কোয়ান্টাম রসায়ন

কোয়ান্টাম রসায়ন রসায়নের একটি শাখা যার প্রাথমিক উদ্দেশ্য হচ্ছে ভৌত মডেল এবং রাসায়নিক ব্যবস্থার পরীক্ষায় কোয়ান্টাম বলবিজ্ঞানের প্রয়োগ। এটি আণবিক কোয়ান্টাম বলবিজ্ঞান নামেও পরিচিত।
এতে পরীক্ষামূলক এবং তাত্ত্বিক পদ্ধতির ভারী পারস্পরিক ক্রিয়া জড়িত রয়েছে। পরীক্ষামূলক কোয়ান্টাম রসায়নবিদরা বর্ণালীবীক্ষণের উপর অত্যন্ত নির্ভরশীল, যার মাধ্যমে একটি আণবিক স্কেলে শক্তির কোয়ান্টাইজেশনের পরিমাণ নির্ধারণের তথ্য পাওয়া যেতে পারে। প্রচলিত পদ্ধতি হল ইনফ্রা-লাল (আইআর) স্পেকট্রোস্কোপি, পারমাণবিক চৌম্বকীয় অনুনাদ (এনএমআর) স্পেকট্রোস্কোপি এবং স্ক্যান প্রোব মাইক্রোস্কোপি।
তাত্ত্বিক কোয়ান্টাম রসায়ন, কার্যকরী গাণিতিক রসায়নের অধীন পড়ে, যা কোয়ান্টাম তত্ত্বের পূর্বাভাস গণনা করতে চায় যেমন পরমাণু এবং অণুগুলিতে কেবল বিচ্ছিন্ন শক্তি থাকতে পারে; এই কাজটি যখন যৌগিক আয়নের জন্য প্রয়োগ করা হয়, তখন বহু-পদার্থের সমস্যা দেখা দেয়, তাই এই গণনাগুলি বিশ্লেষণাত্মক "খামে বা নষ্ট কাগজে হিসাব করার" পদ্ধতি, কলম রেকর্ডার বা ভিডিইউ যুক্ত কম্পিউটারাইজড ডেটা স্টেশনের বদলে কম্পিউটার ব্যবহার করে সঞ্চালিত হয়।
এই পদ্ধতিতে, কোয়ান্টাম রসায়নবিদ রাসায়নিক ঘটনা তদন্ত করে। বিক্রিয়ায়,কোয়ান্টাম রসায়ন পৃথক পরমাণু এবং অণুগুলির ভুমি অবস্থা ,উত্তেজিত স্তর এবং রাসায়নিক বিক্রিয়ার সময় পরিবর্তন অবস্থা অধ্যয়ন করে।
হিসাবের সময়, কোয়ান্টাম রাসায়নিক গবেষণায় আধা-ইম্পেরিক্যাল এবং কোয়ান্টাম মেকানিক্যাল নীতিভিত্তিক অন্যান্য পদ্ধতি ব্যবহার করে এবং সময় নির্ভরশীল সমস্যাগুলি মোকাবেলা করা হয়। অনেক কোয়ান্টাম রাসায়নিক গবেষণায় অনুমান করা হয় যে নিউক্লিয়াস স্থির (বর্ন-ওপেনহাইমার সন্নিকর্ষ )। কোয়ান্টাম মেথডের প্রধান লক্ষ্য ছোট আণবিক সিস্টেমের ফলাফলের সঠিকতা বৃদ্ধি করা এবং বৃহৎ অণুগুলির আকার বৃদ্ধি করা যা প্রক্রিয়াভুক্ত হতে পারে, যা স্কেলিং বিবেচনায় সীমিত- পরমাণুর সংখ্যার শক্তি অনুসারে গণনা সংখ্যা বৃদ্ধি পায়।
কেউ কেউ শ্রোডিঙার সমীকরণ আবিষ্কার এবং ১৯২৬ সালে হাইড্রোজেন পরমাণুতে এর প্রয়োগের সাথে সাথে কোয়ান্টাম রসায়নের জন্ম হয়েছে বলে মনে করেন। যাইহোক, ১৯২৭ সালে ওয়াল্টার হিটলার এবং ফ্রেৎস লন্ডনের আর্টিকেলটি কোয়ান্টাম রসায়ন ইতিহাসে প্রথম মাইলফলক হিসাবে পরিচিতি পায়। দ্বিপারমানবিক হাইড্রোজেন অণুতে  এবং একইভাবে রাসায়নিক বন্ধনের ব্যাপারেও কোয়ান্টাম বলবিজ্ঞান প্রথম প্রয়োগ করা হয় । পরের বছরগুলোতে যাদের দ্বারা আরো অগ্রগতি সম্পন্ন হয়েছে, তাদের মধ্যে এডওয়ার্ড টেলার, রবার্ট সেন্ডারসন মুল্লিকেন, মাক্স বর্ন, রবার্ট ওপেনহেইমার, লিনাস পাউলিং, এরিক হেকেল, ডগলাস হার্ট্রি, ভ্লাদিমির ফক উল্লেখযোগ্য। কোয়ান্টাম রসায়নের ইতিহাসে ১৮৩৮ সালে ক্যাথোড রে আবিষ্কার করে মাইকেল ফ্যারাডে, ১৮৫৯ খ্রিষ্টাব্দে গুস্টাফ কিরশফ কর্তৃক কৃষ্ণবস্তু বিকিরণ সমস্যা সম্পর্কে বিবৃতি, ১৮৭৭ এ লুডভিগ বোলৎসমানের "একটি ভৌত ব্যবস্থার শক্তিস্তর স্বতন্ত্র হতে পারে" সংক্রান্ত বিবৃতি এবং ১৯০০-এ ম্যাক্স প্লাংকের কোয়ান্টাম হাইপোথিসিস হল, কোনও শক্তি বিকিরণকারী পারমাণবিক সিস্টেম তত্ত্বগতভাবে অনেকগুলি আলাদা শক্তির উপাদানে বিভক্ত করা যায় যেমন ε, এই শক্তি উপাদানগুলি ফ্রিকোয়েন্সি ν এর সমানুপাতিক ফলে তারা পৃথকভাবে শক্তি বিকিরণ করতে পারে এবং এটা একটি সংখ্যাসূচক মান যাকে প্লাংকের ধ্রুবক বলে। তারপর ১৯০৫ সালে আলোক তড়িৎ ক্রিয়ার (১৮৩৯) ব্যাখ্যা যেমন নির্দিষ্ট উপাদান আলোকে আলোকিত করার পর উপাদান থেকে ইলেকট্রন নির্গত হতে পারে, প্লাংকের কোয়ান্টাম হাইপোথিসিসের উপর ভিত্তি করে আলবার্ট আইনস্টাইন দাবি করেছেন, যে আলো স্বতন্ত্র কোয়ান্টাম কণার দ্বারা গঠিত, যা পরে ফোটন (১৯২৬) নামে পরিচিত হয়। পরবর্তি বছরগুলিতে, এই তাত্ত্বিক ভিত্তিটি ধীরে ধীরে রাসায়নিক গঠন, প্রতিক্রিয়া এবং বন্ধনে প্রয়োগ করা শুরু হয়। সম্ভবত এইক্ষেত্রে সর্বাধিক অবদান লিনাস পাউলিং-এর।
একটি কোয়ান্টাম রাসায়নিক সমস্যা সমাধানের প্রথম ধাপ হল সাধারণত ইলেকট্রনিক আণবিক হ্যামিলটনিয়ানের সাথে শ্রোডিঙার সমীকরণ (আপেক্ষিক কোয়ান্টাম রসায়নে ডিরাক সমীকরণ) সমাধান করা। একে অণুর ইলেকট্রনিক কাঠামো নির্ধারণ বলে। একে এভাবেও বলা যেতে পারে যে একটি অণু বা স্ফটিক ইলেকট্রন কাঠামো মূলত তার রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য বোঝায়। শ্রোডিঙার সমীকরণের সঠিক সমাধান শুধুমাত্র হাইড্রোজেন পরমাণুর জন্য পাওয়া যায় (যদিও হাইড্রোজেন আণবিক আয়নের আবদ্ধ অবস্থার শক্তিগুলির জন্য সঠিক সমাধান, সাধারণ ল্যাম্বার্ট ডব্লিউ ফাংশনের পরিপ্রেক্ষিতে শনাক্ত করা হয়েছে)। যেহেতু অন্য সব পারমাণবিক অথবা আণবিক ব্যবস্থায় তিন বা ততোধিক "কণার" গতি অন্তর্ভুক্ত, তাদের শ্রোডিঙার সমীকরণ সঠিকভাবে সমাধান করা যাবে না এবং তাই আনুমানিক সমাধান খুজতে হবে।
কোয়ান্টাম মেকানিক্স এবং কোয়ান্টাম রসায়নের ভিত্তি হল তরঙ্গ মডেল, যেখানে পরমাণু হল ইলেকট্রন দ্বারা বেষ্টিত একটি ছোট, ঘন, ধনাত্মক চার্জযুক্ত নিউক্লিয়াস। তরঙ্গ মডেল তরঙ্গ ফাংশন থেকে উদ্ভূত, শ্রোডিঙার সমীকরণের সময় বিবর্তন থেকে উদ্ভূত সম্ভাব্য সমীকরণের একটি সেট যা পরমাণুর কণার তরঙ্গরূপের সম্ভাবনার বণ্টনে প্রয়োগ করা হয়। পরমাণুর আগের বোর মডেলের মত নয় যদিও তরঙ্গ মডেলে ইলেকট্রনকে অরবিটালে চলন্ত "মেঘ" হিসেবে বর্ণনা করে এবং তাদের অবস্থান স্বতন্ত্র বিন্দুর বদলে সম্ভাব্যতা বণ্টন  প্রতিনিধিত্ব করে। এই মডেলের শক্তি, এর পূর্বাভাসের ক্ষমতার মধ্যে বিদ্যমান। নির্দিষ্টভাবে, এটি পর্যায় সারণীতে পাওয়া রাসায়নিক ভাবে অনুরূপ উপাদানের নকশা অনুমান করে। তাই তরঙ্গ মডেল  নামকরণ করা হয় কারণ ইলেকট্রন প্রদর্শনী বৈশিষ্ট্য (যেমন ব্যতিচার) ঐতিহ্যগতভাবে তরঙ্গের সাথে যুক্ত। কণা তরঙ্গ দ্বৈততাদেখুন। এই মডেলে, যখন আমরা একটি হাইড্রোজেন পরমাণুর জন্য শ্রোডিঙার সমীকরণটি সমাধান করি, তখন আমরা এমন একটি সমাধান পাই যাকে কোয়ান্টাম সংখ্যা বলা হয়, যা কক্ষপথকে নির্দেশ করে, যা ইলেকট্রন পাওয়ার সবচেয়ে বেশি সম্ভাব্য স্থান। যেখানে এন= প্রধান কোয়ান্টাম সংখ্যা, শক্তির জন্য এল= দ্বিতীয় কোয়ান্টাম নম্বরের জন্য, যেটি কৌণিক ভরবেগ সাথে সম্পর্কিত এবং ml= দিক ও ms = স্পিন। এই মডেলটি পরমাণুর বর্ণিত স্পেকট্রোস্কোপির মধ্যে আবির্ভূত নতুন লাইন ব্যাখ্যা করতে পারে। বহু ইলেকট্রনের পরমাণুর জন্য আমরা কিছু নিয়ম প্রবর্তন করতে পারি যেমন ইলেকট্রনগুলো পরমাণুর শক্তি কম, বৃদ্ধির জন্য পাউলির বর্জন নীতি, হুন্ডের নীতি এবং আউফবাউ নীতির মাধ্যমে অরবিটাল ভরাট করে।
যদিও ১৯২৬ সালে এরভিন শ্রোডিঙার কোয়ান্টাম রসায়নের গাণিতিক ভিত্তি স্থাপন করেছিলেন, এটি সাধারণভাবে গৃহীত যে কোয়ান্টাম রসায়নের প্রথম যথাযথ গণনা ছিল জার্মান পদার্থবিজ্ঞানী ওয়াল্টার হিটলার এবং ফ্রিটজ লন্ডনের ১৯২৭ সালে হাইড্রোজেন (H2) অণুতে। হিটলার এবং লন্ডনের পদ্ধতি আমেরিকান তাত্ত্বিক পদার্থবিজ্ঞানী জন ক্লার্ক স্লেটার এবং আমেরিকার তাত্ত্বিক রসায়নবিদ লিনাস পাউলিং সমযোজী বন্ধন (ভিবি) [ বা হিটলার-লন্ডন-স্লেটার-পাউলিং (এইচএলএসপি)] পদ্ধতিতে পরিণত করে। এই পদ্ধতিতে মনোযোগ প্রাথমিকভাবে পরমাণুগুলির মধ্যে জোড়া জোড়া মিথস্ক্রিয়াগুলির প্রতি থাকে এবং এই পদ্ধতিটি ক্লাসিক্যাল রসায়নবিদদের আঁকা রাসায়নিক বন্ধনগুলির সাথে ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কযুক্ত। এটি একটি অণু গঠনের সময় পারমাণবিক কক্ষকগুলো কীভাবে মিলিত হয়ে রাসায়নিক বন্ধন গঠন করে তার উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে। অ্যারোমেটিক যৌগগুলি যখন বিবেচনা করা হয় তখন রাসায়নিক বন্ধনের ধারণা বিকশিত হয়, তারপর অনুরণন ধারণা এবং হাইব্রীডাইজেশন প্রয়োগ করতে হবে যা অণুর মধ্যে স্থির শেয়ারকৃত ইলেকট্রনগুলির রাসায়নিক দৃশ্যের সাথে সঙ্গতিপূর্ণ নয়।
ফ্রেডরিশ হুন্ড এবং রবার্ট সেন্ডারসন মুল্লিকেন ১৯২৯ সালে একটি বিকল্প পদ্ধতি উদ্ভাবন করেছিল, যেখানে ইলেকট্রন একটি সম্পূর্ণ অণুর উপর ডিলোকালাইজড গাণিতিক ফাংশন দ্বারা বর্ণনা করা হয়েছে। হুন্ড-মুল্লিকেন পদ্ধতি বা আণবিক কক্ষপথ (এমও) পদ্ধতি রসায়নবিদদের কাছে কম স্বজ্ঞাত, কিন্তু ভিবি পদ্ধতির চেয়ে স্পেকট্রাকোপিক বৈশিষ্ট্যগুলির পূর্বাভাস ভালভাবে দিতে সক্ষম হয়েছে। এই পদ্ধতিটি হার্ট্রি-ফক পদ্ধতি এবং পরবর্তীতে হার্ট্রি-ফক পদ্ধতির ধারণাগত ভিত্তি।
থমাস-ফারমি মডেল ১৯২৭ সালে টমাস ও ফের্মি দ্বারা স্বাধীনভাবে বিকশিত হয়েছিল। এটি তরঙ্গ ফাংশনের পরিবর্তে ইলেকট্রনিক ঘনত্বের ভিত্তিতে অনেক-ইলেকট্রন ব্যবস্থাকে বর্ণনা করার প্রথম প্রচেষ্টা ছিল, যদিও পুরো অণুর বর্ণনার ক্ষেত্রে এটি খুব সফল ছিল না। এই পদ্ধতি ভিত্তি প্রদান করেছিল বলে ঘনত্ব কার্যকরী তত্ত্ব হিসাবে পরিচিতি পায়। বর্তমানে ঘনত্ব কার্যকরী তত্ত্বে Kohn-Sham পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়, যেখানে ক্রিয়ামূলক ঘনত্ব চারটি পদে বিভক্ত; কোহেন-শাম গতিসম্পর্কিত শক্তি, একটি বাহ্যিক সম্ভাব্যতা, বিনিময় এবং সম্পর্কের শক্তি। ঘনত্ব কার্যকরী তত্ত্ব উন্নয়নের বিষয়বস্তুর একটি বড় অংশ হল বিনিময় এবং পারস্পরিক সম্পর্কের শর্ত উন্নত করা। এই পদ্ধতিটি হার্ট্রি-ফক পদ্ধতির তুলনায় কম উন্নত হলেও, এর উল্লেখযোগ্যভাবে কম গণনীয় প্রয়োজনীয়তা (বিশ্লেষণের জন্য সাধারণত n^{3} এর সাথে n ভিত্তিক ফাংশনগুলির তুলনায় স্কেলিং খারাপ নয়) এটি বৃহত্তর বহু পারমাণবিক অণু এবং এমনকি বড় অনুগুলিকে মোকাবেলা করতে সহায়তা করে। এই গণনীয় সামর্থ এবং এমপি২ এবং সিসিএসডি (টি) প্রায়ই তুলনীয় সঠিকতা এটাকে বর্তমানে গণনীয় রসায়ন সবচেয়ে জনপ্রিয় পদ্ধতির অন্যতম বানিয়েছে।
অণুর গতির অধ্যয়ন করার জন্য আরও একটি ধাপে মোট আণবিক হ্যামিলটনিয়ানের সাথে শ্রোডিঙার সমীকরণ সমাধান করা যেতে পারে। শেরডিংগার সমীকরণের সরাসরি সমাধানকে "কোয়ান্টাম আণবিক গতিবিদ্যা"  বলে, সেমিক্লাসিকাল সন্নিকর্ষে সেমিক্লাসিকাল আণবিক গতিবিদ্যা এবং ক্লাসিক্যাল বলবিজ্ঞান কাঠামোতে আণবিক গতিবিদ্যা (এমডি)। পরিসংখ্যানগত দৃষ্টিভঙ্গিতে যেমন মন্টর কার্লো পদ্ধতিও সম্ভব।
রুদ্ধতাপীয় গতিবিদ্যা, বিভবশক্তি তল নামের একক স্কেলার বিভব দিয়ে আন্তঃআণবিক মিথস্ক্রিয়াগুলি প্রকাশ করা হয়। এটা ১৯২৭ এ মাক্স বর্ন ও রবার্ট ওপেনহেইমার এর দেয়া বর্ন-ওপেনহেইমার সন্নিকর্ষ। ১৯২৭ সালে রাইস এবং রামসপারজার এবং ১৯২৮ সালে কাসেল দ্বারা রসায়ন বিভাগে এর পরবর্তি প্রয়োগ করা হয় এবং রুডলফ মার্কাস ১৯৩৫ সালে হেনরী আয়রিং এর সংক্রমণ অবস্থা তত্ত্ব গ্রহণ করে ১৯৫২ সালে আরআরকেএম তত্ত্বে সাধারণীকরণ করেন। এই পদ্ধতিগুলি বিভব পৃষ্ঠের কয়েকটি বৈশিষ্ট্য থেকে আণবিক বিক্রিয়া হারের সহজ অনুমান করতে সক্ষম।
অ- রুদ্ধতাপীয় গতিবিদ্যা বেশ কয়েকটি সংযুক্ত বিভবশক্তি পৃষ্ঠের মধ্যে মিথস্ক্রিয়া গ্রহণ করে (অণুর বিভিন্ন ইলেকট্রনিক কোয়ান্টাম পদগুলির সাথে সংশ্লিষ্ট)। এই সংযোজনকে স্পন্দনীয় সংযোজন বলে। এই ক্ষেত্রের প্রারম্ভিক কাজটি 1930-এর দশকে স্টুকেলবার্গ, ল্যেভ লান্দাউ এবং জেনার করে, যা বর্তমানে লান্দাউ-জেনারের রূপান্তর নামে পরিচিত। তাদের সূত্র দিয়ে এড়ানো ক্রসিং এর সন্নিহিত অঞ্চলে দুটি ডায়াবেটিক বিভবীয় বক্ররেখার মধ্যে সংক্রমন সম্ভাবনা হিসাব করা যায়। বিক্রিয়ক থেকে উৎপাদে পরিনত হওয়ার সময় স্পিন অবস্থায় কমপক্ষে একটি পরিবর্তন এর ক্ষেত্রে স্পিন-নিষিদ্ধ বিক্রিয়াগুলি এক ধরনের অ- রুদ্ধতাপীয় বিক্রিয়া।