亲近分子之旅

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动态分子结构抓拍

现在，科学家能够做到在百亿分之一秒内拍摄分子的照片了。这个时间间隔是如此之短，以至构成分子的那些原子还来不及跑得太远，也就是说在半运动状态下即被抓拍到。

这种技术的起源要回溯到大约四分之三世纪以前，那时科学家们刚认识到X射线是一种十分短小的波。这种波的波长是如此之短，以至于它们可以在晶体物质的原子间穿行。

晶体中的原子，很有规律地排列成行、列和层。1912年，一位名叫马克斯·冯·劳厄（Max von Laue）的德国科学家证实：如果用X射线照射一块晶体，射线将在这些有序排列的原子间跳跳蹦蹦，最终被“衍射”，也就是偏离了原来的方向。穿过晶体的X射线，如果射到一块照相底片上，就会产生一种由小圆点组成的对称图案，图案花样取决于它们是如何被不同的原子层衍射的。根据这种“X射线衍射图案”，科学家就能够计算出原子层的位置以及晶体的结构。

科学家最终不仅能对像盐这种结构简单的晶体，而且能对诸如蛋白质与核酸这样具有规则形状的复杂分子，完成上述工作。采用这种方法，科学家便可以了解血红蛋白（携带氧气的物质，并使血液显红色）以及脱氧核糖核酸（即DNA，遗传特性的携带者）的原子结构。

不过，有个问题依然存在。产生一束X射线的一般方法是用一束高速电子撞击金属物体。电子在碰撞中突然减慢速度，就会产生X射线。
然而，这样产生的X射线很微弱并且很模糊。要想获得良好的衍射图案，就必须把一个物体曝光在X射线中长达几小时，乃至几天。

在这段时间中，物体中的原子来回急速运动，围绕着某一点振动。
因而，衍射图案只能显示出振动的中心点，却无法告诉你在振动过程中原子正在做些什么。对于复杂分子，这更是一个严重缺陷。另外，长时间的曝光增加了这样的可能性，即一束X射线可能会在分子的某一地方损伤了一个原子而改变了它的布局，尤其是对于蛋白质以及其他一些原子结构非常复杂而且脆弱的分子，情况更是如此。

另有一种获得X射线的方法。即在一个强磁场作用下，迫使电子作急速的圆周运动。而要强迫电子离开直线方向，必须付出巨大的能量，这种能量以X射线的方式释放出来，便是一束十分强有力的射线。

近年来，这种回旋电子束已经被用来产生超强、超短闪光的X射线束。1987年秋季，麻省理工学院的科学家利用一束只持续了千分之几秒的X射线闪光，得到了血红蛋白的衍射图案。这一图案比以往得到的都要好，但还是没有快到能使分子“冻结”在一种无运动状态。

然而，现在能产生的X射线束是如此之强，可以做到使那些对于活组织十分重要的复杂分子只需在X射线中曝光百亿分之一秒。产生这样强的X射线束的方法是：使得电子不仅沿着一个圆旋转，而且还前后摆动。这一改进了的设备，被称为“波荡器”，已经在康奈尔大学运行成功。

这样强有力的X射线束，能以相当高的精度瞄准正在作半振动的每一个原子的位置。X射线还来不及损伤这些原子。这样，如果在不同时刻取得衍射图案，就可以看到处在略微有所不同的位置上的原子，因而便可确定分子的各种蠕动。这样，对于这些分子在生命细胞中是如何工作的，我们就能取得新的前所未有的认识。

然而，困难（困难总是难免的）在于，一台波荡器要占据很大空间，并且非常昂贵。这样，这类超高速X射线的研究工作就不可能在每一个实验室中进行，而只限于少数高技术研究中心。

现在，科学家正计划建造一台由多达35台波荡器组成的设备，其中每一台波荡器都比康奈尔大学正在使用的还要强大。

这样产生的超强X射线对于一些研究工作可谓很理想了。例如，这样的X射线可以用来研究一些新的超导材料的结构，从而帮助科学家确定需要什么样的原子排列才能在更高温度下获得超导电性。它们也可以用来研究陨石的结构，以便对于太阳系的原始化学组成得到更为精确的认识。再有，它们还可以用来确定材料中所含的各种微小的杂质，什么地方的杂质不需要，什么地方的杂质是需要的。因此，可加以研究的课题还很多呢。

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迟来的褒奖

1986年度诺贝尔物理学奖的一半颁发给了一位名叫欧内斯特·A·鲁斯卡（Ernest A. F. Ruska）的德国电气工程师。他是凭什么工作获得此奖的呢？因为他建造了第一架实用的电子显微镜。

普通的显微镜，也就是你我都已司空见惯的那种类型，利用的是光波。光波被显微镜的镜头聚焦，通过这种方法把我们肉眼看不见的微小物体放大，以便于仔细观察。然而，这种放大是有限度的。一架光学显微镜所能看到的物体至少也得有光波的一个波长那么大。一个物体若小于一个波长，那么光波就会跳过它，你也就无法看到物体。

假如你采用X射线而不是光线进行聚焦。X射线的一个波长至少是光波的千分之一，因而你能够看到大约为用普通显微镜看到的千分之一大小的物体。不过，麻烦的是X射线过于“有劲”了，它们径直穿过这些本来应该看得到的微小物体，这样你仍然看不到这些物体。

到1924年，科学家们证明了电子同样也呈现出波动性（过去人人都以为它是微小的物质粒子）。利用合适的电场，能够使电子像光波一样聚焦。电子波的波长不比X射线的波长长，而且也不像X射线那样顽固地强行穿过物质。电子会像光线那样从物体上弹起来，因而借助波长很短的电子波我们就比用波长长得多的光波更能“看”。

7年后，即1931年，鲁斯卡建造了第一架利用电子真正能“看得见”物体的显微镜。不过，为什么当时鲁斯卡没有获得诺贝尔奖呢？为什么直到1986年，即55年以后，这时他已经8O岁高龄（幸运的是，他还健在），才获奖呢？当然，第一台电子显微镜很粗糙，不能像普通显微镜那样工作良好，不过，毕竟工作原理已经形成，以后肯定能取得长足的进步。那么为什么延迟那么久才给他颁发奖金呢？

当阿尔弗雷德·B·诺贝尔（Alfred B. Nobel）1896年逝世时，他留下一笔钱，作为年度奖金，希望奖给那些在本年度作出重大发现的科学家。然而，事实表明，要想确定一年中究竟什么发现是真正重大的，这往往不容易做到。

有时有些发现最初看起来很重要，但最终证明是失败的。比如，1908年，一位法国物理学家加布里埃尔·J·李普曼（Gabriel J.Lippmann）因一套彩色照相系统而获得诺贝尔奖，但最终这套系统没有成功。1903年，一位丹麦医生尼尔斯·R·芬森（NielsR. Finsen）获得诺贝尔奖，这是由于他找到了一种用光线治疗皮肤病的方法，结果表明这根本无关紧要。1926年，另一位丹麦医生约翰尼斯·A·G·菲比厄（Johannes A. G. Fibiger）也获得了一次诺贝尔奖，因为他发现某些癌症是由一种寄生虫引起的，但是后来证明这种寄生虫与癌症毫不相干。

因而，经验告诉我们，究竟由谁获得诺贝尔奖，还是不要过早下定论为好。无论一个发现看起来可能是多么激动人心，最好还是要等一等，经实际证明以后再说。当然，也有时候一个发现看起来就肯定能够实现，那就毋需等待。1956年，两位年轻的中国物理学家发现，被称为“宇称”的某种东西不需要守恒。这就推翻了一种十分基本的物理法则，而他们在次年便得到了诺贝尔奖——而且他们的确是当之无愧的。

一般说来，总是要稍作等待。阿尔伯特·爱因斯但（Albert Einstein）在1905年用量子理论解释了光电效应，这对20世纪两大物理学发现之一的建立，起到了巨大的作用。他在16年之后的1921年才获得诺贝尔奖。（当时，他已经确立了他的另一项伟大的物理学发现——相对论，这甚至是一项更伟大的业绩，不过，却并不是他获奖的原因。）

1911年，美国医生弗朗西斯·P·劳斯（Francis P. Rous）发现了一种似乎能致癌的病毒。这是一个有实际意义而又十分重要的发现，但是直到1966年他才因此而获奖，这便是类似于鲁斯卡的另一个经历了55年的等待，当时劳斯已经86岁高龄了。

当然，有时也有些科学家因不能长寿而永远失去了获奖的机会）虽然凭他们的工作是完全有资格获奖的。1914年，一位英国物理学家亨利·G·J·莫斯利（Henry G. J. Moseley）创造出我们称之为“原子序数”的理论。它揭示了化学元素的本性，因而绝对应该获得诺贝尔奖。事实上，承继莫斯利工作的几位科学家在随后几年间就凭其工作，获得了诺贝尔奖。

然而，莫斯利本人却未获奖，这是由于一个简单而悲惨的原因。在莫斯利作出发现的当年，第一次世界大战揭开了序幕，莫斯利应征入伍。1915年，他在加利波利牺牲了，当时才27岁。一颗最优秀的年轻头脑，在一场失控的战斗中被毫无意义地扼杀了：战争真是愚蠢而无谓之举！

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惰性最强的元素
我们在地球上所见到的一切东西都是由元素化合而成的，而有些元素与其他元素相比，显得不大愿意参与化合反应。然而，在1988年年初，一位名叫W·科克（W. Koch）的美国化学家证明，即使最不合
群的元素也可以诱使它参与化合反应。
  最不喜欢结合的元素是一组被称作“惰性气体”（“惰性”一词的英文原意是“高贵”，（异调注：英文中惰性气体为“inert gas”或“noble gas”，“inert”意为“惰性的”，而“noble”意为“高贵的”）这些元素之所以被以此相称，是与它们孤傲、排他的特性有关）的元素。
  惰性气体共有六种，按照原子量递增的顺序排列，依次是氦、氖、氩、氪、氙、氡。在通常情况下，它们不与其他元素化合，而仅以单个原子的形式存在。
  事实上，这些原子对于它们自己同类中的其他原子的存在也漠不关心，甚至不愿互相靠近到可以形成液体的程度，因而在常温下，它们都不会液化。它们全是气体，存在于大气之中。
首先被发现的惰性气体是氩，1894年就被探测到。它也是最常见的惰性气体，占大气总量的1%。其他惰性气体几年之后才被发现，它们在地球上的含量很少。
当一个原子向另一个原子转移电子或与另一个原子共享电子时，它们便相互化合了。惰性气体不愿这么做，其原因是它们的原子中的电子分布得非常匀称，要想改变其位置就需要输入很大的能量，这种情况是不大可能发生的。
较大的惰性气体原子，例如氡，它的最外层的电子（参与化合反应者）与原子核离得较远。因此，外层电子与原子核之间的吸引力相对来说比较弱。由于这一原因，氡是惰性气体中惰性最弱的，只要化学家创造出合适的条件，也最容易迫使氡参与化合反应。
较小的惰性气体原子，其最外层电子离原子核比较近。这些电子被抓得比较牢固，使其原子难以与其他原子发生化合反应。
事实上，化学家已经迫使原子比较大的惰性气体——氪、氙、氡，与氟和氧那样的原子进行化合，氟与氧特别喜欢接受其他原子的电子。
原子更小一些的惰性气体——氦、氖、氩——已经小到惰性十足的程度，迄今为止任何化学家都无法使它们参与化合反应。
原子最小的惰性气体是氦。在所有各类元素中，它是最不喜欢参与化合反应的，也是惰性最强的元素。甚至氦原子本身之间也极不愿意结合，因而直到温度降到4K时，才能变成液态。液态氦是能够存在的温度最低的液体，它对于科学家研究低温是至关重要的。
氦在大气中只有微量的存在，不过当像铀与钍这样的放射性元素衰变时，也能生成氦。这种积聚过程发生在地下，因而在一些油井中能产生氦。这种资源很有限，不过至今尚未耗尽。
每个氦原子只有两个电子，它被氦原子核束缚得如此之紧，以至要想抓走其中的一个电子，比之任何其他原子而言，要付出更多的能量。面对这样紧的束缚，那么是否能使氦原子放弃一个电子，或与其他原子共享一个电子，从而产生化合反应呢？
为了计算电子的行为，化学家采用了一种被称为“量子力学”的数学体系，这是在20世纪20年代创立的。化学家科克把它的原理应用到对氦的研究中。比如．假设一个铍原子（有四个电子）与一个氧原子（有八个电子）进行化合反应。在化合过程中，铍原子交出两个电子给氧原子，从而使它们结合在一起。用量子力学进行计算的结果表明，铍原子中背对着氧原子的那一侧电子出现的几率非常小。
根据量子力学方程，如果一个氦原子参与进来。它就会与铍原子上电子出现几率非常小的那一侧共享两个电子，从而形成氦-铍-氧的化合物。
迄今为止，还没有其他原子化合反应能够产生俘获氦原子的条件，而且即便是氦-铍-氧，也只有在足以使空气液化的温度条件下，或许能结合在一起。现在对于化学家来说，必须对在极低温度条件下的物质进行研究，看看是否真能够通过实践证实理论，迫使氦参与化合反应，从而打垮这种惰性最强的元素！

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提高超导温度

科学家一般并不希望寻求尽善尽美，但有时他们也这样做。1911年，一位荷兰物理学家海克·K·翁内斯（Heike K. Onnes）把水银的温度一直降到接近绝对零度。“绝对零度”是可能达到的最低温度，等于-273℃。当时翁内斯是在测定极低温度条件下水银的导电性质。
他希望随着温度下降，电阻会有规律地减小。

不过事实并非如此。当到达绝对温度4.12K时，电阻突然完全消失了。水银的电导性成为理想的了。在温度低于绝对4.12K的条件下，一个固态水银圆环中的电流会一直流动下去，永不消失。这种现象被称作“超导电性”。

还有其他一些元素，当把温度一直往下降时，也存在超导电性。
其中有些元素所需的温度比水银还要低，有些相对来说可以高些。单一一种元素的最高纪录是放射性元素锝，在11.2K时就变成超导了。

超导电性并不仅仅是理论上的兴趣。如果电流能在超导状态下通过电缆传输，那么就不会有电阻损耗，能节省数十亿美元。利用超导性还可能产生十分强的磁体，这在建造巨大的原子对撞机时，是至关重要的。另外，超导电性在高级计算机以及当今许多其他高技术领域中也是非常有用的。

然而，还有一个困难。为了使一个固体保持在如此低的温度下，就必须把它浸在一种液体中，这种液体一达到那个温度就会沸腾。液体不可能达到超过其沸点的温度；它只会慢慢地沸腾。如果有更多的液体加进去，就能比较容易地保持十分低的温度。

在温度低于14K时，只有一种液体存在，即液态氦。在这个温度下，其他所有的物质，甚至包括我们周围的空气，都凝固成固态了。

液态氦在绝对温度达到4K时就会沸腾。浸在慢慢沸腾着的液态氦中的任何物体的温度可以一直保持在4K。然而，氦是一种稀有的物质，而且要想使液态氦的温度保持足够的低，以免很快蒸发悼，是非常困难的，这大大限制了超导电性的应用。

沸点比液态氦高一些的液体是液态氢与液态氖。氢在14～20K之间的温度时呈液态。浸在慢慢沸腾着的液态氢中的任何东西。其温度可以一直保持在20K。氖在25～27K之间的温度时呈液态。浸在慢慢沸腾着的液态氖中的任何东西，它的温度可以一直保持在27K。

与氦相比，氢要普通得多，但是氢气易爆。相对说来，氖较稀有，但是比氦要普通得多，并且像氦一样，氖和氖蒸气完全是惰性的，没有麻烦。使氢或氖保持在液态，比氦来说要容易而且省钱得多。

因而，寻找在液氢温度下显现超导电性的物质，长期以来一直是物理学家的目标。单纯一种元素已经不管用了，但是还有其他的选择。

当把固体元素（通常是金属）混合在一起，这种混合物，或者说合金，往往具有不同于它的任何单独一种组成成分的性质。当研究这些合金时，科学家发现其中一些合金的超导温度要高于任何一种纯元素的超导温度。1968年，研究人员发现了一种铌、铝、锗的合金，在21K时还能保持超导电性。随后又经过18年的研究，混合物的比例不断被调整，在1984年，一种在24K时还具有超导电性的铌-锗合金被发现了。液氢超导电性已成为可能，但这仅仅是开始。

到了1986年的最后几天，不是一个而是有两个惊人消息发布出来。
休斯顿大学报道了镧、钡、铜与氧的一种合金在40K时呈现超导电性。
但是其中有个问题。为了在如此高的温度下保持其超导电性，必须把合金放置在每平方英寸数十万磅的高压条件下。不过，贝尔实验室报道了一种在36K时并且只需在普通条件下毋需加压即具超导电性的合金。
这些报道表明，液氢超导电性似乎正朝着实用性方向发展。

要达到更高的超导温度，这完全可能。从理论上讲，78K的温度也是可能的，这就使事态发展到可以应用液态氮的程度（氮既普通又安全）。当然，理想的情况是常温下的超导电性。来日方长，总有一天我们能够做到这一点。

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打断化学键

假如你把一根大头针戳进气球．要过多久气球才会爆裂呢？不需要很久，而且这个时间可以利用高速摄像来测定。不管怎样，橡胶在压力之下裂开，总是要耗费“一点儿”时间的。

然而，假定你取一个分子。它只有十亿分之四英寸大，对它完成相当于把一根针戳进气球的动作，那么这个分子要隔多久才会断裂呢？
这个时间要比气球爆裂短得多，然而科学家现在照样能测定出来。

一个分子是由一团原子组成的。当这些原子互相靠得足够近，由于它们外层区域中的微小电子相互交叠在一起，因而使这些原子粘合在一起了。这种电子的交迭形成了一种稳定状态，倾向于保持不变。
为了保持这种状态，原子必须继续保持紧密相连。这就形成了所谓的“化学键”。

形成一个化学键的两个原子并不是保持静止不动的。在绝对零度以上的任何温度下，原子总是倾向于以随机的方式随意运动。不过，当它们被化学键绑在一起后，就不能再自由运动，但可以这么说，它们仍不断地尝试作自由运动。被化学键绑在一起的两个原子可能会作相互分离的运动，但是化学键会把它们拉回到一起来。它们会再作分离运动，但又被拉回，如此往复。因此，它们就在自己的位置上振动。
每一个原子就像是一个棒球比赛中的跑垒者，他先是跑出第一垒，但总是被严阵以待的投手掷出的球拉回原处。

化学键活像一个小弹簧。原子相互分离得越远，化学键施加的拉力就越强。然而，如果由于某种缘故，原子的分离运动超过了一个临界值，化学键就会紧张过度，像一根弹簧那样，出现断裂。这时，分子断裂，而原子获释。

随着温度升高，原子会逐渐远离得超过化学键的束缚。如果温度升得足够高，分子肯定会断裂。同样，如果注入其他形式的能量，分子也会趋于断裂。现在的问题是一旦注入足够的能量，分子断裂开的时间有多长。

加州理工学院以艾哈迈德·泽凡尔（Ahmed Zewail）为首的一组化学家在1987年首先回答了这一问题。他们的研究对象是碘单氰化物，这种分子由3个原子——碘、碳与氮并排粘连而构成。如果注入足够的能量，碘原子将分裂开，只剩下碳与氮（一个“氰基”）连在—起。

窍门在于注入能量的时间要极其短暂，短得刚好可以破坏化学键。
那么此后碘原子从氰基上裂开的时间究竟有多少长呢？

化学家注入能量的方法是采用一种短暂的光脉冲。这种光脉冲把一个电子从连结碘原子与氰基的化学键中敲出来，从而弱化了化学键（就像一根大头针弱化了气球的橡皮一样），使得碘原子自由脱离（就像气球的爆裂一样）。光脉冲的确十分短暂：只有一百万亿分之六秒。它闪烁一下就没有了。因而化学家便可等着观察受损了的化学键断裂。

那么，他们是如何描述化学键断裂期间发生的情况呢？

恰好单独存在的氰基会吸收一种特殊类型的光线而发出另一类型的光线。这种过程被称为“荧光”，可以很容易地探测到。未受损的碘单氰化物不能发出荧光，因而荧光的出现就表明化学键已经断裂，而氰基已经形成。

因而，研究人员必须先向碘单氰化物发出一束激光短脉冲，然后立即再发出第二个脉冲，等着观察是否有荧光出现。如此重复这一过程，使得第二个脉冲发出的时间与第一个脉冲之间的间隔越来越短。
最后，第二个脉冲与第一个脉冲跟得如此之紧，以至于没有荧光出现了。这就表明化学键还来不及断裂。

就这样，研究人员发现，一个化学键从受损到断裂所需的时间是2.05×10^-17秒。要使化学键断裂，碘原子必须离开氰基1.2×10^-16英寸。是否还有其他方法可以观测一个化学键断裂这一极其短暂的时间过程呢？好罢，那就让我们试一试。

光线以每秒186262英里的速度运动，这是我们宇宙中能够达到的最快速度。这是如此之快，以至于一束光线用七分之—秒便能绕地球一周，从地球到月球也只需1.25秒，从地球到更远的太阳也不过8分钟。

那么在2.05×10^-17秒内，光线走了多远呢？答案是四百分之一英寸。换句话说，一束极快的激光脉冲打在分子上，在化学键断裂以前，它只能离开四百分之一英寸。

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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。

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首次看到DNA分子

1989年，科学家第一次直接看到了一种十分重要的分子。

看到小得肉眼看不到的物体，科学家能做到这一点已经将近400年了。窍门是利用透镜迫使光线弯曲，这样就使反射光线的物体聚焦形成镜像，并被放大。用来完成这种任务的仪器就是显微镜。

随着时间的推移，显微镜也不断得以改进，直到最后它能把物体放大1000倍。这时候，科学家碰到了一个物理障碍。光线是由波组成的，其波长很短，但是，显微镜下的物体也很小。如果物体足够小，甚至小于观察它们所用的光波的波长。那么光波将会跳过它们，物体就不再能被看到了。

为了看清物体，你可以利用更短的光波，例如紫外线。因而，科学家暂且可以使用“紫外线显微镜”，但这只是一个小的进展。更短的光波最终也会不管用。

然而，到1923年，法国科学家路易斯·德布罗意（Louis de Broglie）指出，亚原子粒子也应该以波的形式存在。1925年，一位美国科学家克林顿·J·戴维森（Clinton J. Davisson）探测到了电子所产生的波。这些电子波的波长要比普通光波波长短得多。事实上，它们大约有X射线的波长那么长，但是，X射线极难聚焦，而电子及电子波却很容易被磁场聚焦。

1932年，德国科学家欧内斯特·鲁斯卡首次制造了一台仪器，用上述方法，使电子波聚焦并把物体的镜象放大。这是一台“电子显微镜”。开始时，它很粗糙，但是过了几年，就得到了改进，直到可以把物体放大30万倍。

开始时，这种仪器中的电子必须穿透物体之后才能产生一个放大的镜象，因而科学家只能使用十分薄的材料进行观察。但是，后来科学家找到了一种方法，能产生一种十分细小的电子束，并且使它在物体表面上做动作。也就是说，这个电子束能沿着物体表面摸索前进，把物体扫描下来，从而产生一个放大的影象，这种仪器便是“扫描电子显微镜”。

如今，又有一种更新的产品，利用被科学家称为“隧道效应”的方法产生电子，从而制成了“扫描隧道电子显微镜”，使得放大倍数达到了新的高度。这种显微镜可以放大100万倍，从而借助它第一次看到了脱氧核糖核酸（DNA）分子，这一工作是位于加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔实验室的米格尔·B·萨尔梅龙（Miguel B. Salmeron）及其同事在1988年完成的。

DNA之所以重要，因为它能传递生命蓝图。每一个生命细胞含有一套DNA分子，它们会不断地自我复制，把新创造出来的分子传给下一代细胞。精子与卵细胞中也存在有整套DNA，因而可以从双亲传给孩子。
每一种生物品种都具有它自己的一套DNA，而同一品种的不同个体的DNA之间还有微小的差别。

DNA的重要性最早被认识是在1944年，当时，科学家正致力于发现为何这些分子能够生成与它一模一样的其他分子。

到1953年，英国科学家弗朗西斯·H·C·克里克及其在美国的合作者詹姆斯·D·沃森找到了答案。当X射线穿过分子时，它会四面散射出去。反映在照片上就会留下很多点，这些点就是散射出来的X射线形成的。根据这样一种“X射线衍射图案”就能推算出分子的形状。经过长期而细致的工作，他们最终知道了DNA分子的结构，它是由绳子那样的两股原子拧在一起，形成一种双螺旋结构（就像床用弹簧）。其中每一股都有复杂的形状，而两股又能相互紧密地贴合在一起。

当DNA要生成另一个与它自己一样的分子时，两股螺旋开始松开，其中的每一股都会从细胞液中俘获原子小团，并且把它们排成一股新的螺旋，与原来的一股螺旋紧密地贴合在一起。换句话说，每一股螺旋都以自己为模板，为它自己制造了一个新的配偶。其结果是，每个DNA分子生成了两个完全一样的DNA分子。

由于这一发现，沃森与克里克获得了1962年度诺贝尔奖；他们的工作也被认为是巧妙的科学推理的一个胜利。他们精确地描述了DNA分子的双螺旋结构以及它们的工作过程，虽然这些情况实际上小得还看不到。

然而，沃森与克里克的工作在过了36年之后，用一台扫描隧道电子显微镜便可拍下DNA分子的照片，已经不需要巧妙的推理了。双螺旋结构就呈现在我们眼前。正如以前假设的那样，分子卷绕成螺旋状。
根据照片上的影象，可以计算出相邻两圈之间的距离，大约是五百万分之一英寸。

萨尔梅龙及其小组正计划进一步改进实验方法，看是否能够看到两股结构中更精细的细节。另外，他们也想获得其他分子的图象。

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从一个针头说起

我们都听说过，中世纪的学者们曾经辩论过究竟有多少个天使能够在一个针头上跳舞的问题，我恐怕从来没听说过这一争论的结果。
不过，如今的科学家可以向他们自己提出一个相似的问题，而得到一个令人惊奇的答案。

当我们问及天使时，我们问的是超自然的生命，这就意味着他们不受自然规律的约束。因而，每个天使，只要他愿意，就可以根本不占有任何空间。根据上述论证，那么在一个针头上可以有无穷多个天使跳舞。我不知道中世纪的学者是否能接受上述答案，不过，即使他们接受，也无法去证明这种说法的正确性。

然而，科学家要受到自然规律的约束，因而，比如当他们问及在一个针头上能够刻多少个单词时，他们知道无法刻上无穷多个。每一个字母都要占据空间，而针头上没有多大地方，因而你肯定不可能刻上很多单词。只要我们瞧瞧那个针便知道，即使刻上一个字，也是一件了不起的工作。

当然，有时我们获悉，有人设法在一个针头上刻上了主祷文。我想他们必定是使用了高倍放大镜和十分锐利的刻针，并且拥有一只十分稳健的手。他们刻上了十分微小的字母，其他人拿了高倍放大镜才能读到，“哦，主啊，真是鬼斧神工……”，感到惊叹不已。（异调评：病句。）

然而，当今的科学家又有何作为呢？他们可以不用刻针而使用一种高度聚焦的电子束。利物浦大学的研究人员报告说，他们使用了如此高度聚焦的电子束，以至于可以刻出只有2个原子宽的一条线。这样的一条线是如此之细，以至于可以在一条普通铅笔线宽的线条中并排刻出100万条线。当然用手不可能做到这一点。最轻微的一点颤抖就肯定会把这些线搞得模糊不清，所以电子束必须在一台计算机的控制下工作。

现在让我们来考虑一个针头。一个普通针头的宽度大约是五十分之一英寸。其中所含的原子是如此微小（宽度小于一亿分之一英寸），以至于在那样的针头上可以排上4万亿个原子。

假定我们把所有这些原子排列成很多小方阵，每个小方阵的边线由12个原子组成，也就是说，方阵中共有144个原子。在针头上共有280亿个方阵，在每一个方阵中可以刻上一个字母，而有些方阵可以空出来，留作字母之间的空格。

由于每个单词平均有六个字母（已把两个单词之间的空格计算在内），那么280亿个方阵可以填人47亿个单词。

这是一个非常巨大的数字。我估算了一下手头的《大英百科全书》，大约有5000万个单词。这意味着我们可以把整部《大英百科全书》印在比一个针头的1%稍多一点的空间中。如果你把每个字母的长宽再各放大10倍，那么仍然可以把《大英百科全书》挤印在一个针头上。

利物浦大学的科学家已证明，的确可把百科全书中的一页篇幅以足够小的尺寸刻在针头上。如果他们继续刻下去，的确可把整部百科全书刻上。（当然，除了证明他们的技术是何等精良外，把整部百科全书刻在一个针头上并无多大意义。）

更加有实用意义的用途是，电子束可以用来作为一种分析工具，告诉科学家在特定位置上有何种元素。这样，可以应用的一个研究课题是，一批批超导材料的性质随着其中元素的配比的变化而产生的微小变化。电子束聚焦在半导体之间的边界上，从而使得其中的原子发出X射线。X射线的准确波长取决于其中存在的元素的性质；用这种方法，电子束可以识别其中的不同元素，以及每种元素的精确含量。

这类分析方法可以告诉我们关于超导电性的许多知识，并帮助我们在各种技术领域中进行应用，从而彻底改变我们的社会。

在我看来，那种在材料上精雕细刻的技术可以用来制造计算机集成电路中的微电路。可以轻而易举地把数十亿个电路排布在一块边长只有0.25英寸的集成电路中，再使用超导材料，避免产生无用的热量。这样，真正的复杂的思维机器就能制造出来，这就意味着像我们自己一样聪明（或许更聪明）的人工智能诞生了。当然，我们是否愿意去做，这是另一回事了。

magic_kok

超临界

问：既非液体又非气体，但又兼有两者的一些性质，这是何物？

答：“超临界液体”，现在科学家正在学会如何很好地应用它。

在通常情况下，液体与气体全然不一样。液体具有固定的体积；
你可以在一个容器中注入一半的液体。但是，气体却没有固定的体积；
它总是会充满整个容器。

液体能够溶解固体和其他液体，但气体却不能。

液体的密度远比气体大，液态水的密度约是气态水（水蒸气）的1250倍。换句话说，1夸脱（译者注：夸脱，英美制液量单位。1夸脱约合1.136升（英）或0.946升（美））水的重量约是1夸脱水蒸气的1250倍。

通过加热，你可以把液体变为气体。当你把水不断加热，最终会使它达到沸点，并且化为蒸气蒸发掉。在海平面的正常条件下，水的沸点是100℃。

不过，如果你想不让水在100℃沸腾的话，你必须对它加压，目的是压住水分子——姑且这么说吧！当温度继续上升时，为了使水不沸腾，你必须施加越来越大的压力。最后，当温度足够高时，再高的压力也不能阻止它沸腾了。

无论压力多大，只要达到某个温度以上，液体就会沸腾，这个温度被称作“临界温度”。水的临界温度是374.2℃。当在临界温度时，恰好还能使水保持液态的那个压力，被称作水的“临界压力”。它大约是标准大气压的218.3倍。

当温度与压力高于上述数值时，就能得到“超临界水”。与水蒸气相似，它没有固定体积并能充满任何容器。然而，它的密度远比水蒸气高，事实上是液态水密度的三分之一。而它最令人惊奇的性质是，它能像液态水一样溶解物质。

每一种液体都有它自己的临界温度和压力，其中有比水高的，也有比水低的。这一现象是在1869年首先由爱尔兰化学家托马斯·安德鲁斯（Thomas Andrews）发现的。例如，二氧化碳的临界温度是31℃，临界压力是72.85标准大气压。氢的临界温度是-204℃，临界压力是12.8标准大气压。

当然，在地球表面的普通情况下，自然界中不可能存在超临界液体。但是，超临界液体会在行星中心存在，那里的温度与压力已经足够高。例如，巨行星木星的内层是由大量超临界氢所组成的，其温度高达几万摄氏度。

在实验室中，科学家已经能够产生足够高的温度和压力，以至形成超临界液体，美国缅因大学的化学工程师埃尔多安·希兰（Erdogan Kiran）设计了一个钢罐，其中的压力可高达1000标准大气压，同时温度也可以足够高，从而生成超临界液体。通过由一种透明的、坚硬的合成物所制造的一个半英寸厚的窗口，你甚至可以观察到物质在超临界液体中溶解的现象。

有些物质比另一些物质更加容易在超临界液体中溶解，这跟普通液体是类似的。因而，可以利用超临界液体把一种复杂混合物中的某部分物质提炼出来，而把其余的物质留下。不过，如果超临界液体太热，它所溶解的物质的分子就会遭到破坏，甚至留下的物质的分子也会被破坏。

超临界水肯定太热，不能用它提取物质而又不破坏那些物质，特别是那些“有机物”，它们的分子巨大并且很不牢固。这样说来，为什么不用超临界二氧化碳呢？它的临界温度低得多，而且达到超临界状态所需的压力也比较小。

在德国，超临界二氧化碳已被用来从咖啡豆中提取咖啡因。这时，超临界二氧化碳刚巧只能把咖啡因提取出来，其余物质原封不动。

普通的液体溶剂会把其他物质成分连同咖啡因一起提炼出来。此外，还可能会留下微量的普通溶剂，长期使用也许是有害的。

然而，当把超临界二氧化碳（里面溶有咖啡因）去掉后，不再留下任何东西。最后，当把压力解除后，任何留下的超临界液体都会转化为气体消失掉。这样制成的脱去咖啡因的咖啡就会保持原味。

可以预计，超临界液体可被用来完成其他提炼过程，而且高效无害。或许可以把土豆片中的油提炼出来，留下低热量的土豆，并且不损害它的味道。鱼的腥味可能是由鱼油引起的，也可以把这种油去掉，而不改变它的营养成分。超临界液体还可望用于药品提纯，以及应用于对蛋白质、核酸和其他复杂分子的研究工作。

cayuer

好详细 有点象论文了

nzzl211

太多了.有点烦.