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

厦门大学化学化工学院，福建 厦门 361005

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 1948年，化学系学生在囊萤楼做实验

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 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 1954年7月1日，欢送厦门大学化学研究所毕业同学留影

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 一些水溶性晶体的溶解度曲线

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。