Основы квантовой механики и ее значение для химии (стр. 1 из 3)
Введение
Концепции и методы, разработанные в какой-то одной области естествознания, не остаются лишь её достоянием. Всегда происходило и сейчас происходит интенсивное взаимопроникновение и взаимообогащение разных наук. Ведущей дисциплиной современного естествознания стала физика. К её компетенции мы привыкли относить все явления и факты, которые мы стараемся рассматривать в качестве простейших, но вовсе не потому, что они таковы на самом деле, а просто из-за того, что мы научились их ранее и легче других качественно классифицировать и теоретически моделировать, достигая количественно точного прогноза.
Отсюда и роль физического знания для химии. Оно является той школой и той основой, благодаря которой накапливается, осмысливается и перерабатывается химическая информация.
Химия - дисциплина точная, но по физическим меркам объекты её исследования всегда обладают очень сложной структурой, а поэтому лишь для сравнительно немногих химических явлений удаётся достичь теоретико-физической детализации. Иногда это удаётся, и тогда возникают впечатляющие картины стройности и единства законов природы. Даже если химические явления внешне выглядят слишком сложными, природа так устроена, и так устроено наше мышление, что всегда удаётся выделить некоторые общие специфические черты и принципы. На первый взгляд, они могут выглядеть и самостоятельными, и независимыми от физических концепций, но рано или поздно наступает такая ситуация, когда непростые химические факты находят своё физически ясное истолкование.
Если же существующие представления бессильны, и в них не вписываются факты, то возникает потребность в дополнении или даже в решительном пересмотре основных положений. Тогда-то и создаются новые концепции, и этот процесс в наше время стал обычным и, более того, он ускоряется.... К чему это приведёт – никто не ведает. Оптимизм учёных сменился тревогой....
В современном естествознании очень непросто определить место и роль физической химии. Она основа всей теоретической химии, но все химические факты, явления и концепции рассматривает лишь на основе бесстрастных физических законов, используя весь арсенал современных методов экспериментальной и теоретической физики, обращаясь к новейшим областям математики и к суперсовременной вычислительной технике. Она вскрывает природу химического превращения, объясняя и иногда предсказывает направления химических реакций. Именно её задачи привели к построению самых первых алгоритмов численной оптимизации, без которых немыслима ни современная, ни будущая компьютерная цивилизация. Уже создаются компьютеры, в основу которых положено химическое кодирование информации на основе биологических макромолекул...
Так что физическая химия с равным правом может считаться огромной областью современной теоретической и экспериментальной физики...
Хронология некоторых фундаментальных открытий :
1808- Дальтон -Закон кратных отношений
1811- Авогадро -Молекулярные газовые законы
1815- Пру- Массовые числа атомов, кратные водороду
1868- Дмитрий Иванович Менделеев -Периодический закон
1869- Гитторф -Открытие катодных лучей
1895- Рентген- Открытие X-лучей
1896- Беккерель-Открытие радиоактивности
1897- Дж. Дж. Томсон -Открытие электрона
1900- Планк- Открытие квантов света, формула
1903- Резерфорд- Открытие атомного ядра
1905- Эйнштейн- Специальная теория относительности формула
1913- Бор - Модель атома водорода
1926- Шрёдингер-Волновое уравнение
1927- Гейзенберг-Соотношение неопределённостей.
1983- Туннельный микроскоп (...Академик В.Гинзбург (ФИАН): “Ну и дожили!”)
Раздел 1. Экспериментальные основы квантовой механики. Волны материи. Простейшие полуклассические модели движений
Содержание: Движение частицы и движение сплошной среды. Корпускула и волна. Излучение и вещество – волны и частицы. Двойственная природа вещества и волны материи (волны Де-Бройля).
Квантовая механика изучает объекты с размерами от 10-7¸10-8 см до 10-16 см.
Её разделы, посвящённые строению вещества:
Квантовая химия, изучает электронное строение атомно-молекулярных, в том числе и полимерных систем, таких, как кристаллы и макромолекулы, в том числе и биологических макромолекул. Её традиционные интересы обычно лежат в нерелятивистской области, хотя по необходимости и всё чаще она прибегает и к релятивистским уточнениям.
Ядерная (субатомная) физика изучает объекты с размерами от размера атомного ядра и менее, т.е. 10-13 до 10-16 см. До расстояний порядка 10-16 см удаётся экспериментально наблюдать признаки сложной структуры многих субатомных частиц, но на меньших расстояниях признаки сложной структуры частиц в настоящее время не установлены.
В последние годы возникал наноэлектроника. Она занимается объектами, размеры которых порядка 10-7 см (10-9 м). На рубеже 20-21 веков это область новейших фундаментально-научных и инженерно-технологических изысканий. К её пределам вплотную подошло направленное конструирование микроэлементов вычислительной техники (чипов).
Основные типы взаимодействий в природе
В исследованной области энергий, которая соответствует предельному пространственному разрешению порядка от 10-15 до 10-16 см проявляются четыре типа взаимодействий:
- сильное проявляется на расстояниях порядка размера ядра от 10-13см и менее. Причиной сильного взаимодействия являются ядерные силы, которые в ядре действуют между нейтроном и протоном и обеспечивает стабильность ядра. В нём участвует большинство известных в настоящее время частиц,
- электромагнитное, в котором участвуют все электрически заряженные (и некоторые нейтральные) частицы; на расстояниях порядка размера ядра оно слабее сильного взаимодействия. Именно с электромагнитными взаимодействиями связано и существование, и физические свойства атомно-молекулярных систем,
- слабое проявляется на расстояниях, не превышающих 10-16 см; оно является причиной распада некоторых видов субатомных частиц,
(в настоящее время установлено, что на расстояниях менее 10-16 см проявляется единое электрослабое взаимодействие),
- гравитационное, которое действует на всех расстояниях, но по сравнению с прочими на соответствующих им расстояниях оно исчезающе мало. Так его величина на 36 десятичных порядков меньше, чем у электростатического взаимодействия, скажем, двух протонов. Его роль важна в макромире, особенно в космических масштабах.
Частицы и волны в классической механике
Классической механикой принято называть раздел физики, изучающий законы движения макроскопических тел. В классической механике принято различать:
- движения локализованных масс. Их принято называть корпускулярными системами. Поступательное движение отдельной корпускулы с очень большой точностью можно описать на основе механики материальной точки, расположенной в центре масс.
- движения сплошных сред возникают при возмущении пространственно непрерывно распределённой среды. Такие движения имеют периодический волновой характер.
Таким образом, корпускула это пространственно локализованная масса (в пределе доходящая до материальной точки), а волна это движение непрерывной среды с признаками периодичности в пространстве и во времени.
Корпускулярно-волновая природа излучения
Волновые свойства света были экспериментально установлены ещё в 17-м столетии. О волновой природе света неопровержимо свидетельствуют чисто волновые явления дифракции - огибания небольших пространственных препятствий световой волной, а далее интерференции – возникновения пространственно чередующихся областей взаимного усиления (в фазе) и взаимного ослабления (в противофазе) налагающихся когерентных волн, исходящих из двух или нескольких точек пространства (кольца Ньютона, зоны Френеля и т. д.). Механические волны распространяются в сплошной среде, и для световой волны по аналогии также постулировали гипотетическую сплошную среду, которую назвали эфиром.
Во 2-й половине 19 века открыли электромагнитное поле, и стало ясно, что световая волна представляет его колебания, а эфир - не более, чем гипотетическая модель непрерывной среды. Ожидаемые свойства эфира не подтвердились. Оказалось, что оптический видимый диапазон длин волн охватывает лишь очень малую часть огромной шкалы электромагнитного спектра, он в длинноволновой области переходит в радиочастотный диапазон, а в коротковолновой – в рентгеновское, а далее в -излучение.
Волновая теория, вытекающая из электродинамики, до мельчайших особенностей объяснила все геометрические закономерности распространения излучения в пространстве, и в терминах механики это означает, что кинематика света подчиняется волновым законам.
На рубеже 19-20 веков были экспериментально открыты факты, которые не укладывались в волновую концепцию света. Все такие явления затрагивают взаимодействие излучения и вещества – законы поглощения и испускания (абсорбции и эмиссии) света. Рентгеновское излучение, имеет ту же природу, что и видимый свет. Это обычное электромагнитное поле, но отличается от оптического диапазона очень малыми длинами волн, наименьшими из известных в то время. При описании свойств коротковолнового излучения не удалось ограничиться лишь волновыми законами, и пришлось ввести корпускулярные представления о структуре электромагнитного поля.
Среди первичных явлений, необъяснимых без корпускулярной модели оказались фотоэффект, термодинамика равновесного излучения абсолютно чёрным телом, и рассеяние рентгеновского излучения веществом (эффект Комптона). Для количественного описания экспериментальных фактов потребовалось ввести представления об элементарных частицах электромагнитного излучения – фотонах, а переносимые ими порции энергии были названы квантами. Особенность фотонов состоит в том, что их масса покоя нулевая.