量子化学

量子化学是理论化学的一个分支，它应用量子力学、量子场论和波恩-奥本海默近似来解决化学中的问题和难题。 量子化学的一个应用是研究原子和分子的行为与其相互作用的关系。量子化学位于化学和物理学的边界，来自两个学科的专家都参与其中。 之所以这样称呼它，是因为定量数字，即以逻辑数学结果的形式出现的数字，决定了电子场的大小和形状。

实验量子化学家严重依赖光谱学（光谱学），从中可以在分子尺度上获得有关能量量子化的信息。常用的方法有红外 （IR） 光谱、核磁共振波谱 （NMR） 和扫描探针显微镜。 理论量子化学（其工作也被归类为计算化学类别）试图找到量子理论的预测，因为原子和分子具有独立的能量，并且由于这项任务在应用于多原子物种时会导致多体困境，因此这些计算是使用计算机执行的。 这涉及实验方法和理论方法之间的深度相互作用。通过这种方式，量子化学家研究化学现象。 量子化学研究单个原子和分子的底栖状态、激发态和化学反应过程中发生的过渡态。

解决任何量子化学难题的第一步通常是通过哈密顿效应求解薛定谔方程（或相对量子化学中的狄拉克方程）。这称为确定分子的电子结构。可以说，分子或晶体的电子结构主要表明其化学性质。薛定谔方程的精确解只能得到氢原子（尽管氢分子离子中相关态能状态的精确解是由朗伯函数的条件决定的）。由于所有其他原子或分子系统都具有三个或更多粒子的运动，因此薛定谔方程无法准确求解，因此必须寻求近似解。

量子力学和量子化学的基础是波动模型，其中原子是一个被电子包围的小而致密的带正电的原子核。波模型是从波函数推导出来的，波函数是一组可能的方程，这些方程来自薛定谔方程的时间演化，应用于亚原子粒子的波动概率分布。与之前的原子玻尔模型不同，波动模型将电子描述为在轨道上移动的云，其位置由概率分布而不是特定点表示。该模型的优势在于其预测能力。它专门预测元素周期表上存在的化学相同元素的模型。波模型之所以如此命名，是因为电子表现出传统的波束特性（如干涉）。当我们在这个模型中求解氢原子的薛定谔方程时，我们得到了一个基于一些称为量子数的数字的解，该量子数描述了电子的轨道和最可能的位置。这称为能量 L 的主量子数 n，或与角动量相关的次级量子数，方向用 ml 表示，周期用 MS 表示。这个模型可以解释原子光谱中出现的新谱线。对于多电子原子，我们必须引入一些规则，因为电子填充轨道的方式是将原子的能量降低到最低限度，以增加其总能量，包括：泡利不相容原理、洪德定律和欧宝原理。

尽管量子化学的数学基础是由薛定谔在1926年奠定的，但众所周知，量子化学的第一次真正计算是由德国物理学家沃尔特·海特勒（Walter Heitler）和弗里茨·伦敦（Fritz London）于1927年对氢分子（H2）进行的。希特勒和伦敦的研究由于美国理论物理学家约翰·斯莱特（John C. Slater）和美国理论化学家莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）的研究而扩大，以产生价键（VB）的研究。该方法的重点是原子之间的对相互作用，因此该方法与经典化学家的键图高度一致。他们专注于分子形成时原子轨道如何结合形成单独的化学键。当考虑有机化合物时，化学键的概念会发生变化，然后您需要应用与分子之间恒定的电子共对的化学观点不符的共振和杂化思想。

通过哈密顿效应求解薛定谔方程来研究分子的运动，可以形成另一个步骤。薛定谔方程的直接解称为量子分子动力学。

恒热动力学中原子之间的相互作用由称为势能表面的标准单概率表示。这被称为伯恩和奥本海默近似，他们在 1927 年提出了它。1927 年，Rice 和 Ramsberger 以及 1928 年的 Kassel 进行了开创性地将其应用于化学，并于 1952 年由 Marcus 扩展到 Rice、Ramsberger、Castle 和 Marcus （RRKM） 理论，他考虑了化学家 Ferring 于 1935 年提出的过渡态理论。这些方法提供了从一些潜在的表面特性中对非分子反应速率的简单估计。

经典力学定律适用于大物体，当这些定律应用于原子或电子等小物体时， 人们发现这些定律无法解释这些物体的自然现象和行为，因此出现了量子力学理论。 量子机制，能够解释这些物体的行为以及大型物体的行为。

经典力学未能解释而量子力学成功的最重要的现象包括：

• 玻尔的氢原子理论
• 原子和部分光谱
• 黑体辐射
• 光电效应现象
• 康普顿效应现象
• 盒子里的粒子模型（自由电子模型）