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人们常常忘记了这是量子力学的成就 精选

已有 7379 次阅读 2017-9-21 08:11 |个人分类:科教与社会|系统分类:科研笔记|关键词:量子力学 价键理论 化学家 老子 溶化在血液中

人们常常忘记了这是量子力学的成就

量子力学理论诞生快一个世纪了。说起量子力学,如今最时髦的,恐怕就是那只又死又活的猫。提起量子力学的成就,人们总是津津乐道于原子弹、核能、激光、大规模集成电路等等。实际上,真正受量子力学影响最大的领域,除了物理学本身之外,当数化学。

化学是主要研究原子、分子性质的学科。有人会说,化学家大多数却不懂量子力学,怎么说化学受量子力学影响最大呢?诚然,大多数化学家确实不熟悉量子力学理论,他们虽在大学里学习了结构化学,大多数人实际上仍然搞不清楚什么薛定谔方程、什么波函数,更不懂又死又活的猫,这确实是事实。但是,绝大多数化学家却能够熟练地运用化学键理论。每一位化学家在教授化学课程或讲述他们的研究成果时,总能够头头是道地讲述某原子的什么杂化轨道、p轨道或d轨道的什么作用、成键轨道与反键轨道如此等等。这些东西,已经深深地印刻在他们的脑海之中,如果不说这些,我不知道哪一位化学家还能够向学生们讲授化学课程、解释物质的化学性质、说清楚化学反应的机理。而这种关于化学键的理论,恰恰就是量子力学的产物,是应用量子力学的结果。

众所周知,化学是在19世纪中叶形成一门科学学科的,它的理论基础之一是原子-分子论,但是,当时化学家并不知道原子是什么、更不知道原子是如何结合成分子的。到了19世纪末,人们才发现,带负电荷的电子是原子的组成部分之一。20世纪初,卢瑟福的实验又揭示了带正电荷的原子核只占原子的极小一部分体积,然而,像太阳系那样的原子模型是不符合经典的电磁学理论的。这时,正好在前几年刚刚诞生了因黑体辐射现象而产生的量子假设,1913年,玻尔把量子假设用到原子模型上,很好地解释了最简单的原子即只带有一个电子的氢原子的光谱。但是这种模型却无法解决其他原子的问题。1925-1926年间,薛定谔、海森堡、狄拉克等人建立了量子力学理论,这是电子等微观物质运动所服从的物理规律。量子力学为解释原子结构、分子构成等问题奠定了基础。

关于氢原子(类氢离子)的薛定谔方程的解析解,得到了氢原子(类氢离子)的原子轨道。对于多电子原子体系,人们把一个电子受到其他电子和原子核的作用作平均近似,人们解在这个平均势近似下的原子薛定谔方程,就得到了多电子原子的原子轨道,并且弄清楚了每一种元素的原子内电子排布的能级,这样就很好地解释了元素周期表。

建立在原子轨道重叠基础上的价键理论(包括随后建立的杂化轨道理论)和把核运动与电子运动分开处理的分子轨道理论是解释原子相互作用形成分子的两种化学理论。

价键理论着重于分子的局域性质,特别看重分子中两个相邻原子之间的作用,因而,与原子是如何结合成分子的问题密切相关。定性的价键理论从原子轨道重叠的多少出发,结合原子轨道的杂化,来进行讨论,物理图像简单明了,从而被广大的化学工作者所接受。它既能够解释很多已经化合物的性质,又能够预测寻找具有特定性质的新化合物的可能途径,因而是化学家研究工作的有力工具。几十年来,大多数化学家都这样地应用着价键理论来指导他们的研究工作。

分子轨道理论在解释分子的整体性质如分子的各类光谱、分子的能量等方面取得了光辉的成就。特别是在大容量和快速运算的现代计算机普及的情况下,它对于解释和预测分子的性质、判断化学反应的机理等方面都取得了极大的成绩。日益成为化学工作者常用的研究工具。许多对量子力学并不熟悉的化学工作者也能够使用计算机软件进行量子水平上的分子模拟,包括分子性质和化学反应的计算、分子间的相互作用等等。

人们可以这样说,正是应用了量子力学的原理和方法,人们才真正弄清楚了原子结合成分子的本质,也就是了解了化学键的本质。这里,并没有19世纪许多人想象的所谓“化学作用力”,在整个化学体系即原子核、电子体系中,核与核、核与电子、电子与电子之间的相互作用不过就是普通的电磁相互作用罢了。在这个意义上,是量子力学把化学学科真正置于科学的水平上。

价键理论和分子轨道理论都是量子力学的原理和方法对于化学体系的应用,是量子力学的伟大成果,这两个理论已经被置于最重要的化学理论之列。在包括这两个理论在内的化学理论的指导下,近几十年来的化学发展迅速,给材料、生物等学科以巨大的支持,给化工、电子、通讯、农业、医药等行业的高速发展提供了科学原理。新的化学产品日新月异,使得我们的生活变得前所未有的方便、使我们的身体空前的健康,使我们的世界变得更加丰富多彩。但是,我们却并不感到量子力学理论在中间起到了什么作用。

两千多年前,我国伟大的哲人老子说:“太上,不知有之”。最好的管理,是让人不觉得有人在管理。最好的理论,是让人不觉得在运用这个理论。就像两位老朋友远远地相见,急忙相互跑近,走的是一条直线,谁也不会想到初中几何所学习的“两点之间线段最短”的理论,借用一句几十年前流行的话,他们已经把这个理论“溶化在血液中”了。化学家们对于化学键理论也差不多已经“溶化在血液中”了。




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