კვანტური ქიმია

კვანტური ქიმია — ქიმიის დარგი, რომელიც მიზნად ისახავს ფიზიკურ მოდელებში კვანტური მექანიკის გამოყენებას და ქიმიური სისტემების ექსპერიმენტებს. ზოგჯერ მას მოლეკულურ კვანტურ მექანიკასაც უწოდებენ. ექსპერიმენტული ქვანტური ქიმიკოსები ეყრდნობიან სპექტროსკოპიას, რომლის მეშვეობითაც მოლეულურ დონეზე ენერგიის კვანტიზაციით ინფორმაციის შენარჩუნებაა შესაძლებელი. ჩვეულებრივ მეთოდებს შორისაა: ინფრაწითელი სპექტროსკოპია, ბირთვული მაგნიტური რეზონანსური სპექტროსკოპია და სკანირებითი მიკროსკოპია. თეორიული კვანტური ქიმიის შრომები გამოთვლითი ქიმიის კატეგორიაში ერთიანდება და მიზნად ისახავს კვანტური თეორიის პროგნოზების გამოთვლას, რადგანაც ატომებსა და მოლეკულებს შეიძლება ჰქონდეთ დისკრეტული ენერგიები. ამ მხრივ მრავალატომური ერთეულების შემთხვევაში მრავალმხრივი პრობლემა წარმოიშობა, რომლის დროსაც გამოთვლები უმეტესწილად კომპიუტერით ხორციელდება, ვიდრე ანალიტიკური Back-of-the-envelope გამოთვლითი მეთოდებით. კვანტური ქიმია მოიცავს ურთიერთდაკავშირებულ ექსპერიმენტულ და თეორიულ მეთოდებს. ამ გზით კვანტური ქიმიკოსები ქიმიურ ფენომენებს იკვლევენ. კვანტური ქიმია შეისწავლის ინდივიდუალური ატომებისა და მოლეკულების საწყის მდგომარეობას, ასევე ტრანზიციულ მდგომარეობებს ქიმიური რეაქციების დროს. გამოთვლებისას კვანტური ქიმია ასევე იყენებს ნახევრად ემპირიულ და სხვა მეთოდებს, რომლებიც კვანტურ მათემატიკურ პრინციპებზეა დაფუძნებული და დროზე დამოკიდებულ პრობლემებს ეხება. კვანტური მექანიკის მთავარ მიზნებს შორისაა პატარა მოლეკულური სისტემების შედეგების მეტი სიზუსტით განსაზღვრა. ზოგიერთი მოსაზრებით, კვანტური ქიმიის დასაწყისად შრედინგერის განტოლების შემუშავება ითვლება. ასევე, უოლტერ ჰეითლერისა (1904-1981) და ფრიც ლონდონის 1927 წლის სტატია კვანტური ქიმიის ისტორიაში პირველ ეტაპად მიიჩნევა. ეს არის კვანტური მექანიკის პირველი გამოყენება დიატომური წყალბადის მოლეკულისთვის. შემდეგ წლებში ამ მიმარტულებით მეტ პროგრესს მიაღწიეს ედუარდ ტელერმა, რობერტ მალიკენმა, მაქს ბორნმა, რობერტ ოპენჰაიმერმა, ლინუს პაულინგმა, ერიხ ჰიუკელმა, დაგლას ჰართრიმ, ვლადიმირ ფოკმა და სხვებმა. კვანტური ქიმიის განვითარებას ხელი შეუწყო 1838 წელს მაიკლ ფარადეის მიერ კათოდური სხივების აღმოჩენამ, 1859 წელს გუსტავ კირხჰოფის მიერ შავი სხეულის რადიაციის პრობლემის წამოყენებამ, 1877 წელს ლუდვიგ ბოლცმანის მიერ შემოღებულმა განსაზრებამ, რომ ფიზიკური სისტემის ენერგიული მდგომარეობა შეიძლება დისკრეტული იყოს და 1900 წელს მაქს პლანკის კვანტურმა ჰიპოთეზამ, რომლის მიხედვითაც ნებისმიერი რადიაციული ატომური სისტემა შეიძლება თეორიულად დაიყოს რამდენიმე დისკრეტულ ენერგიულ ელემენტად (იხ. პლანკის მუდმივა). კვანტური ქიმიის პრობლემის გადაჭრის პირველი ნაბიჯი შრედინგერის განტოლების (ან დირაკის განტოლების რელატივისტურ ქვანტურ ქიმიაში) ელქტრონულ მოლეკულურ ჰამილტონიანთან ერთად. ამას მოლეკულის ელექტრონული სტრუქტურის განსაზღვრა ეწოდება. შეიძლება ითქვას, რომ მოლეკულის ან კრისტალის ელექტრონული სტრუქტურა მნიშვნელოვნად მიუთითებს მის ქიმიურ მახასიათებლებზე. შრედინგერის განტოლების ზუსტი ამოხსნა მხოლოდ წყალბადის ატომს ეხება. სხვა ატომურ ან მოლეკულურ სისტემებს, რომლებიც სამ ან მეტ „ნაწილაკს“ შეიცავენ, შრედინგერის განტოლება არ მიესადაგება. Atkins, P.W.; Friedman, R. (2005) Molecular Quantum Mechanics, 4th, Oxford University Press. ISBN 978-0-19-927498-7.  Atkins, P.W. (2005) Physical Chemistry. Oxford University Press. ISBN 0-19-879285-9.  Atkins, P.W.; Friedman, R. (2008) Quanta, Matter and Change: A Molecular Approach to Physical Change. ISBN 978-0-7167-6117-4.  Pullman, Bernard; Pullman, Alberte (1963) Quantum Biochemistry. New York and London: Academic Press. ISBN 90-277-1830-X.  Scerri, Eric R. (2006). The Periodic Table: Its Story and Its Significance. Oxford University Press. ISBN 0-19-530573-6.  Considers the extent to which chemistry and especially the periodic system has been reduced to quantum mechanics. Kostas Gavroglu, Ana Simões: NEITHER PHYSICS NOR CHEMISTRY.A History of Quantum Chemistry, MIT Press, 2011, ISBN 0-262-01618-4 McWeeny, R.. Coulson's Valence. Oxford Science Publications. ISBN 0-19-855144-4.  Karplus M., Porter R.N. (1971). Atoms and Molecules. An introduction for students of physical chemistry, Benjamin–Cummings Publishing Company, ISBN 978-0-8053-5218-4 Szabo, Attila; Ostlund, Neil S. (1996) Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory. Dover.  Landau, L.D.; Lifshitz, E.M. Quantum Mechanics:Non-relativistic Theory, Course of Theoretical Physic. Pergamon Press. ISBN 0-08-019012-X.  Levine, I. (2008). Physical Chemistry, 6th, McGraw–Hill Science. ISBN 978-0-07-253862-5.  Pauling, L. (1954). General Chemistry. Dover Publications. ISBN 0-486-65622-5.  Pauling, L.; Wilson, E. B. [1935] (1963) Introduction to Quantum Mechanics with Applications to Chemistry. Dover Publications. ISBN 0-486-64871-0.  Simon, Z. (1976). Quantum Biochemistry and Specific Interactions. Taylor & Francis. ISBN 978-0-85626-087-2.  The Sherrill Group – Notes ChemViz Curriculum Support Resources Early ideas in the history of quantum chemistry The Particle Adventure