埃里希·休克尔(Erich Armand Arthur Joseph Hückel，1896-1980)，德国物理化学家。休克尔的名字在许多大学化学的教科书中都出现过，是化学界非常熟悉的。作为量子化学的先驱者之一，休克尔因两个主要的科学贡献而为众所周知：一是电解质溶液的德拜-休克尔理论，另一是π电子体系分子轨道近似计算的休克尔方法(休克尔分子轨道法)。为纪念休克尔，德国化学家学会在2015年设立埃里希·休克尔奖，奖励在理论化学领域做出杰出贡献的科学家，在2016年(休克尔诞生120周年)进行了首次颁奖^[1]。近年来国外对休克尔的生平及成就进行了深入的研究^[2~5]，但国内未见有关休克尔生平及成就介绍的报道。为了让国内化学界了解埃里希·休克尔，本文在研究国外文献的基础上，介绍休克尔的生平和科学成就。

埃里希·休克尔1896年8月9日生于柏林市夏洛腾堡的一个富裕家庭，在他3岁时，全家移居到了哥廷根。休克尔的父亲是一个训练有素的内科医生，对纯粹科学有极大的兴趣，这也深深地影响了他的三个孩子：休克尔和他的哥哥和弟弟，他哥哥沃尔特·休克尔(Walter Hückel，1895-1973)成为了著名有机化学家。在休克尔兄弟们的童年时期，父亲便对他们进行了化学、物理、天文等方面的启蒙教育。休克尔1902年开始上三年制的小学，随后1905年进入皇家预科学校，1914年毕业并获得毕业文凭。

休克尔在1914年第一次世界大战爆发前的复活节进入哥廷根大学学习物理学。因为哥廷根大学有特别强大的自然科学课程，入学后休克尔学习了很多课程，除了物理和数学方面的课程之外，还学习了无机化学和有机化学课程。1916年休克尔因服兵役中断了学习，先被安排到哥廷根大学“空气动力学模型测试站”担任路德维希·普朗特(Ludwig Prandtl，1875-1953)的科学助手，随后又被派往位于瓦尔内明德的“水上飞机测试总部”担任助手。1918年第一次世界大战结束后，重新回到哥廷根大学攻读物理学。休克尔所修的课程中没有一门涉及到理论物理学，他学习了一门微分学课程，但实际上也没有学到什么知识。在1919/20年冬季学期，休克尔学习了彼得·德拜(Peter Joseph William Debye，1884-1966)的《原子结构与量子作用》课程，对“旧量子论”的主要概念和方法获得了第一印象，同时也产生了极大的兴趣。于是，休克尔到德拜的私人公寓拜访了德拜，请求成为他的学生。德拜开始有些犹豫，担心他的理论物理基础不够，但随后还是接受了休克尔作为自己的一名研究生。1920年休克尔在彼得·德拜的指导下进行博士论文研究工作，其研究内容是利用德拜发明的X射线粉末衍射法(德拜-谢乐法)进行液晶的结构测定。1921年初休克尔完成了他的博士论文，并于1月26日通过了论文答辩。

休克尔自博士毕业之后的16年是他职业不稳定的艰难时期，但对他的科学研究而言却是一个多产的年代。

1921年夏季学期开始，休克尔在哥廷根大学数学系担任数学家戴维·希尔伯特(David Hilbert，1862-1943)的学术助手。在此期间，希尔伯特正开设《狭义和广义相对论》课程，休克尔的工作主要是为希尔伯特准备讲课的有关资料。1922年夏季学期开始，休克尔转到哥廷根大学物理系，担任物理学家马克斯·玻恩(Max Born，1882-1970)的助手，协助玻恩发展由双原子或多原子组成的分子的量子理论。

休克尔希望重新加入他的博士导师德拜的团队，担任德拜的助手，在1922年秋天终于成行。之前，德拜已于1920年夏天离开哥廷根大学，到苏黎世联邦理工学院任实验物理教授和物理研究所所长。德拜在1921年夏天开始了强电解质溶液理论的研究，对强电解质溶液的电导率随浓度平方根的变化情况进行了初步的计算，意识到一个更完整的理论需要复杂的计算。休克尔到苏黎世后，德拜就立即安排他加入到自己正在进行的强电解质溶液理论的研究之中。强电解质溶液理论对于休克尔是一个全新的研究领域，但是他很快就掌握了这个新的理论问题。德拜与休克尔经过反复的讨论和计算，在1923年提出了强电解质溶液的新理论，其研究成果分两次在1923年5月和8月的德国《物理杂志》(Physikalische Zeitschrift)上发表^{[6, 7]}，后来该理论被称为“德拜-休克尔理论”。德拜与休克尔认为强电解质在低浓度溶液中是完全电离的，并认为电解质溶液偏离理想溶液的原因是离子间的静电引力，于是提出了“离子氛”的概念。他们选择经典统计力学的玻耳兹曼方程描述粒子的电荷分布，用静电理论的泊松方程将空间某一点的电位与电荷密度关联起来，经过适当的简化，推导出了当量电导值的总减少量与浓度的平方根成正比的关系式，这就是强电解质溶液离子互吸理论。德拜与休克尔还引入“离子强度”的概念，推导出强电解质稀溶液中离子活度系数的数学表达式，也就是德拜-休克尔极限定律(Debye-Hückel’s limiting law)。强电解质在低浓度溶液中完全电离的假设也被“德拜-休克尔理论”完全证实。休克尔继续对该理论进行研究，将该理论应用于电解质的高浓度溶液，通过与盐酸溶液的实验数据比较，表现出理论与实验具有良好的一致性，该成果于1925年1月在德国《物理杂志》上发表。

1925年8月，休克尔与安玛丽·席格蒙迪(Annemarie Zsigmondy)结婚。休克尔的岳父是胶体化学家里夏德·阿道夫·席格蒙迪(Richard Adolf Zsigmondy，1865-1929)，他因阐明了胶体溶液的多相性并创立了相关的分析方法，获得了1925年诺贝尔化学奖。休克尔与里夏德·阿道夫·席格蒙迪曾就双方感兴趣的胶体化学问题进行讨论，并于1925年6月合作在德国《物理化学杂志》上发表了有关胶体金溶液中金粒子生长方面的论文。这使得休克尔的兴趣由电解质理论转入到胶体化学领域。1925/26年冬季学期，休克尔撰写了胶体化学有关问题的专著《吸附与毛细凝聚》(1928年出版)，论述了固体表面和多空物体对气体或蒸汽的吸附和毛细凝聚作用。随后，休克尔计划撰写胶体化学方面的第二部专著，论述溶液中的吸附问题。为此他在德拜的推荐下，申请到国际教育基金会(International Education Board，由约翰·D·洛克菲勒于1923年创立)的奖学金，到伦敦大学学院访学，师从英国物理化学家唐南(Frederick George Donnan，1870-1956)开展研究工作。但休克尔在1926年夏天得了严重的阑尾炎，不得不推迟了这个访学计划。1928年4月休克尔的访学计划成行。当他到达伦敦后，便开始调研溶液中吸附的研究现状，发现可用的实验数据太不完整且参差不齐，理论也是相当混乱。休克尔很快意识到撰写有关溶液中的吸附问题专著的计划时机尚不成熟，同时他也发现唐南希望他要精通现代量子理论。此时，休克尔决定重新调整他的研究计划。恰巧遇到当时正在伦敦访问的德拜，德拜给了他决定性的建议，建议尝试将薛定谔(Erwin SchrÖdinger，1887-1961)的量子理论应用于化学问题，将有很好的前景。

1928年7月德拜在莱比锡组织了主题为“量子理论与化学”的系列讲座，后来被称为“莱比锡讲座”，这为休克尔提供了非常好的学习机会。唐南试图说服国际教育基金会允许休克尔参加“莱比锡讲座”，但未被批准。于是，休克尔决定延期他的奖学金计划，自费到莱比锡参加讲座。“莱比锡讲座”大约有35位科学家参加，他们从量子力学的角度陈述和辩论原子和分子之间相互作用力的理论，以及其他与电子有关的热点问题。参加讲座之后，休克尔来到哥廷根，目的是为下一步的研究做好数学知识的准备。在哥廷根，休克尔重新学习了“数学物理方法”、“群论与量子力学”等，还特别深入地研读了薛定谔的波动力学论文。1928年8月底，休克尔返回英国后，继续研读量子理论及其在化学问题中应用的文献。1929年春天，休克尔在伦敦大学学院开设一门有关波动力学的课程。他感觉到自己对从事量子理论的研究已经有了足够的准备，决定利用奖学金资助到期前的三个月到玻尔(Niels Henrik David Bohr，1885-1962)的哥本哈根理论物理研究所访学，从事量子力学方面的工作。1929年4月初休克尔到达哥本哈根，因他关注的是化学问题，第一次与玻尔的会谈就涉及到了海特勒(Walter Heinrich Heitler，1904-1981)和伦敦(Fritz Wolfgang London，1900-1954)创新的用量子力学处理氢分子的方法。玻尔特别提出了碳原子之间双键的量子力学描述的问题，立刻就深深地吸引住休克尔，成为了他在该领域的第一个研究课题。

1929年秋天休克尔接受德意志科学救援联合会(德国科学基金会的前身)的奖学金资助，在莱比锡大学开始了“双键”的研究工作，其研究成果以“双键的量子理论”为题于1930年7月在德国《物理学杂志》(Zeitschrift für Physik)上发表。休克尔通过巧妙的思维，得到了碳碳双键的量子力学描述。首先以氧分子(O=O)作为原型，想象从一个氧原子核中取出两个氢原子核(质子)，就转换为碳原子核，用碳原子核代替氧分子中的一个氧原子核，这样氧分子就转换为甲醛分子(O=CH₂)。对氧分子的另一个氧原子核做类似的处理，便得到了乙烯分子(CH₂=CH₂)，氧分子双键转换成了碳碳双键。进一步，休克尔基于兰纳-琼斯(John Edward Lennard-Jones，1894-1954)提出的对氧分子电子结构的分子轨道分析，对碳碳双键进行了完美的诠释，认为乙烯中的碳碳双键由一个σ键和一个π键组成，σ键与C-C连线轴向对称，π键则不是，这就限制了C=C键的旋转。

休克尔在他的导师德拜的帮助下，于1930年10月开始到斯图加特工业大学任“化学物理”编外讲师。在斯图加特工业大学，休克尔与保罗·埃瓦尔德(Paul Peter Ewald，1888-1985)合作为学生开设了“原子物理”课程，此外休克尔还为学生开设了很多有关化学键或分子结构与量子理论关系方面的讲座，如“分子光谱”、“波动力学”、“分子间力的量子理论”、“分子结构与物理性质”等。休克尔在此期间研究了苯和其他环状共轭烃的芳香性问题，完成了具有里程碑意义的研究工作。休克尔采用费利克斯·布洛赫(Felix Bloch，1905-1983)为解释金属晶格的电导和电磁等现象而发展的求解薛定谔方程的方法，将σ和π电子分开处理，把问题简化为只考虑π电子在分子骨架的势场中的运动，将原子轨道线性组合变分法应用于共扼体系。为了进一步简化计算，休克尔引入了三个近似假设，得到波函数，以哈密顿积分α和β来表示它们的能量，解出各π分子轨道的能级和近似π分子轨道。休克尔提出的π电子体系分子轨道近似计算的方法，后来被称为“休克尔分子轨道法(HMO法)”。休克尔利用薛定谔方程计算得到的结果，给出了芳香性的量子理论解释：环状共轭烃的能量相同的各分子轨道构成一个壳层，最低壳层由一个非简并的能级构成，可容纳两个电子；其余壳层的每一层都是由二重简并的能级组成，每层可容纳四个电子。只有数目为2、6、10的π电子，才是稳定的闭壳层的π电子组态。后来被称为“休克尔4n+2规则”。休克尔的开创性成果于1931年3月在德国《物理学杂志》上发表^[6]。休克尔分子轨道法以简便迅速著称，适宜于计算平面共轭分子中的π电子结构，目前仍在分析有机共轭分子的稳定性、化学反应活性和电子光谱，及研究有机化合物结构与性能的关系等方面有着广泛应用。

1937年10月休克尔任马尔堡大学理论物理学无讲席教授(相当于副教授)。直到第二次世界大战结束，休克尔是马尔堡大学唯一的理论物理学教师，使得他必须讲授所有物理学方面的课程，同时还负责指导物理实验，教学任务繁重，很少有时间用于自己的科学研究。1939年9月第二次世界大战爆发，使休克尔的工作条件更是每况愈下，他的科学研究完全停止。战争结束以后，休克尔虚弱的身体状况也使他不能重新开始研究工作，只好把精力全部用于教学和指导他的助手。由于休克尔友善的态度，他成为了一个深受学生欢迎的教师。1946年8月，休克尔被任命为马尔堡大学物理学院理论物理系主任，1961年被提升为讲席教授(相当于正教授)，这是对休克尔20世纪二三十年代的科学成就迟到的认可。1962年休克尔退休，1980年2月16日去世，享年84岁。

1927~1937年是量子化学发展的初创时期，而休克尔科学生涯中最具创造力的阶段也正好在这一时期。在1930~1937年期间，休克尔以他的不饱和共轭化合物的量子力学描述，为有机化学作出了意义深远的贡献，但是休克尔的理论并不为绝大多数化学家所理解，在20年内都没有得到广泛承认。休克尔4n+2规则最早应用是美国有机化学家多林(William von Eggers Doering，1917-2011)在1951年用来解释环庚三烯酚酮的芳香性^[9]，并给出了“4n+2”的简洁表述形式^[3]。美国化学家施特赖特维塞尔(Andrew Streitwieser，1927-)在1961年出版的专著《Molecular Orbital Theory for Organic Chemists》中将休克尔的理论命名为“休克尔分子轨道”理论(Hückel molecular orbital theory，HMO)^[10]。HMO理论适用于平面共轭分子中的π电子，但不能直接应用于σ电子。1963年，罗德·霍夫曼(Roald Hoffmann，1937-)扩展了HMO法，得到了HMO法的普遍化形式，适用于分子中的全部价电子(π电子和σ电子)，应用于任何化学体系，现在被称为扩展休克尔理论(extended Hückel Theory，EHT)。我国著名理论化学家唐敖庆(1915-2008)评论道：HMO理论“用以讨论共轭分子的性质，相当成功，是分子轨道理论的重大进展”^[11]。HMO理论过去在一些重要定性问题上起过很好的作用，今后在这方面还将继续起作用。

随着休克尔的理论逐渐被化学家理解，其重要性也逐渐被认识，休克尔也获得了一些奖励和荣誉。1965年德国化学家学会和德国物理学会联合颁发给他奥托·哈恩奖；1966年，在他离开近30年后，斯图加特工业大学授予他荣誉博士学位；同年，被选为奥波第那科学院(2008升格为德国国家科学院)院士；1973年瑞典乌普萨拉大学授予他荣誉博士学位，同年，被选为国际量子分子科学院院士；1977年成为英国皇家学会外籍院士。

休克尔一生著述不多，只发表了48篇论文，其中在量子化学领域发表的17篇论文，奠定了他作为量子化学先驱者的地位。