ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Указания, которыми необходимо пользоваться при чтении учебного пособия из "Курс квантовой механики для химиков" Как и всякую физико-математическую литературу, эту книгу вы должны читать с карандашом и бумагой в руках. Во время чтения следует воспроизводить на бумаге все математические вычисления и те, которые имеются в тексте, и те, о которых только говорится, и те, что молчаливо подразумеваются. Математические выкладки, которые даются в тексте или которые нужно получить, не следует заучивать наизусть. Однако их надо уметь самостоятельно воспроизвести, пользуясь при этом соответствуюш,ими логическими рассуждениями. Нужно знать наизусть формулы, номера которых выделены жирным шрифтом. [c.5] По ходу изложения материала вам даются задания вспомнить ту или иную формулу, принцип, раздел учебного пособия, решить задачи или ответить на вопросы. Выполнять эти задания нужно совершенно обязательно, даже если они и кажутся простыми. В ряде случаев в результате решения задачи или ответа на вопрос вы получаете новую информацию, без которой понимание последующего материала оказывается затруднительным или даже невозможным. [c.5] Большинство вопросов и задач занумеровано (номер ставится над вопросом), остальные отмечены знаком ф. После текста вопроса могут стоять варианты ответов на него, тогда в скобках указываются страницы, где комментируются ответы. Перед комментариями, так же как и перед ответами на задачи, повторяется номер соответствующего вопроса. Страницы, на которых даны ответы, отмечены сверху и снизу горизонтальной чертой. [c.5] Если ваш ответ неверен, вы найдете указание, что делать дальше. Если вы убедитесь, что оказались правы, не спешите возвращаться к основному тексту. Ведь ваш правильный ответ мог быть вами не вполне обоснован или просто выбран потому, что вы уже познакомились с анализом неправильного ответа и у вас не осталось другого выбора. Поэтому и при правильном ответе прочитывайте весь текст комментариев до конца (в большинстве ответов развернутый текст имеется). После того как вы разберете комментарии к правильному ответу, если нет других указаний, возвращайтесь к изучению текста, следующего за той задачей, которую вы только что решили. [c.5] Считалось, что движение микрочастиц можно описывать посредством законов классической механики, которые великолепно оправдали себя при исследовании движения макроскопических тел. Некоторым подтверждением такой возможности послужило создание молекулярно-кинетической теории теплоты. Согласно этой теории, частицы вещества (атомы, молекулы, узлы кристаллической решетки) совершают хаотические движения, подчиняясь законам классической механики (которые дополнялись, однако, теорией вероятности, учитывающей хаотичность). В отличие от вещества, состоящего из атомов, свет представляли в виде специфической материи, непрерывно распределенной в некоторой области пространства. Опыты по дифракции света выявили его волновые свойства, а электромагнитная теория Максвелла вскрыла единство природы света, радиоволн и рентгеновских лучей. [c.6] Однако даже в тех областях физики, которые, казалось бы, довольно хорошо описываются законами классической механики и теорией электромагнитного поля, обнаруживались непонятные факты. Так, оказалось неясным поведение теплоемкости кристаллов при низких температурах. Непонятно было, почему свободные электроны в металлах не вносят вклада в величину их теплоемкости. Наконец, было установлено резкое расхождение теоретической и экспериментальной картин спектра теплового излучения черного тела ( ультрафиолетовая катастрофа ). [c.7] Эйнштейн, опираясь на представления Планка, высказал предположение о том, что свет не только поглощается или испускается, но и распространяется порциями — квантами. Квант света был назван фотоном. Энергия фотона Я = /гсо, импульс его р = /гсо/с. [c.7] Фотонная структура излучения была обнаружена в тонких опытах С. И. Вавилова. Теория фотона объяснила, найденные ранее закономерности фотоэффекта. Позднее был обнаружен эффект Комптона, заключающийся в том, что при некоторых условиях электрон, взаимодействуя со светом, ведет себя так, как если бы он столкнулся с частицей, имеющей некоторую энергию и импульс. [c.7] целый ряд фактов указывал на двойственный характер электромагнитного излучения иногда оно ведет себя как система волн, иногда — как поток фотонов, т. е. подобно системе частиц. [c.7] При дальнейшем увеличении энергии электронов удары снова оказываются упругими. Поэтому с ростом величины V ток опять возрастает. Когда энергия электрона достигает величины 2-4,9 эВ, ток снова резко падает, так как в этом случае электрон может отдать свою энергию при столкновении с двумя атомами ртути. Таким образом, опыт Франка и Герца доказывает наличие дискретности значений внутренней энергии атома ртути. [c.8] На дискретность возможных состояний атомов указывает и о п ы т Штерна иГерлаха. В этом опыте пучок атомов, обладающих магнитным моментом, направляют в неоднородное магнитное поле, которое отклоняет их от прямолинейного пути, причем угол отклонения зависит от ориентации магнитного момента атома по отношению к полю. С точки зрения классической физики, возможны любые ориентации магнитного момента атома в поле, поэтому при попадании атомов на экран после прохождения их сквозь магнитное поле должно было бы получиться размытое изображение щели, ограничивающей пучок в начале его пути. В действительности же обнаруживается два резких изображения щели, т. е. пучок разделяется на два пучка. Это можно объяснить только тем, что момент атома в магнитном поле ориентируется лишь в двух (или нескольких — в зависимости от элемента) направлениях, т. е. магнитные состояния атома дискретны. [c.8] Наиболее ярким фактом, противоречащим законам классической физики, оказался факт самого существования атома. [c.8] Вопытах Резерфорда впервые была установлена ядер-ная модель атома в центре находится очень маленькое (радиуса см) ядро, несущее положительный заряд ге, а вокруг ядра располагаются г отрицательно заряженных электронов (с зарядом е каждый), заполняющих пространство атома. [c.8] Непонятными с точки зрения классических представлений являются и спектры испускания и поглощения атомов. Атомные спектры состоят из отдельных спектральных линий, соответствующих определенным частотам. Спектры ионизированных атомов похожи на спектры изо-электронных с ними атомов. [c.9] С помощью постулатов Бора удалось объяснить спектр атома водорода и водородоподобных ионов, однако ни спектров более сложных атомов, нк других свойств атомов и молекул боровская теория объяснить не могла. Это и понятно, так как постулаты Бора являлись как бы дополнением к законам классической механики, оставляя нетронутым представление об электроне как о классической частице. Полное описание законов микромира, описание, основанное на решительном отступлении от канонов классической физики, смогла дать только квантовая механика. [c.10] Квантовая механика играет решающую роль в развитии современной химической науки. Она позволяет не только давать качественную оценку созданной А. М. Бутлеровым картины химических валентных связей, но и производить количественный расчет прочности связей, их длин и направлений. С помощью законов квантовой механики объясняется строение таблицы элементов Менделеева, предсказываются физические и химические свойства как природных, так и искусственно создаваемых элементов. [c.10] С помощью квантовой химии оказалось возможным решать такие задачи, которые до ее появления было невозможно даже сформулиро- вать. Применение квантовой химии в биологии позволило установить, что биологическая активность вещества (в частности, его фармакологические свойства) во многих случаях связана с распределением электронного заряда в молекуле, величина которого определяется на основании квантовомеханических расчетов. Выяснилось, что процессы, протекающие в живых организмах, в большинстве случаев характеризуются чрезвычайно слабыми внутримолекулярными взаимодействиями, описание которых также требует тонких квантовомеханических расчетов. Только на базе квантовой механики можно было поставить вопрос о молекулярном генетическом коде. Мы не говорим уже о том, что использование результатов оптических экспериментов, экспериментов по парамагнитному и ядерному магнитному резонансу и других совершенно невозможно без их теоретического, т. е. квантовомеханического, описания. [c.11] Таким образом, теоретической основой современной химии является квантовая механика, к изучению которой мы переходим. [c.11] Не сразу удалось понять и сформулировать законы квантовой механики. Нужна была огромная смелость, чтобы отказаться от старых, хорошо проверенных традиций классической физики. Поэтому путь, которым шла наука к созданию квантовой теории, интересен и поучителен. Однако мы не будем его касаться. Начнем изложение квантовой механики с обсуждения ее основных принципов. [c.12] Всякая физическая теория строится на ряде основных законов, некоторые из которых формулируются в виде постулатов (принципов). В классической механике такими постулатами являются уравнения Ньютона. [c.12] Вернуться к основной статье