ВВЕДЕНИЕ. 1. ПРЕДМЕТ КВАНТОВОЙ ХИМИИ.

Квантовая химия - раздел физической химии, в котором химические проблемы решаются при помощи методов квантовой механики. Появилась она в 30-х годах нашего столетия, но наиболее бурно стала развиваться в конце 50-х, и затем получила новые импульсы развития в 70-х и начале 90-х годов.

Для чего она необходима? Она позволяет интерпретировать разно-образные химические явления с единой точки зрения - с точки зрения квантовой механики, науки, которая наиболее полно и достоверно описывает разнообразные явления микромира на атомном и молекулярном уровне. Применяя для исследований методы квантовой химии, можно глубже проникнуть в суть химических явлений, понять причины их обусловившие.

Уже в настоящее время квантовая химия может дать ответ на такие вопросы, как

- почему и как протекает та или иная химическая реакция (особенно, когда речь идет о реакциях в газовой или жидкостной фазах);

- какой вид имеют спектры поглощения сложными органическими молекулами инфракрасного, ультрафиолетового, видимого и радиочастотного излучений;

- какую структуру имеют химические соединения и т.д.

Благодаря ей компьютер становится столь же эффективным орудием химика, как традиционные пробирки и колбы. Еще великий Ломоносов мечтал "выверить химию математикой". Современная квантовая химия начинает приближаться к осуществлению его мечты.

Остановимся более подробно на основных этапах развития квантовой теории.

К началу ХХ-го века представления об атомистическом строении веществ, а также успехи механики в описании движения макроскопических тел создали иллюзию того, что и движения микрочастиц можно полностью описать посредством законов классической механики. При этом, так же, как и в классической механике, считалось, что тело перемещается в пространстве по непрерывной траектории; скорость тела, энергия или любая другая характеристика движения как микро-, так и макрообъекта изменяется непрерывно, проходя все промежуточные значения. На принципе непрерывности значений физических величин было построено и классическое представление о взаимодействии света с веществом. Считалось, что поглощая свет, вещество "засасывает" электромагнитное поле, а при испускании света электромагнитное поле "истекает" из вещества.

Модель атома, предложенная Резерфордом, привела к трудностям в понимании даже простейшей системы - атома водорода.

1. Согласно классической механике энергия и момент импульса системы могут принимать произвольные значения, поэтому орбиты электрона могут иметь произвольный радиус. Однако эксперименты показали, что размеры атомов соответствуют примерно 10^-10 м.

2. Электрон движется в атомах с ускорением (при движении по окружности нормальное ускорение не равно нулю). Согласно законам классической электродинамики он должен бы все время излучать электромагнитные волны, и, поэтому, терять энергию. Последнее должно привести к уменьшению радиуса орбиты, т.е. в конце концов электрон должен бы "упасть на ядро". Однако обычные атомы стабильны.

3. Согласно классической электродинамике излучению атома водорода должно наблюдаться в полосах с частотами где t - период обращения электрона вокруг ядра. Поскольку t, а следовательно и n, могут принимать произвольные значения, излучение атома водорода должно состоять из непрерывного спектра частот. Экспериментально было обнаружено, что в нормальном состоянии атом водорода свет не излучает. В возбужденном состоянии излучение характеризуется дискретным спектром, состоящим из отдельных серий линий и имеющим одну линию сгущения (где спектр становится непрерывным, или, иначе говоря, "переходит в континуум") (Рис.1).

Рис.1 Спектр атома водорода

Для объяснения этих и других экспериментальных данных Планк в 1900 году предложил, что излучение с частотой n испускается атомами и молекулами в виде "квантов", энергию которых e можно найти по формуле

, (1.1)

где h = 6.626·10^-34 дж·с - постоянная Планка. При помощи квантовой гипотезы удалось объяснить непонятные в рамках классической теории явления (фотоэффект, теплоемкость твердых тел и т.п.). В макроскопических процессах квантование энергии не проявляется из-за малости константы h.

Для устранения трудностей, возникающих при описании строения атома, Бор (1913 г.) попытался совместить модель Резерфорда с квантовой гипотезой Планка. Для этого он в классическую механику и электродинамику ввел дополнительные постулаты:

1. Атом существует только в определенных стационарных состояниях, энергия которых имеет значения Е_n (n=1,2,3, ...), причем в этих состояниях атом энергию не излучает.

2. При переходе атома из состояния с энергией Е_m в состояние с энергией Е_n при E_n < E_m излучается один квант энергии, причем его частоту n_mn можно найти из соотношения

(1.2)

Благодаря сделанным предположениям, был найден общий способ расчета квантовых состояний. И все же, несмотря на некоторые успехи, предложенная концепция не смогла адекватно описать большое количество экспериментальных данных. Стало ясно, что простой модификацией классической теории не обойтись - необходимы совершенно новые представления (квантово-механическое описание). Лишь квантовая механика смогла дать полное описание законов микромира.

Вообще говоря, квантовая химия - сравнительно сложная математическая дисциплина, обладающая сложным математическим аппаратом. Поэтому перед изложением квантовой химии, кратко остановимся на важнейших математических объектах и моделях, нашедших применение в квантовой теории молекул.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: