Предмет квантовой механики и квантовой химии

Введение
В отличие от традиционной химии, рассматривающей молекулу как систему связанных атомов, квантовая механика описывает молекулу как набор ядер и электронов. Электроны и ядра принципиально отличаются от частиц классической механики, что экспериментально было обнаружено в начале XX века Резерфордом, Франком, Герцем, Вавиловым и др.Введение

понятия кванта Планком, принципа неопределенности Гейзенбергом, построение Бором модели атома в итоге привели к созданию новой науки – квантовой механики.
Квантовая механика теоретически обосновала основные химические представления и закономерности, включая периодический закон Д.И. Менделеева. Развитие квантовой механики привело к созданию компьютерных расчетных методов, точность которых превышает экспериментальную для простейших систем. Квантовая химия использует эти методы для теоретического исследования химических частиц и их превращений. В результате квантовых расчетов можно получить геометрическое строение молекулы и относительные энергии ее возможных изомеров, скорость превращения одной молекулы в другую, а так же различные свойства молекулы – дипольный момент, поляризуемость, константы спин-спинового взаимодействия и пр.
Цель данного реферата – разобраться в предмете изучения квантовой механики и квантовой химии.
Задачи:
Дать определение квантовой механики;
Дать определение квантовой химии;
Выстроить в хронологическом порядке формирование квантовой механики и квантовой химии;
Определить предмет изучения квантовой механики и квантовой химии.


Квантовая механика
О квантовые механики следует говорить в первую очередь, так как именно она является прародительницей квантовой химии. [1]
Еще в древности Демокрит предполагал, что всё окружающее человечества состоит из мельчайших частиц – «атомов». Сейчас нам известно, что атомы – это не самые маленькие частицы. Свойства макроскопических тел в определяющей степени зависят от поведения электронов, протонов, нейтронов, атомов и молекул, которые составляют материю. Все эти частицы несут на себе определенную энергию и находятся в постоянном движении. Для описания движения этих микрочастиц приходится обращаться к квантовой механики.
Квантовая механика – это теория, которая устанавливает связь между способом описания и законами движения микрочастиц и их систем, а так же связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

Квантовая химия
Как говорилось выше, квантовая механика – подготовила почву для создания теоретическому разделу химии – квантовой механики.
Квантовая механика – это теоретический раздел химии, в котором описание химических свойств вещества и химических превращений производится на основе методов квантовой механики. [2]

Краткий исторический очерк развития квантовой механики и квантовой химии.
Квантовая механика зародилась в начале 20 в. и окончательно сформировалась в 20-е – 30е гг 20 века. Она развивалась как ответ на новые экспериментальные открытия, накопленные к началу 20 века. Эти открытия касались странного поведения микрочастиц, которое разительно отличалось от поведения макрообъектов.
Квантовая химия формировалась одновременно с квантовой механикой, хотя предпосылки для описания химических свойств на основе описания структуры атомов и молекул были сделаны раньше:
1857 – Теория валентности Кекуле (одна из первых теорий, связывающих структуру вещества с химическими свойствами): атомы связываются в молекулы в соответствии с строго определенными соотношениями, что определяет свойства вещества

.
1861 – Теория Бутлерова о строении органических веществ: свойства органических соединений определяются не только количеством атомов данного типа, но и способом соединения атомов (химическим строением).
1874 – Идея Вант-Гоффа: молекула – пространственная структура соединенных атомов
1916 – Теория октетов Льюиса (Гилберт Ньютон Льюис, амер.) – химическая связь образуется за счет образования заполненных октетов в парах атомов, т.е. парой электронов, а не положительных и отрицательных атомах, как считалось ранее. Другие открытия Льюиса - фотолиз, тяжелая вода, теория кислот и оснований, гипотеза о существовании комплекса (O2)2.
Как только были сформулированы основные законы квантовой механики, они сразу же были применены к описанию структуры молекул:
1927 - Расчет молекулы водорода Гайтлером и Лондоном методом валентных связей - 1927 показано, что связь осуществляется парой электронов (метод валентных связей)
1927 – Приближение Хартри
1929 – Метод МО–ЛКАО (Леннард-Джонс, англ.физик)
1930 – Метод Хартри-Фока (Дж. Слейтер и В.А. Фок)
1951 – Уравнения Рутана и метод Рутана-Холла
1961 – Теорема Хоэнберга-Кона – основа теории функционала плотности
1950-1960-е – создание первых общедоступных КВХ программ (полуэмпирические методы)
1970-е – Появление общедоступных ЭВМ, теория функционала плотности развивается до уровня практического метода расчета свойств молекул, общедоступные программы квантовохимических расчетов.
1980-е – появляются современные программы КВХ-расчетов Gaussian, GAMESS.
1990-2000-е - повсеместное использование квантовохимических расчетов. Большинство статей в научных журналах по механизмам реакций и свойствам новых соединений сопровождается в той или иной степени квантовохимическими вычислениями. Точность расчетов в ряде областей сравнивается с экспериментальной. С появлением суперкомпьютеров для расчетов становятся доступны такие системы как ферментативные центры, активные центры катализаторов, биологические молекулы. [2], [3]

Предмет квантовой механики и квантовой химии
Все материальные объекты можно условно разделить на два типа. Критерием для этого является длина волны де Бройля (λ), рассчитываемая по формуле
λ=hmv
где h — постоянная Планка (6,626·10−34 Дж·с); m — масса; v — скорость частицы.
К первому типу относятся частицы, длина волны которых значительно меньше характеристического размера (Λ) области ее движения. Это — макрочастицы. Ко второму типу относятся микрочастицы, их длина волны соизмерима с характеристическим размером.
Квантовая механика — наука для описания движения и взаимодействия одной или нескольких микрочастиц:
λ ≪ Λ — макрочастицы, движение описывается классической механикой;
λ ~ Λ — микрочастицы, движение описывается квантовой механикой.
Подразделение тел на макро- и микрочастицы связано с тем, что при попытке получить информацию об их движении они ведут себя по-разному. Макрочастицы обладают энергией, значительно превышающей энергию процессов, с помощью которых измеряют координаты и скорость тела. К таким процессам можно отнести механическое движение в измерительных приборах скорости или пройденного пути, облучение тела видимым светом для того, чтобы его обнаружить, и т.д