Реферат: Основы квантовой механики и ее значение для химии - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Основы квантовой механики и ее значение для химии

Банк рефератов / Химия

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 47 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

- 16 - Введение Концепции и методы, разработанные в какой-то одной о бласти естествознания, не остаются лишь её достоянием. Всегда происходи ло и сейчас происходит интенсивное взаимопроникновение и взаимообогащ ение разных наук. Ведущей дисциплиной современного естествознания ста ла физика. К её компетенции мы привыкли относить все явления и факты, кото рые мы стараемся рассматривать в качестве простейших, но вовсе не потому , что они таковы на самом деле, а просто из-за того, что мы научились их ранее и легче других качественно классифицировать и теоретически моделиров ать, достигая количественно точного прогноза. Отсюда и роль физического знания для химии. Оно явл яется той школой и той основой, благодаря которой накапливается, осмысли вается и перерабатывается химическая информация. Химия - дисциплина точная, но по физическим меркам об ъекты её исследования всегда обладают очень сложной структурой, а поэто му лишь для сравнительно немногих химических явлений удаётся достичь т еоретико-физической детализации. Иногда это удаётся, и тогда возникают в печатляющие картины стройности и единства законов природы. Даже если хи мические явления внешне выглядят слишком сложными, природа так устроен а, и так устроено наше мышление, что всегда удаётся выделить некоторые об щие специфические черты и принципы. На первый взгляд, они могут выглядет ь и самостоятельными, и независимыми от физических концепций, но рано ил и поздно наступает такая ситуация, когда непростые химические факты находят своё физически ясное ист олкование. Если же существующие представления бессильны, и в них не вписываются факты, то во зникает потребность в дополнении или даже в решительном пересмотре осн овных положений. Тогда-то и создаются новые концепции, и этот процесс в на ше время стал обычным и, более того, он ускоряется... . К чему это приведёт – никто не ведает. Оптимизм учёных сменился тревогой... . В современном естест вознании очень непросто определить место и роль физической химии. Она ос нова всей т еоретической химии, но все химические факты, явления и концепции рассмат ривает лишь на основе бесстрастных физических законов, используя весь а рсенал современных методов экспериментальной и теоретической физики, обращаясь к новейшим областям математики и к суперсовременной вычисли тельной технике. Она вскрывает природу химического превращения, объясн яя и иногда предсказывает направления химических реакций. Именно её зад ачи привели к построению самых первых алгоритмов численной оптимизаци и, без которых немыслима ни современная, ни будущая компьютерная цивилиз ация. Уже создаются компьютеры, в основу которых положено химическое код ирование информации на основе биологических макромолекул... Так что физическая химия с равным право м может считаться огромной областью современной теоретической и экспе риментальной физики... Хронология некоторых фундаментальных открытий : 1808- Дальтон -Закон кратных отношений 1811- Авогадро -Молекулярные газовые законы 1815- Пру- Массовые числа атомов, кратные водороду 1868- Дмитрий Иванович Менделеев -Периодический закон 1869- Гитторф -Открытие катодных лучей 1895- Рентген- Открытие X-лучей 1896- Беккерель-Открытие радиоактивности 1897- Дж. Дж. Томсон -Открытие электрона 1900- Планк- Открытие квантов света, формула 1903- Резерфорд- Открытие атомного ядра 1905- Эйнштейн- Специальная теория относительности формула 1913- Бор - Модель атома водорода 1926- Шрёдингер-Волновое уравнение 1927- Гейзенберг-Соотношение неопределённ остей. 1983- Туннельный микроскоп (...Академик В.Гинзбург (ФИАН): “Ну и дожили!”) Раздел 1. Экспериментальные основы квантовой механики. Волны материи. Простейши е полуклассические модели движений Содержание: Движение частицы и движени е сплошной среды. Корпускула и волна. Излучение и вещество – волны и част ицы. Двойственная природа вещества и волны материи (волны Де-Бройля). Квантовая механика изучает объекты с р азмерами от 10 -7 10 - 8 см до 10 -16 см. Её разделы, посвящённые строению вещес тва: Квантовая химия, изучает электронное строение атомно-молекулярных, в то м числе и полимерных систем, таких, как кристаллы и макромолекулы, в том чи сле и биологических макромолекул. Её традиционные интересы обычно лежа т в нерелятивистской области, хотя по необходимости и всё чаще она прибе гает и к релятивистским уточнениям. Ядерная (субатомная) физика изучает объекты с размерами от размера атомн ого ядра и менее, т.е. 10 -13 до 10 -16 см. До расстояний порядка 10 -16 см удаётся экспериментально наблюдать призн аки сложной структуры многих субатомных частиц, но на меньших расстояни ях признаки сложной структуры частиц в настоящее время не установлены. В последние годы возникал наноэлектроника. Она занимается объектами, ра змеры которых порядка 10 - 7 см (10 -9 м). На рубеже 20-21 веков это область новейших фунда ментально-научных и инженерно-технологических изысканий. К её пределам вплотную подошло направленное конструирование микроэлементов вычисл ительной техники (чипов). Основные типы взаимодействий в приро де В исследованной области энергий, котор ая соответствует предельному пространственному разрешению порядка от 10 -15 до 10 -16 см проявляются четыре типа взаимоде йствий: - сильное проявляется на расстояниях порядка размера ядра от 10 -13 см и менее. Прич иной сильного взаимодействия являются ядерные силы, которые в ядре дейс твуют между нейтроном и протоном и обеспечивает стабильность ядра. В нём участвует большинство известных в настоящее время частиц, - электромагнитное, в котором участвуют все электрически заряженные (и некоторые нейтральные) частицы; на рассто яниях порядка размера ядра оно слабее сильного взаимодействия. Именно с электромагнитными взаимодействиями связано и существование, и физичес кие свойства атомно-молекулярных систем, - слабое проявляется на расстояниях, не превышающих 10 -16 см; оно является причиной распада некоторых ви дов субатомных частиц, (в настоящее время установлено, что на ра сстояниях менее 10 - 16 см проявляетс я единое электрослабое взаимодействие), - гравитационное, которое действует на в сех расстояниях, но по сравнению с прочими на соответствующих им расстоя ниях оно исчезающе мало. Так его величина на 36 десятичных порядков меньше , чем у электростатического взаимодействия, скажем, двух протонов. Его ро ль важна в макромире, особенно в космических масштабах. Частицы и волны в классической механи ке Классической механикой принято называ ть раздел физики, изучающий законы движения макроскопических тел. В клас сической механике принято различать: - движени я локализованных масс. Их принято называть корпускулярными системами. П оступательное движение отдельной корпускулы с очень большой точностью можно описать на основе механики материальной точки, расположенной в це нтре масс. - движени я сплошных сред возникают при возмущении пространственно непрерывно р аспределённой среды. Такие движения имеют периодический волновой хара ктер. Таким образом, корпускула это пространственно локализованная масса (в п ределе доходящая до материальной точки), а волна это движение непрерывно й среды с признаками периодичности в пространстве и во времени. Корпускулярно-волновая природа излу чения Волновые свойства света были экспериме нтально установлены ещё в 17-м столетии. О волновой природе света неопрове ржимо свидетельствуют чисто волновые явления дифракции - огибания небо льших пространственных препятствий световой волной, а далее интерфере нции – возникновения пространственно чередующихся областей взаимног о усиления (в фазе) и взаимного ослабления (в противофазе) налагающихся ко герентных волн, исходящих из двух или нескольких точек пространства (кол ьца Ньютона, зоны Френеля и т. д.). Механические волны распространяются в с плошной среде, и для световой волны по аналогии также постулировали гипо тетическую сплошную среду, которую назвали эфиром. Во 2-й половине 19 века открыли электромагнитное поле, и стало ясно, что свет овая волна представляет его колебания, а эфир - не более, чем гипотетическ ая модель непрерывной среды. Ожидаемые свойства эфира не подтвердились. Оказалось, что оптический видимый диапазон длин волн охватывает лишь оч ень малую часть огромной шкалы электромагнитного спектра, он в длинново лновой области переходит в радиочастотный диапазон, а в коротковолново й – в рентгеновское , а далее в я-излучение. Волновая теория, вытекающая из электродинамики, до мельчайших особенно стей объяснила все геометрические закономерности распространения изл учения в пространстве, и в терминах механики это означает, что кинематик а света подчиняется волновым законам. На рубеже 19-20 веков были экспериментально открыты ф акты, которые не укладывались в волновую концепцию света. Все такие явле ния затрагивают взаимодействие излучения и вещества – законы поглоще ния и испускания (абсорбции и эмиссии) света. Рентгеновское излучение, им еет ту же природу, что и видимый свет. Это обычное электромагнитное поле, н о отличается от оптического диапазона очень малыми длинами волн, наимен ьшими из известных в то время. При описании свойств коротковолнового изл учения не удалось ограничиться лишь волновыми законами, и пришлось ввес ти корпускулярные представления о структуре электромагнитного поля. Среди первичных явлений, необъяснимых без корпускулярной модели оказа лись фотоэффект, термодинамика равновесного излучения абсолютно чёрны м телом, и рассеяние рентгеновского излучения веществом (эффект Комптон а). Для количественного описания экспериментальных фактов потребовало сь ввести представления об элементарных частицах электромагнитного из лучения – фотонах, а переносимые ими порции энергии были названы кван тами. Особенность фотонов состоит в том, что их масса покоя нулевая. Возникла, как показалось на первый взгл яд, противоречивая ситуация. С одной стороны движущееся электромагнитное поле - непрерывная среда, а с другой структурно-дискретное образование – поток частиц-фотонов. Кинематика поля оказалась волновой, а д инамика - корпускулярной. Эта двойственная ситуация получила название корпу скулярно-волнового дуализма. Однако природа едина, а причину противореч ий следует искать лишь в логической и фактической неполноте исходных пр иёмов построения нашего знания - тех первоначальных разделов классичес кой теории (механики и термодинамики), на основе которых делались попытк и интерпретации фактов, выходящих за пределы их компетенции. Физически обоснован ные представления о том, что световая материя состоит из отдельных части ц, появляли сь ещё в 17 веке. Сам гениальный Ньютон полагал, что свет состоит из частиц – корпускул, и это " вопреки " (!) опытам - его же собственным по интерференции свет а и великого Гюйгенса по двойному лучепреломлению света. Это пример пора зительной интуиции учёного. C тавшие основой вычислений в квантовой механике п роцедура си мметризации полиномов принадлежат также Ньютону !!! С одной стороны из классической электр одинамики вытекает, что электромагнитное поле переносит энергию, а след овательно, обладает и массой, и импульсом. Энергия и масса электромагнит ного поля связаны между собой хорошо известным соотношением, которое вп ервые из волновой теории электромагнитного поля Максвелла вывел Хевис айд. После уже Эйнштейн ввёл её в специально й теории относительности в качестве универсального соотношения для лю бых форм материи: . (1.1) С другой стороны электромагнитное поле имеет зернистую структуру, и ква нт его энергии согласно Планку равен . (1.2) Отсюда для световой частицы - фотона получается равенство , и следу ет выражение для длины волны светового излучения: . (1.3) Импульс фотона определяется привычным соотношением , и отсюда получается важнейший результа т - обратно пропорциональная связь между длиной волны поля и импульсом е го элементарной частицы: . (1.4) Волны материи. Такая корпускулярно-волновая двойстве нность не есть исключительная особенность одного лишь электромагнитно го излучения (материи с нулевой массой покоя). Исследуя оптико-механические аналогии , Луи-Де Бройль предположил, что и материя с ненулевой массой покоя (т. е. уже не излучение, а вещество !!!), наряду с обычными для локализованной материи, привычными корпускулярными формами механического движения, участвует также и в непрерывном волновом процессе, у которого длина волны также по дчиняется формуле 1.4, т.е. обратно пропорциональна импульсу. В механике величина V означает скорость перемещения центра массы, а волновая картина Де-Бройля заставляет рассм атривать её как скорость переноса энергии. Движение частицы уподобляет ся группе волн, и перемещение частицы подобно движению волнового пакета , а V приходится рассматривть как групповую скорость. Так возникает двойс твенный взгляд на природу движения материального объекта. Если излучен ие распространяется со скоростью света, то групповая скорость волн материи отождес твляется с обычной механической скоростью, и длина волны материи равна: я = h / mV . (1.5) Фазовая скорость в такой группе волн (волн материи - волн Де-Бройля) по рас чётам превышает скорость света, и это противоречит специальной теории о тносительности. Поэтому волны материи нельзя считать обычными волновы ми процессами. Тем не менее, знаменитые опыты Девиссона и Джермера по рас сеянию пучка электронов на монокристалле никеля выявили у электронов с войства и дифракции и интерференции, а позднее были обнаружены точно так ие же свойства и у других частиц, включая и адроны (протоны и нейтроны). По дходящими для наблюдения дифракции частиц пространственно периодичес кими структурами – дифракционными решётками оказались кристаллическ ие решётки твердых тел. Их периоды имеют атомные размеры. Условия, в котор ых наблюдал ась дифракция электронов, оказались сопоставимы с аналогичным условия м для рентгеновских лучей. Волны материи и атомно-молекулярные микросистемы Всё это приводит к выводу о том, что в ато мно-молекулярных системах волновые свойства частиц играют решающую ро ль. Все взаимные движения электронов и ядер в устойчивых состояниях атомов и молекул происходят в ограниченном пространстве. Это замкнутые систем ы, движения имеют замкнутый периодический характер, и соответствующие и м волны материи следует рассматривать подобно стоячим волнам. Такая замкнутая система стационарна. В отсутствие внешнего воздействия она неизменна, все взаимные положения её частиц изменяются строго периодически, но при этом её динамические св ойства (энергия, момент импульса и др.) неизменны. В таком случае говорят о стационарном состоянии системы. Квантовые состояния микросистем Динамические характеристики стациона рных систем могут изменяться лишь определёнными дискретными порциями. Говорят, что эти свойства квантованы. Теория таких систем с дискретными динамическими свойствами называется квантовой механикой . Дискретные состояния динами ческих систем и отвечающие им динамические характеристики можно нумер овать. Номера дискретных состояний системы образуют множество квантов ых чисел. Кажущаяся непрерывность материального мира оказы вается просто-напросто статистическим пределом дискретности при неимо верно большом количестве дискретных (счётных) элементов. О прост ейших микросистемах Примеры того, как возникают дискретные свойства, мы находим среди простейших стационарных движений. Для них уда ётся установить количественные правила квантования на основе простейш их представлений о стоячих волнах Де Бройля. Подобных модельных ситуаци й лишь единицы, но их познавательная роль в физической картине микромира ключевая. Именно с их помощью удалось понять природу огромного числа фа ктов и явлений природы, а далее развить универсальный логический и матем атический аппарат, пригодный для теоретического моделирования свойств реальных атомно-молекулярных и ядерных структур. Отступление... Однажды в лаборатории у меня на глазах в 1967 году, когда я ещё был студентом – дипломником, возникла ироническая си туация. Руководитель моей работы, тогда ещё молоденький аспирант, а ныне учёный с мировым именем с восторгом показывает нашему учителю академик у Сыркину итог тонкого эксперимента - великолепный спектр ЭПР необычной частицы: " Як ов Кивович! Такой спектр убеждает в существовании ядер! " . Мгновенный ответ: " А бомба Вас не убедила? " . .. По роковому стечению обстоятельств (по адскому, и не без участия людей, замыслу) 20-й век стал самым страшным среди п рошедших в человеческой истории. Сравнимы могли бы быть лишь катаклизмы времён начала ледникового периода. Тогда внезапно на огромной территор ии севера Евразии за ничтожный отрезок времени, внезапно, практически в одночасье погибла огромная часть фауны. Пример тому знакомый, хрестомат ийный - мамонты с остатками непереваренной пищи в желудках. Для сибирски х собак вполне съедобны их мёрзлое туши. На них охотились наши предки-кро маньонцы, и видимо многие из них также не избежали страшной участи... Квантовая механика возникла не только как плод утончённого интеллекта, но и как результат чудовищного стечения обстоятельств, и как итог целена правленных деяний “архитекторов цивилизации”. Почти сразу же она оказа лась в эпицентре военных изысканий. На её развитие направлены огромные с редства, она поглощает необозримые материальные ресурсы. Она развивает ся на основе неограниченного вероломства властей самых разных стран. Не обязательно проклинать кого-то чужого, достаточно вспомнить о ядерных э кспериментах над ничего не подозревающими людьми в Казахстане, в самой Р оссии. Так в начале 70-х годов подземные испытан ия “в мирных целях” проводились не только по военной необходимости где-н ибудь-там на Новой Земле, а прямо под Кинешмой в Ивановской области - в вер хнем течении Волги, всего в 300 километрах от Москвы !), в самом сердце русского народа. Спустя три дес ятилетия происходят смертоносные радиоактивные выбросы с полукиломет ровой глубины прямо в места проживания людей. Геноцид – не выдумка, а реа льность... Изуверство действующих политиков неоспоримо. Им не препятствие предел ьно ясное понимание всех ужасов ядерного, химического, особо изощрённог о современного информационного кошмара. Вот уж терроризм! Раздел 2. Про стейшие стационарные движения и их полуклассические квантовые модели Содержание: Волны Де-Бройля в простейших замкнутых системах. Поступател ьное движение на ограниченном интервале. Вращение частицы по круговой о рбите. Эти две простые задачи будут нами рассмотрены в дальнейшем более строгими м етодами квантовой механики в рамках уравнения Шрёдингера. Здесь же они в водятся с двумя целями. Во-первых, для простейшего ознакомления с физиче скими приложениями концепции волн материи. Во-вторых, это материал для в водных практических занятий, - ещё до лекционного обсуждения основ квант овой механики. 2.1 Линейное дви жение на ограниченном интервале (потенциальный ящик). Эта задача простейшая. Частица, движущаяс я на прямолинейном интервале между двумя идеально отражающими стенкам и, претерпевает абсолютно упругие удары об эти стенки и отражается, изме няя лишь направление вектора скорости (импульса). Модуль же сохраняется. Возникает поступательное строго периодическое движение с постоянной с коростью. Эта модель предельно идеализированная. Пол ная энергия этой частицы содержит только кинетическую составляющую. По тенциальная энергия для простоты принята равной нулю. На отрезке пути ук ладывается целое число полуволн Де-Бройля. Это условие, из которого выте кает квантование (дискретность) модуля импульса и энергии. Дискретные значения полной энергии назыв аются энергетическими уровнями или просто уровнями. Множество уровней называется энергетическим спектром данной системы. Графическое изобра жение энергетических уровней в масштабе называется энергетической диа граммой. Квантование энергии и энергетическая диаграмма частицы в одномерном " ящике " получаются из следующих в ычислений. 2.2 Движение частицы на круговой орбите. В этой задаче вычисления так же достаточн о идеалистичны, как и в предыдущей. Физическое содержание задачи в дальнейше м неизбежно многократно обсуждается с различными смысловыми вариациям и, но для этого начинающему нужна хотя бы предварительная количественна я основа. Так меня учили... Поэтому наша цель вначале не в строгости, а в возможности пусть и эклекти ческого, " лоскутн ого " , в какой-то ме ре живописного, но всё же количественного описания. Строгость выводов - п отом. Итак, поскорее к цели... Если частица движется по кругу в поле цент ральной кулоновской силы, создаваемой ядром с порядковым номером Z , то на замкнутой " круговой орбите " укладывается целое чис ло волн материи 2 яr = nя /2, n N 1,2,3,... . Следует вывод о том, что квантованной оказываетс я величина, похожая на модуль момента импульса: я = яVr = n ( h /2 я ), n N . В качестве такого водородоподобного атом а следует рассматривать многозарядный ион, у которого оставлен всего од ин электрон. Можно так же рассматривать и атом позитрония. Это электрон-п озитронная пара до аннигиляции... Центростремительная сила, удерживающая частицу на круговой орбите, име ет кулоновскую природу, и из баланса этих сил получается " теорема вириала " , определяющая взаимосвязь между кинетической и потенциальной энергиями в поле центральной силы 2T=-U. По этой теореме кинетическая энергия равна половине потенциальной, н о с положительным знаком, а полная энергия равна половине потенциальной E=U/2 и также отрицательна E=- Z e 2 /2r. Простейшие расчёт показывают, что возможные значе ния радиуса классической " орбиты " дискретны – квантованы r =( n 2 /Z)(h/2 я ) 2 /(m e e 2 ). Соответственно ква нтованы и значения полной энергии. Результирующее выражение для дискре тных энергетических уровней называется формулой Бора. Приведём всю сводку вычислений, а коммент арий к ним только что был дан выше: Для корректных расчётов свойств системы, состоящей из двух взаимно обращающихся частиц с конечными массами след ует использовать общую приведённую массу. Приведённая масса я системы электрона и прот она учитывает их обращение вокруг общего центра масс и мало отличается о т массы электрона. Она равна я = я e M p /( я e + M p )=1840/1841 Введя приближение я ? e << M p , можно п ринять я = я e . Формула Бора и выражение для боровского " радиуса " корректно выводятся из решения уравнения Шрёдингера для атома H . Квантово-механический вывод логически строен, но эт о достигается за счёт резкого усложнения математической стороны задач и. Величина a 0 =0.529 A o называется боровским радиусом. В полуклас сической квантовой теории он считается радиусом первой круговой орбиты, на которой эл ектрон движется в основном квантовом состоянии, но эта примитивная карт ина неверна и её содержание будет изменено в квантовой механике. Её исти нный смысл вероятностный. Он выявляется лишь из квантово-механического анализа свойств атома H . Боровский радиус есть не что иное, как расстояние на иболее вероятного удаления электрона от ядра на низшем энергетическом уровне - в основном состоянии атома.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Если человек сделал тебе больно, не отвечай ему тем же. Сделай ему добро, а потом, когда его внимание притупится, огрей его сзади лопатой.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, реферат по химии "Основы квантовой механики и ее значение для химии", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru