张一家台球制造商的海报宣称，无论什么人，如果能发明一种代替象牙制造台球的材料，他们将以1万美元作为酬金。这真是一件饶有兴趣的事，海厄特很想取得这项成果，而且他也相信自己能搞成这项发明。
为什么找寻象牙的代用品如此迫切呢？原来，在19世纪60年代，美国南北战争结束后，玩室内象牙台球成了一种时尚，最后造成了原料象牙的短缺，价格也越来越贵。当时为了获取象牙，每年要杀死2万头以上大象，价值高达300多万美元。象牙可从海象和河马的獠牙和其他部位的牙获得，但最坚硬、最优质的还是正宗西非象的牙。尽管每头象的长牙（獠牙）产量低，而且几个世纪以来，法律就不许偷猎和交易，这样通过研发代用的物质以解决这一“象牙问题”，就成了人们的梦想。通过顽强的努力，海厄特成了早期塑料之王赛璐珞降生的助产士。不起眼的台球也曾凝聚着发明家们的心血
发明家都有一种优秀品质，说干就干。为了取得这项发明，从1869年看到海报的那天起，海厄特就和他的兄弟联手用各种材料做实验。作为一个印刷工人，他有得天独厚的优势去接触各种最新的杂志和资料。他之所以选择印刷这一行业，就是因为自己很想读书。当年他父亲老海厄特深怕自己的孩子误入歧途，常带他们兄弟去船上看水手怎样生活，去冶炼作坊看铁匠们如何营生，到印刷厂看一摞一摞的画着各种图画的书，只有看到书籍小海厄特才会兴奋起来，从此他也就和书籍打上了交道。作为一个化学爱好者，他尤其关心化学的最新发明，一有机会就要亲自实验。帕克斯的硝酸纤维素研究备受海厄特的关注，此刻，他有似乎从这里入手可以找到象牙代用品的感觉。
海厄特知道要做得比前人好，必须有所创新。他意识到要改善硝酸纤维素的性能，需要在其中增加点什么。沿着这条思路，他实验了许多添加物，如油脂、石蜡、松节油等，一切他手边能得到的东西，他都不怕麻烦，耐心地去试。过了一年，到1870年时他的工作就有了突破性的进展。当他把樟脑溶解在酒精里，再跟硝酸纤维素混合时，就生成了一种角质状的物质，很像象牙汁。这种物质在受热时变软，冷却后又变硬，容易加工。看来，这种材料有可能代替象牙来生产台球。海厄特把它称为准象牙，并正式定名为赛璐珞，意思是来自纤维素，也就是从纤维素改性、变化或创新而来。他的添加物樟脑就是日后塑料制造中增塑剂的应用启蒙。
为了兑现那份海报中的发明奖，还得做成可用的台球才行。心灵手巧的海厄特琢磨出来制造台球的方法很是简单：用赛璐珞的酒精溶液将木屑、棉花或纸浆浸透，最后做成台球的形状，将酒精烘去；再在台球外面涂上一层加了染料的硝酸纤维素，于是各种颜色的台球便制成了。制成了就赶快卖，投入市场，这是美国人的好习惯。仅就制造台球，海厄特就先后成立了“海厄特制造公司”和“阿尔伯尼台球公司”。
不断进取的海厄特并不满足于已有的成就，他在积极地为赛璐珞寻找新的用途。他想当初是作为象牙代用品来开发的，于是就在牙科上打主意。这一眼看得准，用赛璐珞做镶牙用的牙托效果很好，可以替代当时很贵的橡胶牙托。于是他在1870年专门建立了奥尔巴尼牙托公司生产赛璐珞牙托，成功后，在1871年注册的商标就叫赛璐珞，这是塑料之王第一次冲进市场。由于赛璐珞能够铸塑或压延成任意形状的制品，所以还可用来制成纽扣、梳子、铅笔盒、眼镜架和镜框等日常生活用具。1884年，美国柯达公司还用它来生产照相底片和电影胶片，这又促进了18世纪末和19世纪初的摄影普及和电影工业的发展，这些不禁令人想起当年的帕克斯在这方面的开创性工作。
“改性”研究在继续
由于照相和电影业的发展对胶片的需要，也由于硝酸纤维素的易燃性成了市场拓展的拦路虎，这就迫切需要将纤维素分子进行新的改性。其实在研究纤维与硝酸作用时，科学家们也知道硫酸、醋酸、磷酸也能与纤维素反应，生成相应的各种酸的纤维素，但起初只有硝酸纤维素得到较详细的研究，因为它较易制得，较易工业化。到20世纪初，在硝酸纤维素的缺陷已充分暴露而且难于被人们接受的情况下，科学家们想起了醋酸纤维素。
还在1865年，也就是美国的海厄特看到奖励准象牙海报之前4年，英国的帕克斯正红光满面地研制硝酸纤维素制品并将帕克星产品投入生产的前1年，法国科学家舒申伯格发现，将纯净的纤维素和无水醋酸在密闭容器中加热到130～140摄氏度，1～2小时后就得到一种新物质，舒申伯格认为这就是醋酸纤维素。又过了近30年，到1894年英国科学家克罗斯等又研究了这个反应，他发现在硫酸或氧化锌存在的情况下，在通常压力下加热，也能得到醋酸纤维素。你看，这又是一项新改进，它避免了密封容器，这就使得工业生产成为可能。因为工业化一个重要条件就是可行性，特别是要操作简便而且安全，实验室中容易做到的密闭容器中加热，在大规模工业生产中就不那么容易了。所以这个发现使克罗斯非常高兴。
但是，克罗斯高兴得还是早了点。原来生成的醋酸纤维素并不溶解在常见的溶剂中，而只有在当时价格昂贵且有毒的三氯甲烷中才稍微溶解一些，这就妨碍了它的工业生产。又过了10年，1905年美国科学家米尔斯重做了克罗斯的实验，发现如将制得的醋酸纤维素用稀硫酸或稀醋酸加热一会儿，也就是进行局部水解，那么醋酸纤维素就能很好地溶解在廉价而又无毒的常用溶剂丙酮中了，这才为大量工业生产提供了条件。米尔斯先将处理过的醋酸纤维素溶解在丙酮中制成浆汁，然后制成薄膜或喷成丝。最后将醋酸纤维素投产并开拓市场的是瑞士科学家德雷富斯。1910年德雷富斯在自己的家乡建厂，得到了纯白色的产品，这种产品最大的优点是不易燃烧，当然更不会爆炸。这个优点使它在胶片制作领域里稳稳站住了脚。1916年，德雷富斯应英国政府的请求，在英国建立了西兰里斯公司，于是西兰里斯就成了这一产品的商品名称。由于这种产品质地精良，声名远播，在1918年又应美国政府的请求，在大西洋彼岸建厂，这对醋酸纤维素的生产、推广与应用起了很大的作用。
一项新产品的问世往往首先受到国防部门的注意，醋酸纤维素也是这样。第一次世界大战期间，醋酸纤维素曾作为飞机机身和两翼的涂料代替过去易燃的油漆。这方面的成功，使它的影响超过了早期的塑料之王赛璐珞，而被称为赛璐玢。两者虽只一字之差，却体现了分子改性上的重大进步。从硝酸纤维素到醋酸纤维素的进展，使人们相信只要在分子改性上做不懈的努力，就能在物质的性能方面获得重大改进，解决大问题，甚至创造奇迹。
编织衣料五彩梦
在19世纪初，瑞士有个小伙子叫奥德马，他特别喜欢养蚕。他有一种仔细观察事物的习惯，总想看出别人没有看到的门道。别人都看到蚕宝宝吃了桑叶吐丝，但奥德马却看出，蚕儿吐出的不是丝而是一种黏稠液体，然后在空气中才结成丝。于是他开始比较桑叶和丝的区别，他想一定是两者分子的化学组成不同，也就是说蚕儿将桑叶进行了“改性”。通过化学分析，奥德马知道了丝与桑叶的不同在于前者含氮，后者则没有。那么只要把桑叶加上氮，不就可以制出丝来吗？于是，他将桑树叶洗净并漂白后，用硝酸处理，将它溶解在乙醇和乙醚的混合液中，并添加少量天然橡胶乳，制成了类似蚕吐出的黏稠液体，再用针牵拉在空气中干燥成纤维。后来又有许多人重复了奥德马的实验，也有人将树胶、淀粉等物质调成黏稠状液体，然后拉成丝干燥。这些实验留给后人深深的启示，使人觉得模仿蚕吐丝是很有希望的事业。蜘蛛丝为什么会有很大的强度呢
在1883～1884年，英国发明家斯万受当时化学界对硝酸纤维素研究的推动，也加入了这个行列。他将硝酸纤维素溶解在醋酸中，再将溶液通过小孔施压喷进含有甲醇的变性乙醇液中凝固，干燥后就得到纤维。斯万少年时代曾随一位药剂师学徒，后来成为化学制品商人，靠不断自学科学知识成才。他制出的纤维丝亮闪闪，胜过蚕丝。1885年1月在当地的化工协会会议上展示，受到了好评；稍后，由他的妻子用钩针将这种纤维钩成花边、饰带在伦敦举行的发明展览会上标明“人造丝”展出，引起了轰动，这可能是最早的人造纤维织品，它标志着对蚕吐丝模拟的成功。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]