что такое квант в химии

Квантовая химия

Содержание

Общие сведения

Основной задачей квантовой химии является решение уравнения Шредингера и его релятивистского варианта (уравнение Дирака) для атомов и молекул. Уравнение Шредингера решается аналитически, учитывая следующие ограничения: жёсткий ротатор, гармонический осциллятор, одноэлектронная система. Но реальные многоатомные системы содержат большое количество взаимодействующих электронов, а для таких систем не существует аналитического решения этих уравнений, и, по всей видимости, оно не будет найдено и в дальнейшем. По этой причине в квантовой химии приходится строить различные приближённые, обычно численные или получисленные решения. Из-за быстрого роста сложности поиска решений с ростом сложности системы и требований к точности расчёта, возможности квантовохимических расчётов сильно ограничиваются текущим развитием вычислительной техники, хотя, наблюдаемые в последние два десятилетия революционные сдвиги в развитии компьютерной техники, приведшие к её заметному удешевлению, заметно стимулируют развитие прикладной квантовой химии. Решение уравнения Шредингера строится на уравнении Хартри-Фока-Рутана итерационным методом (SCF-self consistent field — самосогласованное поле) и состоит в нахождении вида волновой функции. Приближения, используемые в квантовой химии:

1. Приближение Борна — Оппенгеймера (адиабатическое): движение электронов и движение ядер разделено (ядра движутся настолько медленно, что при расчёте движения электронов ядра можно принять за неподвижные объекты). В связи с этим приближением существует так называемый эффект Яна-Теллера. Данное приближение позволяет представить волновую функцию системы как произведение волновой функции ядер и волновой функции электронов.
2. Одноэлектронное приближение (или приближение Хартри): считается, что движение электрона не зависит от движения других электронов системы. В связи с этим в уравнения, используемые в квантовой химии вносятся поправки на взаимное отталкивание электронов. Это позволяет волновую функцию электронов представить в виде суммы волновых функций отдельных электронов.
3. Приближение МО ЛКАО (Молекулярная Орбиталь как Линейная Комбинация Атомных Орбиталей): в данном подходе волновая функция молекулы представляется как сумма атомных орбиталей с коэффициентами: Ψ(r)=c₁ψ₁+ c₂ψ₂+…+c_nψ_n, где
Ψ(r) — волновая функция (а точнее — её электронная часть),
c₁ — коэффициент при атомной орбитали,
ψ₁ — волновая функция атомной орбитали (получается при решении уравнения Шредингера для атома водорода — известно в точном виде). Решение задачи состоит в нахождении коэффициентов С. При учёте всех интегралов — так называемый метод Ab initio — количество вычислений растёт пропорционально количеству электронов в 6-8 степени, при полуэмпирических методах — в 4-5 степени.

Получаемая при решении уравнения волновая функция является математической абстракцией. Имеет определённый физический смысл лишь квадрат её значения, который по мнению Э.Шрёдингера, характеризует вероятность распределения (плотность) отрицательно заряженного электронного облака.

Однако большинство физиков не разделяло убеждений Э.Шрёдингера, так как доказательств существования электрона как отрицательно заряженного облака не существовало на тот момент. Общепринятой точка зрения стала лишь благодаря работам Макса Борна, который обосновал вероятностную трактовку квадрата волновой функции. За фундаментальное исследование в области квантовой механики, особенно за статистическую (вероятностную) интерпретацию волновой функции, М.Борну была присуждена в 1954 году Нобелевская премия по физике.

Строение атома

Источник

Что такое квант в химии

Раньше считали, что мельчайший размер имеет атом, но нынче ученые докопались аж до кварков и суперструн. Но вопрос определения мельчайшего расстояния оставим физикам – рано или поздно нам предъявят эталон. Факт в том, что наш опыт подтверждает, что деление отрезка в реальности не бесконечно.

Эти рассуждения близки известному парадоксу Ахиллеса и черепахи. Древние тоже задумывались о бесконечности деления пространства. Так то!

А вот и нет. Выяснилось, что существует конечный кусочек энергии. Самая маленькая порция энергии, меньше которой не существует. Как и в случае с расстоянием, передачу энергии можно делить на кусочки (или пакеты, если вы вэб-программист, и вам так понятнее). Самый крошечный кусочек энергии и называют квантом.

Собственно на этом можно и закончить. Но ведь вам наверняка интересно, как это было обнаружено, да и почему из такого пустяка родилась целая наука – квантовая физика.

Эта гипотетическая духовка после нагревания, разумеется, тоже начнет излучать тепло. Физики стали считать, сколько тепла (энергии) будет излучать такая духовка. И неожиданно у них по тогдашним, казалось бы логичным, формулам умника Максвелла выходила бесконечная энергия. Это была засада – практика показывала, что в реальности подобные бесконечности не наблюдается вообще нигде и тем более в духовках. И вот на этой ерунде вся классическая физика пошла лесом.

Первым что-то путное высказал Макс Планк – дедушка квантовой физики. Он чисто по-студенчески подогнал результат под задачу, придумав формулу, из которой следовало, что энергия излучается порциями. То есть каждая электромагнитная волна несет в себе определенное количество энергии, пропорциональное частоте этой волны. Чем больше частота волны, тем больше энергии несет в себе один квант. Коэффицент пропорциональности назвали постоянной Планка, которая впоследствии оказалась не просто какой-то случайной цифрой, а фундаментальной физической величиной.

Хорошая аналогия: когда мы играем на скрипке, и плавно увеличиваем громкость, то на самом деле громкость растет не непрерывно, а скачками, но такими маленькими, что мы не замечаем этого.

Явление фотоэффекта вообще никто не мог объяснить в рамках классической физики. На картинке, походу, нарисован прибор для изучения фотоэффекта.

Никто не мог, кроме Эйнштейна. Чтобы объяснить, почему цвет падающего луча света, а не его энергия, определяет скорость выбиваемых электронов, Эйнштейн решил перенести идейки о порциях энергии Планка на световую волну. Ведь озадаченный Планк применял свою теорию только к тепловым излучениям.

Для начала Эйнштейн впервые озвучил идею, что свет можно и нужно рассматривать не как волну, а как частицу (впоследствии ее назовут фотоном, а Эйнштейн называл ее световым квантом). Для любознательных: обычная лампочка в 100 Ватт излучает в секунду примерно сто миллиардов миллиардов фотонов (это 10 в 20 степени).

И после этого мир уже никогда не был прежним. Физики столкнулись с невероятным для макромира явлением, что материя может быть одновременно и частицей и волной, что энергия не делится бесконечно, а очень даже кратна некоему значению (постоянной Планка), что эти самые кванты обладают такими свойствами, что расскажи кому в приличной компании – не поверят и вызовут санитаров.

Эйнштейн был злостным противником квантовой физики. Он до самой смерти держал оборону, считая, что квантовые явления можно как-то нормально объяснить. Но разные там Нильсы Боры, Гейзенберги, Ландау и прочие открывали все новые и новые свойства квантов. А в 50-е годы, уже после смерти Эйнштейна квантовые штучки были подтверждены экспериментально и окончательно.

Comments

>Энергия же выбитых из пластинки электронов растет, если увеличить длину волны (частоту) света

Ошибочка в тексте. Увеличиваем частоту, а длину волны УМЕНЬШАЕМ!

> Выяснилось, что существует конечный кусочек энергии. Самая маленькая порция энергии, меньше которой не существует.

Это упрощение для «гуманитариев», или косячок? 🙂

Формула ниже по тексту, та, что в синей рамочке: порция и частота жестко связаны, да. Но никакого ограничения по минимум на порцию нет.

— Как сказать. В общем-то, первоначально термин «элементарная частица» обозначал, вернее, подразумевал под собой нечто абсолютно элементарное, как говорят физики, первокирпичик материи. Однако после того, как в 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, которые обладают внутренними степенями свободы и состоят из кварков, был придуман новый термин «фундаментальные частицы», обозначавший уже самые элементарные частицы, такие как лептоны, кварки и другие, якобы бесструктурные частицы, которые «невозможно расщепить на составные части». Пожалуй, я не буду вдаваться в тонкости физики, вряд ли вам это будет интересно. Но, так сказать, для общего понимания приведу простой пример. Давайте возьмём электрон. Надеюсь, всё знают, что это такое?

— А как же! Конечно знаем, — хвастливо заявил Женька. — Это такие маленькие-маленькие отрицательно заряжённые частицы, которые носятся вокруг атома, прямо как блохи по собаке.

Все рассмеялись. Сэнсэй махнул рукой, мол, ладно, хоть такое понимание присутствует в этой буйной головушке, и то хорошо, и продолжил:

— Так вот, электрон был первой элементарной частицей, которую в 1897 году открыл английский физик по фамилии Томсон. А вот первой открытой античастицей был позитрон. Это частица с массой электрона, только с положительным электрическим зарядом. Этот позитрон был обнаружен американским физиком Андерсоном в 1932 году. Ну, о том, что электронное строение атома определяет его свойства, в том числе и важную для химии способность атома образовывать химические соединения, я надеюсь, вы тоже знаете.

— Да! — гордо подтвердил Женька. — И собаки и блохи состоят из атомов, окружённых электронами. Количество электронов определяет кто из них собака, а кто блоха!

Под смех ребят Сэнсэй одобрительно кивнул:

— Пример, конечно, грубый, но по своей сути указывает на важность электронов. Итак, электроны, по мнению современных физиков, относятся к фундаментальным, то есть бесструктурным частицам. Но на самом деле электрон состоит из 13 частиц По или гравитонов. Так как гравитон чисто гипотетическая частица и экспериментально не доказана, но теоретически вычислена, и наиболее подходящая для обозначения частички По, то чисто гипотетически можно с уверенностью утверждать, что из всех «фундаментальных» частиц истинно таковым является только гравитон. Остальные состоят из 3-5-7-12-33-70 и так далее частичек По. Причём многие «фундаментальные» частички, состоящие из одного и того же числа частичек По, но имеющие разные формы и знаки заряда, соответственно играют и разные роли в этом театре материи. Примером тому служит тот же электрон и позитрон. Что в одном 13 частичек По, что в другом, что один имеет спиральную форму, что другой. Разница всего лишь в том, что один имеет отрицательный внешний заряд, «левую» спираль и положительный внутренний потенциал, а другой всё то же, только наоборот — положительный внешний заряд, «правую спираль» и отрицательный внутренний потенциал.

Николай Андреевич, внимательно выслушав Сэнсэя, тактично заметил:

— Я, конечно, не физик, спорить не буду. Но насколько я помню, электрон действительно имеет отрицательный заряд, а позитрон — положительный. О спиральной форме тоже ничего не могу сказать, не видел. Но Сэнсэй, о каком внутреннем потенциале ты говоришь, это ведь элементарные частицы? Что-то тут я не совсем тебя понимаю…

— В твоём непонимании виноват не я, — усмехнулся Сэнсэй, — а Бор.

— Бор? А кто это? — поинтересовался Руслан.

— Был такой датский физик, который в своё время, а точнее в 1912 году предложил решить проблему движения электронов вокруг ядра выделением для них так называемых стационарных орбит, двигаясь по которым электрон не утрачивает энергии.

— Ну, и чегось набедокурил сей мужик? — с неизменным чувством юмора спросил Женька.

А вот квантомеханическая теория строения атома, которая рассматривает атом как систему микрочастиц, не подчиняющихся законам классической механики, абсолютно не актуальна. На первый взгляд доводы немецкого физика Гейзенберга и австрийского физика Шрёдингера кажутся людям убедительными, но если всё это рассмотреть с другой точки зрения, то их выводы верны лишь отчасти, а в целом, так и вовсе оба не правы. Дело в том, что первый описал электрон, как частицу, а другой как волну. Кстати и принцип корпускулярно-волнового дуализма также неактуален, поскольку не раскрывает перехода частицы в волну и наоборот. То есть куцый какой-то получается у учёных господ. На самом деле всё очень просто. Вообще хочу сказать, что физика будущего очень проста и понятна. Главное дожить до этого будущего. А что касательно электрона, то он становится волной только в двух случаях. Первый — это когда утрачивается внешний заряд, то есть когда электрон не взаимодействует с другими материальными объектами, скажем с тем же атомом. Второй, в предосмическом состоянии, то есть когда снижается его внутренний потенциал.

— Кстати, о внутреннем потенциале, Сэнсэй, ты говорил, что его имеет любой материальный объект. А человек? — поинтересовался Николай Андреевич.

— А как же! Для человека это не просто энергия жизни, а определяющий фактор. Кто он, Человек или думающее животное?! Дело в том, что человек, в отличие от других материальных объектов, может менять свой внутренний потенциал с отрицательного (разрушительного) на положительный (созидательный).

— …А также управлять другими материальными объектами, — появился второй Сэнсэй. — К примеру, положительно заряженными частицами с отрицательным внутренним потенциалом мы довольно ловко и весьма охотно пользуемся. Кстати, может пора рассказать им, что это такое на самом деле, и как можно этим более эффективно пользоваться?

— Это ты за электричество что ли? — спросил третий Сэнсэй и, глянув на глуповато-удивлённые лица слушающих, с юмором изрёк: — Не думаю, что это их сильно заинтересует. Тем более что это ерунда по сравнению с тем, что они сейчас имеют возможность видеть меня в трёх экземплярах. Хотя на самом деле…

Источник

Квант

Квант (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике. В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется). В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения [1] — и последнее называют квантом. Например, энергия монохроматического электромагнитного излучения угловой частоты может принимать значения , где — редуцированная постоянная Планка, а — целое число. В этом случае имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а — смысл числа́ этих квантов (фотонов). В смысле, близком к этому, термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года — первой работе по квантовой теории, заложившей её основу. Вокруг идеи квантования с начала 1900-х годов развилась полностью новая физическая концепция, обычно называемая квантовой физикой.

Ныне прилагательное «квантовый» используется в названии ряда областей физики (квантовая механика, квантовая теория поля, квантовая оптика и т. д.). Широко применяется термин квантование, означающий построение квантовой теории некоторой системы или переход от её классического описания к квантовому. Тот же термин употребляется для обозначения ситуации, в которой физическая величина может принимать только дискретные значения — например, говорят, что энергия электрона в атоме «квантуется».

Сам же термин «квант» в настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Иногда его употребляют для обозначения частиц или квазичастиц, соответствующих бозонным полям взаимодействия (фотон — квант электромагнитного поля, фонон — квант поля звуковых волн в кристалле, гравитон — гипотетический квант гравитационного поля и т. д.), также о таких частицах говорят как о «квантах возбуждения» или просто «возбуждениях» соответствующих полей.

Кроме того, по традиции «квантом действия» иногда называют постоянную Планка. В современном понимании это название может иметь тот смысл, что постоянная Планка является естественной единицей измерения действия и других физических величин такой же размерности (например, момента импульса).

Некоторые кванты

Кванты некоторых полей имеют специальные названия:

Источник

Значение слова «квант»

[От лат. quantum — сколько]

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

может принимать значения

— редуцированная постоянная Планка, а

— целое число. В этом случае

имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а

— смысл числа́ этих квантов (фотонов). В смысле, близком к этому, термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года — первой работе по квантовой теории, заложившей её основу. Вокруг идеи квантования с начала 1900-х годов развилась полностью новая физическая концепция, обычно называемая квантовой физикой.

Ныне прилагательное «квантовый» используется в названии ряда областей физики (квантовая механика, квантовая теория поля, квантовая оптика и т. д.). Широко применяется термин квантование, означающий построение квантовой теории некоторой системы или переход от её классического описания к квантовому. Тот же термин употребляется для обозначения ситуации, в которой физическая величина может принимать только дискретные значения — например, говорят, что энергия электрона в атоме «квантуется».

Сам же термин «квант» в настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Иногда его употребляют для обозначения частиц или квазичастиц, соответствующих бозонным полям взаимодействия (фотон — квант электромагнитного поля, фонон — квант поля звуковых волн в кристалле, гравитон — гипотетический квант гравитационного поля и т. д.), также о таких частицах говорят как о «квантах возбуждения» или просто «возбуждениях» соответствующих полей.

Кроме того, по традиции «квантом действия» иногда называют постоянную Планка. В современном понимании это название может иметь тот смысл, что постоянная Планка является естественной единицей измерения действия и других физических величин такой же размерности (например, момента импульса).

КВАНТ, а, м., и КВА’НТА, ы, ж. [от латин. quantum — сколько] (физ.). Наименьшее количество какой-н. физической величины, обладающее самостоятельным существованием. Теория квант.

Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

квант

1. физ. неделимая порция материи или наименьшее количество энергии, выделяемое или поглощаемое объектом ◆ Согласно квантовой теории света, лучистая энергия испускается или поглощается телами отдельными порциями — квантами.

Делаем Карту слов лучше вместе

Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

Спасибо! Я стал чуточку лучше понимать мир эмоций.

Вопрос: всезнайка — это что-то нейтральное, положительное или отрицательное?

Источник

Что такое квант в химии

Введение в курс квантовой химии

Таким образом, мы видим, что силе притяжения между ядрами и электронами противостоят сразу две «черные» силы электростатического отталкивания ядер и электронов друг от друга. Таким образом, здравый смысл отказывает в праве на существование молекулярным телам любой сложности.

Таким образом, мы видим, что для такой простой системы, включающей два положительных заряда и один отрицательный, силы Кулоновского притяжения между ними в восемь раз превышают силы Кулоновского отталкивания. Вот это и есть самое грубое представление о связывании ядер и электронов в молекулярных системах.

Результатом применения методов квантовой химии является информация о плотностях электронных состояний, распределение электронной плотности, потенциальные поверхности реакций и барьеры перегруппировок, расчет различных спектроскопических величин, таких как колебательные спектры, электронные и рентгеновские спектры, оптические спектры, параметры спектров ядерного и электронного магнитных резонансов.

В настоящее время квантовая химия является, пожалуй, самым дешевым, доступным и универсальным методом исследования атомной и электронной структур вещества. Правда необходимо понимать, что человечество, тем не менее, не может совсем отказаться от дорогостоящих экспериментальных методик исследования вещества, так как результаты квантово-химических исследований необходимо подтверждать ключевыми экспериментами.

В настоящее время, тем не менее, подавляющее большинство расчетов направлено на получение дополнительной информации об уже известных и реально существующих объектах. Но даже с учетом этого обстоятельства информативность теоретических методов существенно выше! Разве можно в одном эксперименте получить равновесную атомную структуру, дипольный момент, теплоту образования, потенциалах ионизации, распределении зарядов, порядках связей, спиновой плотности, изучить спектроскопические характеристики вещества? Безусловно, существует определенное ограничение достоверности получаемых результатов, однако ограничения методов квантовой химии известны, что позволяет во многих случаях реалистично оценивать их точность и адекватность. В ряде же случаев надежность получаемых квантово-химических данных даже выше, нежели чем экспериментальных. Так, экспериментальное определение теплоты образования полициклического алкана представляют собой длительную, дорогую, сложную и многоступенчатую процедуру, тогда как расчет займет несколько секунд на дешевом компьютере, причем точность будет даже выше, чем в эксперименте!

Однако очевидно, что это редкий случай. В подавляющем большинстве случаев качество результатов в значительной степени определяется адекватностью выбираемой модели. Так в качестве примера можно привести исследование потенциальной кривой образования/диссоциации молекулы водорода.

Первая кривая получается тогда, когда в качестве волновой функции системы выбирается синглет, т.е. когда спины электронов антипараллельны. Как видим, эта волновая функция хорошо описывает экспериментальную кривую только в области ее минимума. Вторая потенциальная кривая соответствует триплетной волновой функции (спины параллельны). Как видим, она хорошо описывает только диссоциационный предел с фактически не взаимодействующими атомами водорода. Как видим, реальную систему необходимо исследовать с использованием волновой функции, построенной из синглета и триплета.

Тогда предполагалось, что микрообъекты можно описать классической механикой в сочетании со статистикой. Так, например, была создана молекулярно-кинетическая теория теплоты, которая хорошо описывала ряд наблюдаемых явлений.

Однако вскоре обнаружились ряд непонятных эффектов, которые никоим образом не могли быть объяснены с точки зрения классической механики и электродинамики. Так оказалось неясным поведение теплоемкости кристаллов при низких температурах, не понятно было, почему свободные электроны не вносят вклад в теплоемкость металлов, наконец, было установлено резкое расхождение экспериментальной и теоретической картин спектра теплового излучения атомов («ультрафиолетовая» и «инфракрасные» катастрофы).

Затем были получены аналогичные результаты и для электронов. Так, Франк и Герц, измеряя электрический ток в парах ртути. Схема опыта была такова: Через пары ртути пропускался поток электронов, скорость которых и, следовательно, энергия, постепенно увеличивалась. До некоторого времени, электроны, сталкиваясь с атомами ртути, почти не теряют своей энергии, то есть удары упругие, так что электрический ток соответствует закону Ома, приблизительно равен приложенной разнице потенциалов. Когда же энергия электронов становится равной 4.9 эВ, ток резко падает. Это происходит потому, что электрон теряет энергию, сталкиваясь с атомом ртути, возбуждая его. Таким образом, возбудить атом ртути, передавая ему энергию менее 4.9 эВ. невозможно. Оказалось, однако, что возбуждения не происходит и тогда, когда энергия электрона больше величины 4.9 эВ.

Первое противоречие такой картины было в следующем: согласно теории электричества неподвижная система зарядов не может быть устойчивой. Если же предположить, что электроны вращаются вокруг ядра, то, двигаясь с ускорением, они должны постоянно испускать электромагнитное излучение, терять энергию и, в конце концов, упасть на ядро.

С другой стороны было получено неопровержимое свидетельство того, что электрон является волной! Это были опыты по интерференции электронов.

Непонятными с классической точки зрения оказались и спектры атомов, которые состоят из отдельных линий, соответствующих определенным частотам возбуждения. Наиболее просты спектры водорода и водородоподобных атомов, частоты которых описываются формулой:

Никакой классической моделью было не возможно объяснить такую форму атомных спектров.

2. Переход электронов может происходить только с одной стационарной орбиты на другую.

Из этой модели вытекали сразу множество важных следствий: так были получены квантовые числа, при помощи которых удалось описать линейчатые спектры атомов, магнитные моменты атомов, оценить радиусы орбит и скорости вращения электронов на них. Как дальше мы увидим, квантовые числа, впервые полученные в модели Бора, имеют четкий физический смысл.

Однако значение момента одновалентного атома не соответствовало этой картине. Поэтому Юленбек и Гаудсмит предположили, что в создании магнитного момента атома существенную роль играет собственный момент электрона, который возникает из-за того, что электрон, являясь заряженным шариком, вращается вокруг своей оси, в результате чего у него возникает механический и магнитный моменты.

Этот и другие подходы в настоящее время реализованы в наборе компьютерных программ, с которыми мы будем позже знакомится.

© И н с т и т у т Ф и з и к и
им. Л.В.Киренского 1998-2007

[an error occurred while processing this directive]

Источник