四面體
當鮑林回來的時候，加州理工學院呈現出一派欣欣向榮的景象。在密立根生氣勃勃的領導下，學生人數在1927年秋天增加到600多，其中包括100名研究生。加州理工學院物理系一年發表的論文數超過全國任何別的學院。海耳正在洽談一筆巨大的捐款，打算在威爾遜山頂上建造一架世界上最大的望遠鏡。地質學系剛剛成立，航空實驗室也處於圖紙設計的階段。更為重要的是，據剛透露的消息稱，全國最著名的遺傳學家摩爾根①來此建立一個生物學系。生物學與物理學和化學一起，將成為加州理工學院的三駕馬車，而摩爾根——他確定基因的位置在染色體上，同時也使他的實驗對象果蠅風光了起來——正是再恰當不過的領導。他是一位頂尖高手，具有良好的社會關係，享有大筆的資助。他是在哥倫比亞大學被加州理工學院典型的做法吸引過來的。他將有自己的實驗樓，有充足的研究基金。他在1928年的到來立刻使加州理工學院成為全國生物學領域的重要力量。
①摩爾根（Thomas Hunt Man，1866—1945），美國遺傳學家、胚胎學家，因創立遺傳的染色體學說獲1933年諾貝爾醫學獎。
鮑林、愛娃和小萊納斯租了南威爾遜大街320號的一所小房子，離校園兩條街，在那裡他準備開始自己作為教授的第一年正式的教學生涯。但是他並沒有保留在慕尼黑時諾伊斯寫信告訴他的理論化學和數學物理學助理教授這一豪華的封號。「數學物理學」這一部分被刪掉了。鮑林回憶說：「我不知道物理出了什麼事。也許密立根反對我腳踩兩條船，也許諾伊斯……決定不讓我和物理系發生任何關係，惟恐我會改行。我無所謂。」可能並不是巧合，他最終的頭銜，理論化學助理教授，和諾伊斯在麻省理工學院多年裡的頭銜一樣。
由於這金森已經轉到別的領域，鮑林接管了理工學院Ｘ射線實驗室。他的第一個辦公室設在Ｘ射線實驗室一角，只有一張桌子，在那裡他可以直接監督他的第一個正式研究生的活動。他是一個來自得克薩斯的勤奮的青年化學家，名叫霍爾姆斯·斯特迪文特。鮑林開始準備他作為助理教授的第一門課程——「波動力學及其在化學上的應用」——他自己動手寫了250頁筆記。後來他把這些筆記改寫成了一本書。
他把剩餘的精力投入了自己的科研工作。和他通常的做法一樣，他的大腦同時思考著幾個問題。在離開歐洲前，鮑林和戈爾德施米特商議好，把他的德語博士論文翻譯並擴充成一本關於光譜學的專著。這兩位青年理論家通過書信完成了這本書，戈爾德施米特寫了一些章節；鮑林寫了另一些章節並負責最後的編輯工作。《線狀譜的構造》一書在1930年出版。這是鮑林的第一本專著，但是已經明顯地帶有他無法遏制的自信：至少有一個評論家抱怨說，著者斬釘截鐵的語氣使人覺得在線狀譜方面已經沒有什麼新的東西可以學習了。其他的評論都持肯定的態度，這本書取得了一定程度的成功。
不過，與戈爾德施米特的合作純粹是物理學上的研究，這使人對鮑林在加州理工學院的位置產生了疑問。在書出版之後，鮑林在化學系開設了基於這本書的一門課，但是只上了一次就被諾伊斯取消了。他告訴鮑林，密立根對在不對口的院系中開設物理課程很不滿意，但是鮑林後來猜測是諾伊斯自己作出了決定，目的是讓他專攻化學。
這一事件表明了諾伊斯內心的憂慮。鮑林的興趣廣泛，也許過於廣泛了，包括理論物理。這沒有什麼不對——諾伊斯送他去歐洲的本意就是讓他去學習新物理——但是現在他的計畫是讓鮑林把學到的知識運用到化學上去，而不是改行去研究物理。
在從歐洲回來的前幾個月中，鮑林一門心思鑽研純理論物理。量子力學令他著迷，而索末菲教給他的工具足以讓他在這一領域內出人頭地，特別是在美國，量子物理學家寥若晨星。另一方面，他看著諸如海森伯、泡利和狄拉克之類的科學家，用他們令人眩目的數學和哲學才華作出了重大的科學發現，令他望塵莫及。實際上，鮑林對這一競爭感到畏懼，這也許是他一生中唯一的一次。
他需要獲得突破，而他意識到突破口在新物理和化學的交界地帶。如果說美國的量子物理學家還只是鳳毛麟角的話，那麼在20年代末在美國能夠把量子力學應用到化學上的科學家更是屈指可數了，而且他們之間的多數人是對化學抱有興趣的物理學家。而鮑林是獨樹一幟的，他受的訓練和世界觀是化學家的，而同時又有淵博的數學和物理學知識。量子力學開闢了一個新天地，其在化學領域的應用也展現了一個巨大的新空間，特別是有關化學鍵的問題。這兒的大門敞開著，全部的寶藏等待有識之士來發掘，來揚名。鮑林回憶說：「我認為有可能把工作做得更為出色一些，但是不知從何下手。我預感到我可能在這一領域作出一番事業，而且可能性相當大，值得我為之去奮鬥。」在回到加州理工學院幾個月後，鮑林在給一個同事的信中寫道：「我確信我不該被理論物理學的鬼火所迷惑。」化學才是屬於他的，但這是一種被新的物理學改造過的新化學。
一旦確定了重點，鮑林的工作進展神速。例如，在化學鍵的問題上，他認為還有很多工作沒有做。鮑林覺得海特勒和倫敦在氫分子共振上的突破只是邁出了第一步，而他倆關於更為複雜的分子的嘗試尚不能令人滿意。他們畢竟都是物理學家，而不是化學家，所以不能指望他們把能量交換的概念與他們一無所知的浩如煙海的化學現象聯繫起來。儘管他倆先於鮑林成功地運用量子力學來解決化學鍵的問題，但是鮑林仍然有很大的餘地來充實和修飾他們的創新思想。
他做的第一件事情是為《化學評論》準備一篇長文。該文介紹了海特勒和倫敦在單電子氫分子離子化學鍵問題上的研究工作，並加入了自己的一些觀點。對大多數化學家而言，這是他們首次看到量子力學在自己領域中的應用，也標誌著鮑林以量子化學家這一新的角色登上了美國科學舞台。
然後，他作了一次勇敢的飛躍。在1928年春天他給《國家科學院學報》寫了一篇註記，文中把海特勒和倫敦關於化學鍵的理論稱作「簡單的理論」，並說它「在簡單的情況下與路易斯共享電子對的成功理論完全等效」，並沒有什麼新鮮內容。在文章的結尾，他用整整一段的篇幅，宣稱自己已經取得很大的進展。他說，他的計算表明，量子力學可以解釋碳的四面體結構。
這一下子引起了讀者的注意。碳是一個被深入研究的元素，也是全部有機化學的關鍵。碳原子串起了蛋白質、脂肪和澱粉的主幹——生命系統的主要組成部分。碳化學就是生命的化學。
但是，物理學家和化學家在碳電子的結構上難以取得一致意見。大家知道，每一個碳原子總共帶有六個電子，而開始的兩個電子與成鍵無關，因為它們結成對，可以重新生成氦的含有兩個電子的內層電子結構。在理論上，剩餘的四個電子應該處在下一能級，也就是所謂的原子第二層。化學家都知道，碳為別的原子提供四個化學鍵，而且在自然界中，這些化學鍵保持幾乎相同的長短和強度，並處在一個三面的金字塔或者說是四面體的四個角上。
但是，物理學家說，這種情況不可能發生。最近的光譜研究顯示，碳的四個成鍵的電子處於兩個不同的能級或亞層中。兩個低層的電子彼此成對，這樣就只有兩個電子能夠與別的原子成鍵。物理學家說，碳的原子價應該是2。而實際上這種情況極少：比如說，一氧化碳，碳與一個氧原子組成了雙鍵。
協調物理學家的碳原子和化學家的碳原子是一巨大的挑戰，而鮑林決心迎接這一挑戰。物理學家的光譜結果不容質疑，而化學家的四面體同樣證據確鑿。兩大陣營都應該是正確的。
在他1928年的註記中，鮑林基於海特勒和倫敦的能量交換說提出了一種解釋。每次形成一個新的化學鍵時，都要涉及新的能量交換。他寫道，形成四個四面體化學鍵所產生的能量交換足以打破物理學家亞層中的四個成對電子，並使它們組成新的形式。
這是一種令人振奮的思想，但是需要有相當的數學來支持。鮑林在那個註記中沒有詳述，只是說：「有關這裡提及的材料的詳細說明將送交《美國化學學會學報》發表。」然後，他把自己的註記複寫了一份送給路易斯，並附上一封信說：「我很高興，新的原子模型重現了路易斯原子和玻爾原子的鮮明特點。」
鮑林的「詳細說明」過了幾乎三年才與讀者見面。1928年，他進行了許多複雜的運算，至少初步能讓他確信自己的想法是正確的，但是他說：「運算太複雜了，我擔心人們不會相信，而且我也可能不相信。……誰都可以看到，量子力學必將走向四面體碳原子，因為這是我們已經掌握的事實。但是公式太複雜了，我怎麼也不敢肯定自己的論點能夠說服別人。」
今天，通過計算機我們可以得到精確的結果。但是在19