生涯，并被认为不适合于在大学工作。：大凡创新者都会与评审人之间有麻频， 阿伦尼乌斯也不是空前绝后的。然而，19年后的1903年，阿伦尼乌斯被授予 诺贝尔化学奖。可这位物理化学奠基人的反常态度显示，他为自己没有获得诺 贝尔物理学奖感到十分震惊，因为他一向自认为是一位物理学家。 阿伦尼乌斯年轻时代的伟大成就是认识到并验证了一种观点，即构成盐的 原子溶于水时会分解成为电荷的形式，可称之为离子。这一思想的形成出自于 在实验室里系统地逐渐稀释溶液时电导率变化的研究。这一研究的物理评价参 量在于，尽管随着溶液的稀释，绝对电导率是下降的，但分子电导率却上升， 即每一溶解的原子或离子相对于溶液的平均电导率而言更为高效。阿伦尼鸟斯 还认识到，促进离子的电离不一定需要电流。这些观点，今天我们看来是何其 简单，但在当时的确需要巨大的创造力。 正是阿伦尼乌斯关于离子电离的工作，使他与奥斯瓦尔德走到了一起，他 也因此而成名。奥斯瓦尔德多很快接受了他的观点并成就了他的事业。阿伦尼 乌斯和奥斯瓦尔德一起资助了被称之为“离子学家野战军”的可笑德国化学 家。他们被这样称谓是因为(Crawford,996)“他们认为参与溶液巾化学反 应的仅仅是离子而不是离解的分子”。因此，离子学家成为“改革德国化学这 一运动中骁勇的哥萨克，这将使化学更具有分析性和科学性”。无论是在欧洲， 还是在美国，离子学家都遭受到了多数化学家们的广泛反对。但也不乏支持 者，这主要是来自于美国。奥斯瓦尔德已将他的思想灌输到了他的许多美国研 究生头脑中[许多人最初是受到奥斯瓦尔德频有影响的教科书《普通化学教科 书(Lehrhuch der Allgemeinen Chemie)》的吸引]。 后来，在19世纪90年代，阿伦尼乌斯转向于其它研究兴趣。有趣的是， 今天的材料科学家想起他不是因为他关于离子的概念·〔人们对这一概念太熟悉 了，以至于很少有人再去关心它是由谁首先提出的)，面是非常崇拜他那关于 化学反应速率的“阿伦尼乌斯方程(Arrhenius equation)”(Arrhenius, 1889),即方程中广为人知的指数温度关系。实际上，这个方程是由范特霍夫 首先提出的，但阿伦尼乌斯声称范特霍夫的推导不够严谨，所以现在被称为阿 伦尼乌斯方程，面不是范特霍夫方程（范特霍夫在任何情况下都是一个低调和 与世无争的人)。 研究溶液中离子的另-一位著名科学家是瓦泽·能斯特(Walther Nernst)。 他的研究领域大幅度地摇摆于物理学和化学之间，很难界定他究竟专心于哪一 领域。这是19世纪德国学生中的典型风格，希望不断地更换大学（苏黎世、 柏林、格拉茨、维尔茨堡)，他起初对玻耳兹曼(Boltzmann)关于统计力学 和化学热力学的思想感兴趣，但未能善始善终。直到1887年，他倾心于奥斯 瓦尔德的魅力，应邀加盟奥斯瓦尔德在莱比锡大学的研究。能斯特将电化学理 论作为他的研究主线，并在一段时间后完成了一部名为《理论化学(Theore- tische Chemie)》的专著。Mendelssohn(1973)评论说，加上奥斯瓦尔德、阿 18 走进材料科学
伦尼乌斯、玻耳兹曼这些人强势的肖像简图和其它物理化学的关键图，能斯特 的著作显得丰富多彩。在9.3.2节，我们还将提到能斯特。 在物理化学发展的早期，奥斯瓦尔德不相信原子的存在，但却鬼使神差地 被卷入了“离子学家野战军”。他坚持他的怀疑观点。19世纪90年代，在那 些假设原子存在之处，他却坚持一种所谓“能量学”的含混不清的理论。那 时，在没有原子的溶液中离子是如何形成的也完全不清楚。最终在1905年， 爱因斯坦(Einstein)严谨，详细地展示了Perrin所研究的布朗运动，可以根 据带有运动分子的尘埃相互碰撞来解释（见第3章，3.1.1节）。至此，奥斯 瓦尔德的态度缓和了，也公开承认了原子的存在。 在英国，讲授离子学家们的观点会同时遭到化学家和物理学家的猛烈枰 击。Dolby(l976a)曾在他题为“异议的研究：溶液理论的争辩[Debate on the Theory of Solutions:A Study of Disseut]”一文和一部著作的章节 (1976b)中回顾了上述情况。这种阻力持续了相当长的时间，因此，Doby引 用了著名的英国化学家Henry Armstrong(1848-1937)的观点来阐述。Arm strong(1936)在奥斯瓦尔德辞世的4年后说道：“事实土，自从阿伦尼乌斯的 理念一介人，化学家们就被分裂成为两个学派…类新人进人了我们的领 域，这些人没有实验室的知识却拥有运用自如的数学基础，所以被曲线的吻合 带入歧途。”：而在此之前的近50年，即1888~1898年间，Armstrong就首次 与离子学家们的观点过不去。Doby对此评论说，Armstrong是“一个极端的 个人主义者，他水远不会向科学圈子的社会压力低头或追随科学潮流”。根据 Servos的记载，英国物理学家F.G.Fitzgerald却说他“没有资格去质疑实用 物理学的离子学家们”。每一门新学科总会遭受像Armstrong和Fitzgerald那 样的争执，材料科学也不例外。 由于奥斯瓦尔德的44个美国学生的影响，物理化学在美国得到了迅速发 展。这些学生包括Willis Whitney.,他为通用电气公司(GE)创建了美国第 一个工业研究实验室(Wis,I985)。还有，这个实验室的诺贝尔奖获得者Ir ving Langmuir。Langmuir最初学的是治金专业，后从事气体和表面的物理化 学研究，这方面的研究为工业革新带来了令人鼓舞的影响，尤其是白炽灯的发 明。工业历史学家Wise(1983)曾在一篇评论中概括了上述两位和其他在通用 电气（公司）的科学家们的影响，短文的题目是“工业部门的离子学家们：物 理化学在通用电气公司(1900~1915)[Ionists in Industry:Physical chemis- try at General Eleetric(19001915)]”。另外，Wise在这里强调：“离子学家 们能够接受原子假说，其中的一些人也的确是这样，但他们并不认为这是必要 的。”按照Wse所述，“对于这些先驱们来说，一个离子不过是一个不完整的 原子，这在后来被科学家所证实”。通往认知的道路是漫长面曲折的。美国人 接受这一门新学科的过程后来也成为Servos(1990):历史研究的主题。 20世纪初，物理化学作为新的学科得到承认有两个标志：它的三个奠基 第2章学科的出现 19
人赢得了诺贝尔奖和美国工业界令人鼓舞的实证。当然，第三个标志就是物理 化学作为学科在大学里的设置。19世纪末，奥斯瓦尔德的学院积极推进物理 化学这一名词的使用。：在美国，奥斯瓦尔德的另一位学生、伟大的化学家 W]iam Noyes(1866~1936)经过多年卓绝的奋斗，在麻省理工学院(MIT) 建立了物理化学学科。在20世纪初的时候，基础研究在M1T还不为人们所重 视。正如Servos所详细描述的，Noyes不得不投入自已的钱在MIT建立一个 物理化学的研究生院。最终，他的努力使他精疲力竭，于1919年离开MT搬 迁至美国西部的加利福尼亚，与大师Gilbert Lewis(18751946)等人一起来 建立物理化学学科。Servos还写道，Noyes搬迁到Pasadena之时，正像新英 格兰因其科学而闻名一样，加利福尼亚州因盛产柑橘而闻名，当然这没多久也 就改变了。在美国，大学里院系的名称是次要的，一门学科被接纳与否取决于 是否创建有研究生院。而在饮洲，院系的名称则更为重要。许多主要的大学， 如剑桥大学和布里斯托(Bristol)大学都创办了物理化学系。其余的大学则将 化学系再分成几个二级系，物理化学则是其中的个二级系。在两次世界大战 之间的这段时期，物理化学学科已经在欧洲和美国的大学里稳固地发展起来。 新学科是否被承认的另一个标志是成功地创办有新的、本学科的学术期 刊。这通常是通过将新学科向现有期刊的逐步渗透来实现的。长期以来，领衔 美国化学界期刊的一直是《美国化学会志(Journal of the American Chemical Society,.JACS)》。根据Servos的统计，1896年的时候，JACS上关于物理化 学的论文仅占5%，十年之后增加至15%，到20世纪20年代中期，超过了 25%。第二个物理化学期刊是由奥斯瓦尔德在德国于1887年创办的，也就是 他搬迁到莱比锡大学这个研究基地的那一年。这个期刊的原名是《物理化学汇 (Zcitschrift fur physikalische Chemie,Stochiometrie und Verwandtschaft dehre)》(最后一词是研究相互关系的学问的意思)，首页上有Bunsen的肖像。 九年以后，也是奥斯瓦尔德的一个美国学生Wilder Bancroft(I867~ l953),继《物理化学汇刊(Zeitschrift fur physikalische chemie)》之后，在 美国创办了《物理化学(Journal of Physical Chemistry)》。Laidler(1993) 和 Servos(I990)两人对这本期刊的“坎坷经历”都曾作过分析。Bancroft(他在 康奈尔大学度过了半个多世纪)似乎是一个不易相处的人，具有另类的幽默 感。在一次博士研究生的答辩过程中，他问答辩人：“水里面什么东西能灭 火？”学生在给出的几个答案都被香决后，越来越祖丧，而Bancroft说出的正 确答案却是“消防船”。任何一位科学撰稿人都会觉得，作为期刊编辑，这样 的所作所为是很不尽人意的，更何况是作为主考的教师了。这里没有篇幅来 讲述Bancroft的择癖个性（可请教Laidler),但是包括Noyes在内的许多美 国物理化学家都不堪忍受他本人和他的编辑鉴赏力，以至于共同抵制他的期 刊。这使得期刊陷入财政危机，曾经一度要依靠Bancroft来掏个人的腰包来 支撑运行。到了1932年，财政问题也就走到了尽头。在Bancroft试图续签 20 走进材粒科学
编辑合同之时，美国化学学会收购了期刊。用Laidler的话来说，“名目繁多 的讨价还价致使Bancroft丧失了作编辑的权利，也导致了创办一本新的重要 期刊《化学物理(Journal of Chemical Physics)》,它于]933年间世”。这本 期刊最初是由Harold Urey(1893~1981)担任编辑的。Urey由于氘分离的 成就，迅速于1934年获得了诺贝尔化学奖（也许是物理学奖更合适）。Urey 曾提到，那个时候在《化学物理(Journal of chemical physics)》上发表论文 是“埋没在无幕碑的坟墓里”，因为几乎没有物理学工作者阅读这本期刊。 这本新期刊也得到了美国化学学会的鼎力支持，虽然它旨在于针对物理学工 作者们。 时至今日，《物理化学(Journal of physics chemistry)》和《化学物理 (Journal of chemical physics)》这两个期刊仍旧并肩绽放，和膝发展。我曾经 试问过这方面的专业同事，这两个领域的终极目标究竟有何区别？大部分人对 此都只能说抱歉。有人认为，化学物理的提出是在量子理论开始影响人们对化 学键和化学过程理解的时候，以此作为手段来确保化学家们对量子力学的适度 关注。很明显，许多优秀的专家学者在这两种期刊的阅读和发表文章上是不偏 不倚的。有证据表明，正是由于对《物理化学(Journal of physics chemis- try)》的水平日渐衰落的失望，才于1933年创办了《化学物理(Journal of chemical physics)》。更换了主编后，《物理化学(Journal of physics chemis try)》的水平迅速得以恢复。然而，一个被寄子厚望和捧红了的新期刊一日发 行，也不可能轻面易举地就销声匿迹，所以《化学物理(Journal of chemical physics)》还得往前走。《化学物理(Journal of chemical physics)》的封二上 这样写着：“《化学物理(Journal of chemical physics)》的目的是在物理学期 刊和化学期刊之间的空当地带搭建起衔接的桥梁。物理学和化学之间被人为划 分的边界实际上现已完全消除。一个庞大而活跃的群体所从事的研究丝毫不比 从事物理学和化学研究的人逊色，这一群体正是本刊拟服务的主要对象”。 《化学物理(Journal of chemical physics)》的创刊号上发表了F.G.Fooe 和E.R.J」ette关于FeO缺陷结构的-篇论文，后来被普遍认为是一篇经典之 作。Frank Foote(1906~1998)是位冶金学家，后来因其对曼哈顿计划和核治 金上的贡献而闻名于世。由此说来，化学物理是绝对不会将治金学拒之门 外的 值得注意的是，“化学物理”虽然拥有自己独立的期刊，但并未享有其它 公认学科所享有的大部分待遇。例如，尚未有大学将院系由它来命名。至少像 这样的观点并无不妥，那些自认为是化学家的人喜欢在《物理化学(Journal of physics chemistry)》上发表论文，而自认为是物理学家的人则更愿意把文 章发表在《化学物理(Journal of chemical physics)》上（外加少量既不是物 理学家也不是化学家的人)。但我的印象是，理论化学家更青睐于《化学物理 (Journal of chemical physics)》。特色不鲜明者的去向则难以抉择。 第2章 学科的出现
物理化学和化学物理奇异历史的最后阶段是在1999年，又出现了一本新 的期刊。这就是《物理化学·化学物理(Physical.Chemistry Chemical Phys- ics,PCCP)》。它的副标题是：“欧洲化学学会期刊(A Journal of the Europe~ an Chemical Societies)”。《物理化学·化学物理(Physical Chemistry Chemical Physics,PCCP)》的产生标志着：“这两本完善面经典的期刊与《法拉第汇刊 (Faraday Transactions)》和《本生学会通报(Berichte der Bunsen-Gesell- schaft))》的融合，而《法抗第汇f刊(Faraday Transactions)》和《本生学会通 报(Berichte der Bnsen-Gesellschaft)》分别是英国皇家化学学会和德国本生 物理化学学会(Bunsen-Gesellschaft fur Physikalische Chemie)的物理化学代 表牲期刊…。”其它几个欧洲化学学会也参与创办了这本新刊物，它拥有由 12人组成的“学院”一样的编辑部。这一发展似乎宣告两个姊妹学科经历了 66年分离之后的重新统一。 有必要提及的是，在物理化学得到承认与发展的过程中，曾经起过关键性 作用的另一刊物。事实上，它也是新诞生的《物理化学·化学物理(Physical chemistry chemical physics,PCCP)》前身之-。l903年，法拉第学会在伦敦 成立，它的宗旨是“促进电化学、电冶金学、化学物理、金相学和相近学科的 研究”。I905年，《法拉第学会汇刊(Transactions of the Faraday Society)》 开始出版。尽管它的宗旨中并未提及“物理化学”，但是《法拉第学会汇刊 (Transactions of the Faraday Society)》总是发表占据多数的物理化学方面的 论文。期刊中包含有以“法拉第讨论”为专栏的不定期报道。在极其特殊的情 况下，所有的文章都提前发表，以便使学会的会议能够充分地集中于有重大争 议的问题上。自从1947年起，这些“法拉第讨论”一直作为独立的系列发表， 某些文章在同行中影响卓著，诸如1949年和1993年的“关于晶体生长的讨 论”。最近，它的第100卷专门为庆视物理化学面发行(Faraday Division, l995),包括了John Polanyi所著的终结式评述：“发现是怎样完成的？为何这 是至关重要的？” 关于物理化学的出现，Servos曾经这样说过：“物理化学是在与物理学19 世纪后期的学科结构竞相抗争中诞生的，但它迅速赢得了自身作为一门独立学 科所需要的所有标志。从19世纪80年代形成框架之后，便爆炸性地发展起 来。到了1930年，已经派生出有六种以上的专业…”。这何等完美地展示了 学科形成的“分裂产生”模式（分裂并不仅限于两次）。然而，这些分支专业 无一能够达到成为一门完善键全学科的程度，而物理化学（以及它的变异 化学物理)已经发挥着保护伞的作用，麾下覆盖、笼罩着大量的科学活动。 潜在作为新学科被人们认可的另一标志是这一学科教科书的出版。在这一 点上，物理化学经历了很长的时间才得以“实现”。一位杰出的物理化学家在 他的自传中写道(Johnson,1996),1937年是他在剑桥大学攻读化学学位的 最后一年，“很不幸，那时没有可用的英文的普通物理化学教科书，因此必须 22 虑进材料科学