| |
Kvantová chemie
| |
HESLA:
Kvantová teorie, pozorovatelné veličiny a operátory, Schrödingerova rovnice, vlastní funkce a energie, orbitaly, elektronová struktura atomů a molekul, interakce elektronů, spin. |
| |
Atomy a molekuly jsou tvořeny atomovými jádry, elektrony a elektromagnetickým polem. Elektrony se dodnes jeví jako fundamentální částice bez vnitřní struktury. Jádra jsou tvořena nukleony a ty se pak skládají z kvarků. Většina chemických problémů se však detailů struktury jader netýká. Nicméně je pravda, že v makroskopických systémech je elektronů, jader a molekul velmi mnoho a že jsou velmi malé. Kromě velmi malých rozměrů je pro elementární chemický svět typické i to, že se v něm odehrává gigantický počet událostí, jejichž typická doba je velmi krátká. Časovou škálu dějů v chemickém mikrosvětě ilustruje následující obrázek: |
| |
|
| |
| A tak, když srovnáváme popis jednoduchých makroskopických jevů (např. mechanického pohybu hmotného bodu) s popisem průměrů z obrovského počtu událostí v mikrosvětě (např. rozložení elektronů v molekule nebo jeho změna při chemické reakci), můžeme najít nejeden rozdíl, ale i analogii. V mikrosvětě vládne kvantování fyzikálních veličin. V makrosvětě však přece chodíme po krocích, jíme po soustech a bydlíme v podlažích domů a třeba platíme nespojitými penězi. Chování mikroobjektu nelze předpovědět s jistotou, můžeme určit jen pravděpodobnost, že bude v tom či onom (přípustném) stavu. Házíme-li však v makrosvětě několika mincemi, můžeme o konkrétním výsledku také jen říci, jakou má pravděpodobnost. Pokud například jdeme ke zkoušce, předpisy říkají, že tento pokus může dopadnout jedním z možných výsledků: A, B, C, D, E, F. Jistěže, nemívají stejnou pravděpodobnost, ale dokud zkouška neskončí, nemáme jistotu, jak dopadla. Nicméně je pravda, že z mikrosvěta se k nám dostaly jasné zprávy o vlastnostech, jejichž makroskopickou obdobu neznáme. V říši chemie je to například zpráva o spinu (pokud ovšem nechceme tvrdit, že ptáčkové, co obývají svá hnízdečka po dvou a jsou opačného pohlaví, dodržují Pauliho princip). Bezmála osmdesát let po vzniku „vlnové“ mechaniky bychom také měli přiznat, že onen sveřepě proklamovaný „vlnový“ charakter korpuskulárních částic nebyl a není šťastným porovnáním ani z hlediska fyzikální podstaty ani z hlediska didaktiky. Pokud vám tyto řádky připomínají začátek anarchistického puče ve fyzice, není tomu tak, ale je to úplně obráceně. Je totiž třeba dodat, že elementární svět chemie popisuje kvantová teorie s neuvěřitelnou dokonalostí kvalitativní i kvantitativní shody s experimentem. Je velmi užitečné se s touto teorií seznámit. Dokonce s tím lze začít podle zdánlivě paradoxního schématu: naučte se to teď, porozumíte tomu později (viz Jana Amose Komenského Orbis pictus). Inu, něčemu dřív, něčemu později. V mikrosvětě je dost věcí, kterým nerozumí nikdo (zatím :-). |
| |
|
|
