大学化学, 2021, 36(4): 2102051-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202102051

专题

物质结构的摇篮——从张乾二在厦门大学求学任教科研谈起

林梦海,, 郭晓音

A Few Stories of Professor Zhang in His Youth at Xiamen University

Lin Menghai,, Guo Xiaoyin

通讯作者: 林梦海, Email: linmh@xmu.edu.cn

收稿日期: 2021-02-25   接受日期: 2021-03-1  

Received: 2021-02-25   Accepted: 2021-03-1  

PDF (1213KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

林梦海, 郭晓音. 物质结构的摇篮——从张乾二在厦门大学求学任教科研谈起. 大学化学[J], 2021, 36(4): 2102051-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202102051

Lin Menghai. A Few Stories of Professor Zhang in His Youth at Xiamen University. University Chemistry[J], 2021, 36(4): 2102051-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202102051

1 考入厦大化学系

1947年张乾二毕业于厦门集美中学。毕业后他要继续上大学深造,而厦门考点招生的只有福州协和大学和国立厦门大学。他向惠安老乡打听,老乡告诉他:厦门大学最好的工科是机电系、理科最好是化学系,最终填报的升学志愿是厦门大学化学系。

当时厦门大学是综合性大学,文、法、理、工、商科齐全,共有18个系,又是国立大学,全国招生,报考人数很多,几千人报考才录取三百多名。招生最多的机电系,也只录取36名。化学系录取新生共18名,其中正取生12名,张乾二以优异成绩排在正取生之列。

厦门大学于1921年创建、1937年已初具规模,但是校舍在抗战中遭受日军狂轰滥炸,许多教学楼、实验室、宿舍夷为平地。只有群贤楼群因成了日军的兵营而留下,抗战胜利后用来关押日本战俘,一时还退不出来。校方只得在鼓浪屿借用田尾小学校舍、八卦楼等处为教室,日本领事馆为办公楼,男生宿舍设在博爱医院,女生宿舍设在慈勤女中,成立了新生院。张乾二为进入新生院的第三批新生。

2 主修化学辅数学

新生院秉承厦门大学严谨求实的学风和严格的纪律秩序,其显著的特点之一是重视基础课教学与通识教育。大一、大二时国文、英文为全体学生必修;文、法、商科学生必修自然科学概论;理工科学生必修政治学或经济学。其次,学校选派知名的教授、副教授授课,如刚从英美回国不久、应聘到厦门大学的卢嘉锡,就负责为化学系和数理系讲授“普通化学”。学校还很重视对新生选修课的指导。每年新生注册入学后,都安排一至两天为选课时间,由各学院院长和系主任向学生介绍基础课和专业课的内容、学时、学分、讲义、参考书以及任课教师简况,指导新生选修。第三,是坚持课程水准,严格考查制度和学分制,对学生升留级采取淘汰制。

化学系新生每周一测验英文和高等数学或微积分;每两周必定测验普通化学或国文,还布置实验或作业。一年级新生经过一年紧张的学习,一些同学修满学分即升入二年级,转入校本部就读;一些同学或被淘汰退学,或转院转系学习。张乾二就读一年级时,化学系注册同学实际21名,到二年级只剩下7名。这些规定,促使一年级新生努力完成课程,对打好专业基础起到很大的作用。对于大学的课程,特别是微积分,张乾二学得相当轻松。因此星期日考查时,他总是很快就做完试卷出考场,同学们出来后都找他对答案。

张乾二回忆起大学一年级时听卢嘉锡的普通化学课:“他从元素周期开始讲,按照元素周期的变化讲了许多。但是他强调这些只是一般的规律,他还专门讲一些不同于元素周期规律的东西。我记得他讲过沸点上升、冰点下降的反常现象,还举了氨与水的例子。他说,‘做科学研究要寻找更深奥的东西,不但找那些我们所能解释的东西,还要去找那些我们所不能解释的现象’。他说按照我们的常识所不能解释的现象,这里头一定包含有新的科学内容”。抗战胜利后,一些从北方撤退到南方的教授纷纷回去,学校师资日渐单薄,尤其缺乏知名教授。化学系系主任卢嘉锡到处物色师资,力邀方锡畴、吴思敏和钱人元等来厦门大学任教。一时,化学系增加了好几位教授。化学系久经战乱,保存下来的化学设备陈旧、药品匮乏,卢嘉锡感到身上的担子非常沉重,抱着重振化学系的决心,竭力奔走。1946年暑假,卢嘉锡在学校的支持下争取到一笔经费,亲赴台湾采购,几经周折,总算在台北采购到一批药品,以解燃眉之急。1946年日本俘虏撤走,群贤楼群归还学校,修复后学校把囊萤楼改作理化实验室,一楼是化学实验室。上实验课时,张乾二这批一年级新生,要从鼓浪屿坐船来校本部做实验。

张乾二大二转到厦门岛校本部上学。这里的条件比新生院好一些,主要是教学楼比较集中。抗战前化学系有一栋三层的化学楼,里面实验室、教室、资料室、会议室,以及玻璃加工等设备一应俱全。生物系有一栋四层的实验大楼。这两栋楼抗战中被日军炸成一片废墟。现在本部虽然只剩六栋楼,但安排得十分紧凑:群贤楼中间是图书馆,两边一是教务处、一是总务处。二、三楼是阅览室和校长办公室。群贤楼后面还加了一块,做图书馆书库。同安和集美两栋楼是教室,理科所有实验室都挤在囊萤楼(图 1)。

图1

图1   1948年,化学系学生在囊萤楼做实验

潘容华供图


张乾二大二时选修的“有机化学”是由方锡畴讲授。方锡畴讲课除了材料新颖以外,吹制玻璃技术还十分高明:只用一盏喷灯、几根玻璃管、一个小锯片,就能吹制出整套玻璃设备……钱人元开设的“现代化学”、卢嘉锡开设的“统计热力学”等都是当时国内少人开设的课程,张乾二在本科阶段、在国内就接触到国际学术的新领域、新思想,实在是一种难得的机会。

大三时,张乾二听卢嘉锡讲授的“物理化学”课,这门课的热力学第二定律被公认是抽象难懂的。由于对教材融会贯通,卢嘉锡善于化难为易。一开始在介绍热力学的经验说法时,内容极其精炼,每一句都用得很贴切,既不多又不少。以后接着介绍热力学的准确定义时,他用铿锵有力的音调,一下子把热力学的严格定义烘托出来。接着他通过严密的数学推演,导出基本公式,最后辅以实例运算。讲课条理清楚、层次分明,给学生留下深刻的印象。

当时厦门大学实行主辅修制。张乾二觉得自己学习化学系的课程外,还有余力,他从小喜欢数学,就辅修了数学系的课程。他到数学系听方德植、李文清的课,还关注有关的数学研究报道。一次习题课,李文清出了一道印度数学家刚解出来的古老难题,下课时一张张试卷交上来,他越看越失望,学生们基本都没有做出多少。突然李文清眼前一亮,一张写得密密麻麻的试卷出现在面前,而且答案正确,卷上姓名是化学系张乾二。这令李文清感到十分惊奇,赞叹张乾二的对数学研究的关注和灵敏的思维。

1950年夏,美国派兵侵略朝鲜的同时,命令其第七舰队开赴台湾海峡。此时,地处海防前线的厦门大学,不断遭到妄图“反攻大陆”的蒋介石军队的空袭和炮击,教学工作受到很大干扰。教育部决定,厦门大学理工两院暂时疏散到闽西龙岩办学。考虑到工学院大型仪器多,决定搬到龙岩城关,理学院搬到龙岩郊区的白土乡。

1951年3月,理工两院师生分批于3月份,先乘汽轮到漳州石码,上岸后除教授和老幼病弱者,全体师生均肩挑行李徒步行军。当时已进入大学四年级毕业班的张乾二,跟随理学院的同学一起步行到龙岩白土上课。回忆当时在白土乡学习的情形时,他说:“那时生活够艰苦的,我们从厦门一直走到白土,大概走了四五天,行李都得自己背,到达后就复课了。实验条件很差,当地没有自来水,一位叫方明俤的老职工就用竹筒把山上的泉水引下来供实验用。在龙岩白土当中学老师的林硕田校友,担任理学院办公室主任。他做了很多工作,帮助解决师生住宿和教室安排等问题。当时在一座古庙里上课,也有用竹子搭成竹棚当作教室的。学生生活很艰苦,平时脚上穿的都是木屐”。当时学校没有大钟,大多数学生也没有手表,全靠木屐声来判断时间:早上听到远处、近处不断有木屐声,就知道该起床了,吃完早餐,听到一片急促的木屐声,就知道要去上课了。

理工两院师生在龙岩整整待了一年,到了1952年2月随着厦门海防日益巩固,两院师生奉命调回,月底回到厦门。在理学院内迁龙岩办学期间,张乾二也顺利完成了化学系本科学业。他四年中一共修习了25门公共必修课、选修课和专业基础课,其中一批必修的专业基础课取得了优秀的成绩。如一年级的“初等微积分”,二年级的“定性分析”“普通物理”,三年级的“理论化学实验”“理论力学”成绩都达优等。

3 师从嘉锡学结构

早在20世纪30年代,卢嘉锡远渡重洋到英国伦敦大学留学,师从萨格登教授,从事人工放射性研究两年,1939年获博士学位。当时抗战无法回国。经萨格登介绍,卢再转到美国,在著名结构化学家、诺贝尔奖获得者鲍林实验室工作多年。他提出一种处理衍射点的图解法,成为国际上进行晶体分析领先的几位科学家之一。抗战一胜利,卢嘉锡马上乘坐几百吨的客货混装船,不畏艰险赶回祖国。1946年卢到厦门大学执教,出任化学系系主任。

1951年,经卢嘉锡举荐,刚从英国伦敦大学学成归来的陈国珍接任厦门大学化学系系主任,卢嘉锡则出任厦门大学副教务长兼理学院院长。这年秋季,卢嘉锡主持的化学研究所自定名额,招收了两名研究生:张乾二和卢宗兰。

卢嘉锡独自一人,先后为研究生讲授了“物质结构”“量子化学”“热力学”“统计热力学”“晶体学”和“现代晶体学”等六门课程,其中如“物质结构”“统计热力学”“现代晶体学”等都是他在国内率先开设的课程。当时卢嘉锡身兼数职,还有社会活动,只能在夜间备课到深夜。第二天一早,他总是提前来到化学楼,拿着参考书与两张小纸片,神采奕奕地登上讲台。不管前一天多累,一上讲台他的精神就上来了,滔滔不绝地连讲两节甚至三节课。每节课内容都十分饱满和精彩,中间还穿插提问和讨论。张乾二觉得他上课十分生动,自己听课是一种享受。下课后,卢嘉锡还要布置作业、安排实习与辅导。当时听课的除了两届研究生外,还有外地来的进修教师,为了照顾资历较高的进修教师,卢嘉锡还经常为他们做个别辅导。

除了卢嘉锡讲授的专业课外,张乾二等研究生还修了高等数学、第一外语、第二外语、政治等课程。当时的研究生并不是单纯按导师要求研习相关课程,而是担任“研究助理”,即一面听导师开设的“量子化学”“物质结构”“统计热力学”等专业课程,一面还要辅导本科生教学或指导实验等。卢嘉锡为张乾二等研究生安排了“书报讨论”“生产实习”和“教学实践”等综合性的信息与技能的实践课。对于“教学实践”,物构教研组执行相当严格的“试讲”制度。当时张乾二等研究生担任本科生“普通化学”的实验指导,卢嘉锡要求研究生先做一两遍实验,然后进行“试讲”。卢嘉锡必定全程听取,并对每个实验细节进行提问和检查,对于板书的字体大小、布局都一一指导。而所有参加辅导的研究生都要在旁边旁听同学的“试讲”,达到共同提高的目的。

张乾二还担任卢嘉锡“物质结构”课的教学辅导。当时的“物质结构”课程安排两个学期,每学期72学时,内容涵盖量子力学基础、原子结构和光谱、群论与对称性、分子结构、分子振动与光谱、X射线衍射、晶体结构。卢嘉锡上课生动活泼、深入浅出,学生十分喜欢。他不仅重视课堂教学,也重视课堂实习与习题练习。他觉得学习物质结构,需要空间想象力,就设计了一种打孔器,可以夹住木球、旋转角度,用来制作分子和晶体模型。张乾二等用这打孔器做了不少模型(图 2)。卢嘉锡还从外地订购了一套木制多面体模型。有些是正多面体,更多的是多面体这里削去一个角,那里减少一个顶点,使多面体的对称性急剧下降。卢嘉锡讲完对称性,张乾二就带领学生看木块模型,寻找对称轴、对称面……

图2

图2   20世纪50年代,张乾二等制作的分子结构模型


卢嘉锡不仅教导研究生掌握科技知识,还将他炙热的爱国之心感染给学生。他说:“印度很早就有人获得诺贝尔奖——发现分子光谱的拉曼,但是印度现在的科学水平怎么样?所以不是说这一个人得到诺贝尔奖后就怎么样了,而要看整个国家的这个科技水平。那怎么才能把水平提上去?首先就要搞教育,我们每一个人都要努力培养人才。”他让自己精心培养的研究生毕业后到教育比较落后的内蒙古、大西北去。卢嘉锡对无机化学、有机化学都十分熟悉,化学直觉性很强。他的“理论与实验、化学与物理、结构与性能三结合”的治学方针对张乾二的学术思想影响很深,这也成为他日后从事科学研究和教学工作的座右铭。在研究生学习期间,张乾二在卢嘉锡的悉心指导下做实验解结构,如鱼得水,获益甚广。

1954年7月,张乾二、卢宗兰研究生学业期满毕业,王亚南校长等领导特意到化学研究所欢送他们(图 3)。

图3

图3   1954年7月1日,欢送厦门大学化学研究所毕业同学留影

前排左起:邓子基、黄良文、刘清汉、张乾二、胡体乾、王亚南、卢嘉锡、卢宗兰、潘天顺


4 毕业留校教书忙

1954年7月,张乾二完成了研究生阶段的学习,留校工作、担任化学系助教。20世纪50年代,卢嘉锡提倡本科刚毕业的新教师必须专门指导实验一年以上,然后才能同时指导实验和辅导习题课,这样一二轮后方能主持习题课;研究生毕业的新教师可同时指导实验、辅导和主持习题课,经磨练二、三年后方能讲授部分章节,经认可后才能单独上讲台。开始时,系里安排张乾二到生物系指导学生实验课,并为周绍民在生物系开设的“分析化学”课辅导,从此开始了他在高校的教学生涯。

早在研究生阶段,张乾二在当研究助理时,卢嘉锡就曾对他带实验课进行过训练。张乾二拿着生物系化学实验课教材,到实验室先查看仪器设备,包括试管、烧杯,铁架台等是否完好,数量是否齐备,然后对照实验课程,一个个实验先做一遍。回到宿舍,他再仔细编写每个实验的讲解提纲、实验报告要求和注意事项。对于“分析化学”课程的辅导,张乾二除了每次上课必须随堂听课、做好笔记,课后认真批改作业,还要课后答疑。过一段时间,发现学生在作业中存在的一些共同问题,就要找时间上习题课。临近考试时,张乾二通知学生习题课与集中答疑时间。主讲教师出完考卷,助教张乾二先做一遍,看时间够不够、题目有没有差错,然后送学校印刷厂找专人印刷。考试监考完,张乾二与主讲教师一起改考卷、登记分数,然后写出试卷分析,既要做出分数分布,还要指出学生在某些知识点的问题,以利今后的教学改进,然后送教务处归档。

卢嘉锡作为理学院院长兼化学系主任,要求所有教师必须严格参加教研室学术活动,除研讨教材、教学大纲、听课交流、组织试讲外,还要求每位教师每半年做一次读书报告,既可汇报科研成果,也可以自查资料,归纳某一方向的发展动向。这些活动不仅使张乾二拓宽视野,强化查阅归纳文献能力,而且提高了他的讲解表达能力。

建国初期,我国高等教育水平与国际差距较大,化学系开设的课程大多限于“无机化学”“有机化学”“分析化学”“物理化学”和化工等一般课程,少有开设在原子、分子水平的“物质结构”“量子化学”等课程。为了赶上国际先进水平,国家高等教育部于1953年夏季,邀请厦门大学卢嘉锡和东北人民大学(即现吉林大学)唐敖庆两位教授,在青岛举行暑期物质结构讲习班。

青岛讲习班办得很成功,卢嘉锡与唐敖庆在国内学术界的声望大增。高等教育部认为这种讲习班效果很好,决定第二年在北京大学再次举办。这次报名参加培训的人员更多,培训班改为平行两个班,担任主讲的除卢、唐两位外,还增加了吴征铠和徐光宪。

青岛和北京的两次讲习班成功举办后,全国各地有不少高校教师都慕名到厦门大学求教。化学系以卢嘉锡为首的一批教师负责接待。当时山东大学的张克从、蒋民华,武汉大学的魏克全,四川大学的吴守玉,杭州大学的董倩,以及福州高校的教师等来到厦门大学,主要听取卢嘉锡讲授“量子化学”“现代晶体学”课程。卢嘉锡、陈允敦带领青年学者张乾二、张炳楷和上述来校的教师一起探讨用X衍射仪测定晶体的技术。

5 溶液中培养晶体

1958年大跃进时代,卢嘉锡找张乾二、张炳楷,让他们探索晶体培养方法:可以从溶液中培养,也可用水热法让晶体生长,还可从熔体中生长晶体……卢嘉锡对两位年轻教师说,“培养晶体国内还没有人做过,我们还是先易后难,先从水溶液中培养晶体”。卢嘉锡让他们带领两个学生,一起到漳州设立“晶体生长实验室”,进行培养晶体的科学研究。实验室设在漳州实验小学,住在当地的天主教堂,三餐在龙溪专署(现漳州)食堂吃饭。

怎么培养晶体?张乾二与张炳楷先好好读了一遍《晶体生长》专著。晶体生长,外人看起来似乎简单,实际却很复杂。它涉及到热力学中的相平衡和相变,首先要了解培养晶体的相图;其次要了解晶体生长的成核过程,它涉及相变驱动力、临界晶核的形成能、核化速率等。整个培养过程更要研究晶体生长动力学;了解晶体形态与内部结构的联系、生长环境对晶体形态的影响;还要考虑溶质在溶液中的扩散过程、晶体界面的稳定条件等。还未培养晶体前,两位年轻教师先进行了一番理论学习。

要培养什么晶体呢?他们先查看了水溶性晶体的溶解度曲线图。不同物质在水中的溶解度有明显差别,有的晶体溶解度很大,如酒石酸钾;有的则很小,如硫酸锂;大多数晶体的溶解度随温度升高而增大[1]。张炳楷看到酒石酸钾钠的熔解曲线随着温度变化很大,心想这样可能比较容易结晶,就选择了它(图 4)。当时完全是白手起家,加热水溶液要用很大面积的电炉,但那时并没有出售现成的异型电炉,大家只好采购一堆电阻丝,自己动手绕,加工成加热电炉。培养晶体需要二十四小时的连续恒温条件,但当时没有恒温槽,而且供电条件很差,经常断电,张乾二就把人员分成两班,轮流值班。

图4

图4   一些水溶性晶体的溶解度曲线

1–酒石酸钾钠(KNT);2–酒石酸钾(DKT);3–酒石酸乙二胺(EDT);4–磷酸二氢铵(ADP);5–硫酸甘氨酸(TGS);6–碘酸钾(LI);7–磷酸二氢钾(KDP);8–硫酸锂


如何培养晶体,参考书上并没有具体工艺,完全得靠自己摸索。先配制过饱和的酒石酸钾钠溶液,再找一颗比较好的晶种,固定在旋转棒上,让晶种以某种速度缓慢匀速运动,随着晶体的生长,还要不断添加晶料,保持溶液处于过饱和状态。但是不知什么原因,酒石酸钾钠晶体一直长不出来,而恒温槽底部有时会有晶体析出,他们只好再去查参考书。《晶体生长》中提到,过饱和溶液在热力学上是不稳定的。W. Octwald首先提出过饱和溶液可分为“不稳过饱和”和“亚稳过饱和”。他把无晶核存在情况下能自发析出晶体的称为“不稳过饱和”,不能自发结晶的称为“亚稳过饱和”溶液。在过饱和区、靠近溶解度曲线,确实存在亚稳区。稳定区即不饱和区,不会发生结晶现象;亚稳区不会发生自发结晶,因此若将晶种放入亚稳区,晶体会在晶种上生长;不稳区溶液会自发产生结晶现象[2]。于是一切从头开始,过了几天,晶种开始慢慢长大,大家感到十分兴奋,这更增强了做下去的信心。大家轮班培养晶体,记录温度、浓度等数据。

在培养晶体中,张乾二、张炳楷发现,选好晶种对生长晶体的质量关系极大,下种前晶种要先对晶种预热以防它炸裂,下种后要使晶种慢慢由微溶而转入生长。在晶体培养过程中,要小心控制溶液的过饱和度,尽量减少生长速度的波动性。在值班过程中,张老师要求学生要做好溶液浓度与温度的记录。他们还探索调整溶液的pH,发现也会影响晶体的生长。就这样,张乾二、张炳楷带领学生克服了一个个困难,在水溶液中培养晶体,填补了国内空白。以后福州物构所、山东大学化学系在培养大晶体方面都做出了可喜的成果。

经历教学和科研等磨炼,自20世纪50年代至60年代中期,张乾二在厦门大学化学系“物质结构”方面的教学水平和学术成就已崭露头角。在卢嘉锡奉调赴福州履新之后,张乾二渐渐在“物质结构”的教学与科研工作中独当一面挑大梁,成为厦门大学化学系的学术带头人之一。

本文节选自《浪遏飞舟:张乾二传》(林梦海、黄宗实、郭晓音,著,2016年由厦门大学出版社出版),并经改写而成。

参考文献

Holden, A. N.; Singer, P. Crystals and Crystal Growing; Anchor Books-Doubleday: New York, NY, USA, 1960.

[本文引用: 1]

Buckley, H. E. Crystal Growth; Wiley: New York, NY, USA, 1951.

[本文引用: 1]

/