Кванттық химия және оның даму тарихы

               Кванттық химия және оның даму тарихы

Кванттық химия – химиялық қосылыстардың құрылысы мен қасиеттері кванттық механика түсініктері мен әдістері тұрғысынан қарастырылатын теориялық химияның бөлімі. Кванттық химия қосылыстардың табиғатын, валенттілікті, молекуланың электрондық құрылысқа тәуелді қасиеттерін (энергия шығару және сіңіру заңдылықтары, магниттік қасиеттері, кеңістіктегі құрылысы) және химиялық активтілігін қарастырады. Алғаш рет 1926 жылы В.Гейзенберг гелий атомын есептеп шығарды; ал неміс ғалымдары В.Гайтлермен Ф.Лондон (1927) сутек молекулалары үлгісімен Коваленттік байланыстың кванттық механикалық интерпретациясын ұсынды. 1931 жылы Дж.Слейтер мен Л.Полинг бұл ұсынысты әрі қарай дамытып, оны валенттік байланыс әдісі деп атады. 1928 жылы Ф.Хунд(Германия), Р.Малликен (АҚШ), Дж. Леннард-Джонс (Ұлыбритания, 1929) және Э.Хюккель(1930) қазіргі кезде кеңінен таралған молекулалық орбиталдар әдісінің негізін қалады. 1927 жылы Д. Хартридің, ал 1930 жылы В.А. Фоктың өзара келісімді өріс әдісі, сондай-ақ,Дж. Слейтердің (1929 – 30) математикалық негіздегі конфигурациялық өзара әсер әдісі туралы еңбектері жарық көрді. Х.Бете(1929) менДж.Ван Флек (1932 – 35) кристалдық өріс теориясын ашты. Кванттық химияның түсініктері мен әдістері жоғары молекулалы қосылыстарды зерттеуде кеңінен қолданылды. Кванттық химия әдістері молекулалық биологияда, материалтануда, органикалық шала өткізгіштер мен композициялық материалдар жасауда қолданылады

Жаратылыстану жаңа революциялардың пайда болуына серпін берген физикадағы жаңалықтар болды.

Г.Герц — электромагниттік толқындардың ашылуы;

К. Рентген — қысқа толқынды электромагниттті сәуле шашу;

Дж. Томсон — электрондарды ашу;

П.Н.Лебедев — жарық қысымы;

М.Планк — кванттық идея;

А.Экштейн — салыстырмалылық теориясы; 

Э.Резерфорд — радиоактивті бөліну. 

1913-1921 жылдары атом ядросы  туралы түсінік негізінде Н.Бор  атом моделін ойлап шығарды, ол  бір жағынан Д.Менделеевтің период-тық  системасына сүйенді. Бүл физика  мен жаратылыстанудағы жаңа революциялық  алғашқы кезең болды. Ол материя  мен оның қүрылысы, қасиеттері, қозғалыс  формалары, кеңістік, уақыт туралы  бурынғы көзқарастардың күйреуіне  себеп болды. Екінші кезең XX ғасырдың 20-шы жылдарынан басталды, ол кванттық  механиканың пайда болуымен және  оның салыстырмалық теориясымен  уштасуымен байланысты болды.Революцияның үшінші кезеңі XX ғасырдың 40-шы жылдарында атом энергиясын игерумен, электронды-есептегіш машина мен кибер-нетиканың пайда болуымен байланысты. Сонымен қатар, бул кезде физикамен бірге химия, биология және жер туралы ғылымдар басым дамыды.XX ғасырдың ортасынан бастап ғылым мен техника тұтасымен бірігіп қазіргі ғылыми-техникалық революцияға әкелді.

Кванттық теорияның шығуы

Физикада болған ең ұлы тоңкерiс ХХ ғасырдың бас кезiне дәл келедi. Тәжiрибеде байқалңған жылудың сәуле шығару (қызған дененің электромагниттiк толқындар шығаруы) спектрлерiне энергияның үлестiрiлу заңдылықтарын түсiндiру мүмкiн болмады. Максвеллдiң сан рет тексерiлген электромагнетизм заңдарын заттың қысқа электромагниттiк толқындар шығару проблемасына қолданбақшы болғанда, кенет «қарсылық керсеттi». Бұл заңдардың антеннаның радиотолқындар шығаруын тамаша сипаттауы және өз кезінде электромагниттiк толқындардың барын осы зандар негiзiнде алдын ала айтуы таңқаларлық едi.Максвеллдiң қызған дене электромагниттiк толқындар шығару салдарынан унемi энергия жұмсап шығындана отырып, абсолют нөлге дейiн салқындауы тиiс деген электродинамикасы мағынасыз тұжырым жасауға келтiрiлген-дi.Классикалық теория бойынша зат пен толкын шығару арасында жылулық тепе-теңдiк болуы мүмкiн емес. Алайда күнделiктi тәжiрибеде шындығында мұндай ешнәрсе жоқ екенiн керсетедi. Кызған дене озiнiң барлық энергиясын электромагниттiк толқын шығаруға жұмсайды.Физикада болған ең ұлы революция ХХ ғасырдыңі бас кезіне келеді  тәжірибеде байқалған жылулық сәуле шығару спектрлерінде энергияның үлестірілу заңжылықтарын түсіндіру мүмкін болмады. Максвеллдің сан рет тексерілген электромагнитизм заңдарын заттардыңКлассикалық теория бойынша зат пен толқын шығару арасында жылулық тепе-теңдік болуы мүмкін емес. Алайда күнделікті тәжірибеде шындығында мұндай ешнәрсе жоқ екенін көрсетеді. Қызған дене өзінің барлық энергиясын электромагниттік толқын шығаруға жұмсамайды.Теория мен тәжірибе арасындағы осы қарама- қайшылықтан шығудың жолын іздеу  барысында неміс      физигі Макс Планк атомдар  электромагниттік энергияны   Макс Планк        жеке порциялармен – кванттармен шығарады деп болжаған.

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (нем. Max Karl Ernst Ludwig Planck; 23 сәуір 1858, Киль — 4 қазан 1947, Гёттинген) — неміс физик-теоретигі, кванттық теорияның негізін салушы. Берлин ғылым академиясының мүшесі (1894), 1912 — 38 ж. аралығындағы хатшысы. Мюнхен және Берлин (1877 — 78) университетінде оқыған. 21 жасында “Жылу теориясы механикасының екінші заңы туралы” докторлық диссертация қорғап, 22 жасында Мюнхен университетінің приват-доценті атағын алды. Планк 1885 жылдан Киль университетінің профессоры, ал 1889 ж. кейін Берлин университетінің теоретикалық физика кафедрасының меңгерушісі және проф. қызметіне шақырылып, ғұмырының соңына (1947) дейін осы кафедраны басқарады. Планктың алғашқы зерттеулері энтропия ұғымын дәлірек анықтауға, термодинамиканың заңдарын физикалық-химиялық процестерге қолдануға арналған. 1894 жылдан бастап Планк жылулық сәуле шығарудың термодинамикалық теориясы мен абс. қара дененің эл.-магниттік сәуле шығару спектріндегі энергияның таралу заңдылықтарын зерттеумен шұғылданады (Планк заңы, Планк тұрақтысы). Планк теоретикалық физиканыңнегізгі бөлімдері бойынша терең әрі айқын баяндалған монография жазды. “Әсер квантын” ашуы арқылы физиканың дамуына қосқан аса ірі еңбегі үшін М.Планк 1918 ж. физика саласы бойынша Нобель сыйлығын алды.Планк заңы — абсолют қара дененің спектріндегі (термодинамикалық тепе-теңдік орнағанда) энергияның таралу заңы. Бұл заңды алғаш рет 1900 ж. неміс физигі М.Планк ашты. Планк энергия денеден дискретті (үздікті) порциялар — кванттар түрінде шығады деген жорамал негізінде енгізді. Ол осы жорамал негізінде абс. қара дененің сәуле шығару заңын ашып, осы құбылысты сипаттайтын классикалық теориядағы қайшылықтарды жойды. 1916 ж. А.Альберт Эйнштейн (1879 — 1955) атомдардағы тепе-теңдік сәуле шығару кезіндегі кванттық өтулерді зерттей отырып, Планк заңын теория жүзінде қорытып шығарды. 

Алғаш рет 1926 жылы В.Гейзенберг гелий атомын есептеп шығарды. Вернер Карл Гейзенберг, нем. Werner Karl Heisenberg (5.12.1901, Вюрцбург — 1976, Мюнхен) — неміс физигі,кванттық механиканың негізін салушылардың бірі. Мюнхен (1923) және Геттинген (1924) университеттерін бітірген.1927 — 1941 ж. Лейпциг университетінің профессоры, 1941 — 1945 ж. Кайзер Вильгельмнің Физика институтының директоры және Берлин университетінің профессоры, 1946 — 1958 ж. Физика институтының директоры жәнеГеттинген университетінің профессоры болды. Ал 1958 жылдан Физика және астрофизика институтының директоры және Мюнхен университетінің профессоры.

Оның ғылыми-зерттеу еңбектері кванттық механикаға, кванттық электрдинамикасына, өрістің релятивистік кванттық теориясына, ядро теориясына, магниттік құбылыстарға, ғарыштық сәулелерфизикасына, элементар бөлшектер теориясына, жаратылыстану ғылымының философиясына арналған. Гейзенберг 1925 ж. Н. Бормен бірге кванттық механиканың алғашқы нұсқасы — матрицалық механика теориясын жасады. 1927 ж. микробөлшектің импульсі мен координаты арасындағы байланысты өрнектейтін — анықталмағандық принципін ашты. Ол ферромагниттік теориясын, сондай-ақ, алмаспалы өзара әсер теориясын жетілдірді. Гейзенберг — атом ядросының моделіне, өрістің квантталу сұлбасына арналған бірқатар еңбектердің авторы. Нобель сыйл. лауреаты

Анықталмағандық принципі материя бөлшектерінің (электрондар, протондар, т.б.) корпускулалық-толқындық табиғаты болатындығын айқындайды. Сандық тұрғыдан Анықталмағандық принципі былай тұжырымдалады: егер — жүйенің инерция центріндегі координатының анықталмағандық мәні, ал импульсының осіне проекциясының анықталмағандық мәні болса, онда осы анықталмағандықтардың көбейтіндісі Планк тұрақтысынан () кем болмайдыМакроскопиялық шамалармен салыстырғанда аз шама болғандықтан, бұл қатынас атомдық масштабтағы құбылыстарға қатысты ғана орындалады. Анықталмағандық принципі атом ішіндегі құбылыстардың заңдылықтарын түсіндіру және кванттық механика саласының қалыптасуы кезінде аса маңызды рөль атқарды. Егер   және   сәйкесінше координаттың және импульстың орташа квадраттық ауытқулары болса:

,

мұндағы   — келтірілген Планк тұрақтысы. Анықталмағандық қатынасы - екі орайлас физикалык шамалар мәніндегі анықталмағандықтардың көбейтіндісі (мысалы, импульс пен координатаның, энергия мен уақыттың) Планк тұрақтысынан кіші болуы мүмкін емес дейтін тұжырым.[1] Қозғалып келе жатқан, импульсі р бөлшекпен байланысқан де Бройль толқынының интенсивтігі бөлшекті кеңістіктің берілген аумағынан табу ықтималдығын анықтайтыны өткен тақырыпта айтылды. Жазық монохромат толқын х осінің бойымен таралып жатсын. Онда бұл толқынға сәйкес бөлшектің импульсі р = рх бірмәнді дәл анықталған. Бірақ жазық монохромат толқынның амплитудасы барлық жерде бірдей, сондықтан біз бөлшектің қай жерде екенін біле алмаймыз, яғни оның координатасы анықталмаған. Бұл қиындықтан шығу үшін бөлшекті монохромат толқынмен емес, жиіліктері бір-біріне өте жақын бірнеше толқындардың қосындысымен, яғни ұзындығы Δх болатын толқындық пакет арқылы модельдеп көрейік. Толқындық пакеттің амплитудасы бөлшек орналасқан кеңістіктің кішкене аумағынан басқа жердің бәрінде нөлге тең, ал бөлшектің жылдамдығы толқындық пакеттің топтық жылдамдығына тең болсын. Енді біз бөлшектің координатасын қандай да бір Δх дәлдікпен анықтай аламыз, бірақ толқын ұзындығын λ=Δх/n (мұндағы n — Δх ұзындыққа сыятын толық периодтардың саны) дәл анықтай алмаймыз. Себебі толқындық пакеттің шекарасы дәл тағайындалмайды. Олай болса, λ=h/p болғандықтан, импульстің мәні де Δрx шамасына анықталмайды. n неғұрлым үлкен болса, толқын ұзындығын, ол арқылы импульсті соғұрлым дәл анықтаймыз. Бірақ n өскен сайын координатаны анықтау дәлдігі төмендей береді, себебі толқындық пакеттің ұзындығы артады. Біз бұл жерде сәйкес оське қатысты координата мен импульстің проекциясын бір мезетте анықтау туралы айтып отырмыз.

Бірінің мәнінің анықталмағандығы екіншісін өлшеу дәлдігіне тәуелді шамалар жұбын (мысалы, х пен рx) түйіндес шамалар деп атайды.

Түйіндес емес (мысалы, у пен рy) шамаларды анықтау дәлдігіне ешқандай шек қойылмайды.

Гейзенберг 1927 жылы анықталмағандық принципін тұжырымдады.

Координатаның анықталмағандығы мен оған сәйкес импульс проекциясының анықталмағандығының көбейтіндісі һ шамасының мәнінен кіші болуымүмкін емес.

Анықталмағандық қатынастары мынадай:

ΔхΔрx≥ħ, ΔуΔру≥ħ, ΔzΔрz≥ħ

Лайнус Карл Полинг (Linus Carl Pauling) (1901 жылы 28 ақпанда АҚШ-тың Орегон штатының Портленд қаласы-1994) - белгілі америкалық химик, кристаллограф және екі мәрте Нобель сыйлығының иегері болған. Лайнус Полингтің ең басты ғылыми жетістігі – оның XX ғасырдың 20-30 жылдарында жасаған химиялық байланыс туралы ілімі. Бұл тақырыпты ол өзінің 1939 жылы алғаш рет жарыққа шыққан“The Nature of Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals” (Химиялық байланыстың табиғаты және молекула мен кристалдардың құрылымы) атты кітабында толығымен қарастырды. Кітап бірнеше қайтара шығарылып, көптеген тілдерге аударылды. Полингтің химиялық байланыстың табиғаты жайлы түсініктері ескіріп бара жатса да оның құрылымдық химияны оқытуға қосқан үлесі өте зор, осы ілімнің негізінде қазіргі кезде де көптеген жаңа зерттеулер мен жаңалықтар ашылуда. Кітапта алғаш рет Полинг құрастырған гибридтену теориясы жазылған. Полинг ақуыз молекулаларының құрылымын зерттеу бағытында көп жұмыстар жасады, ал 1954 жылы ол «Химиялық байланыстың табиғатын зерттеу және оны күрделі молекулаларды түсіндіруде қолдану» үшін химия бойынша Нобель сыйлығын алды.

1922 жылғы Полингтің Орегон мемлекеттік университетінбiтіргендегі суреті

1961 жылы Полинг  және оның жұбайы Осло қаласында  ядролық қарудың таралуына қарсы  конференция ұйымдастырды. Л. Полинг  ядролық cынақтарды тоқтату жайлы  келісім-шарт жобасын жасады. Бұл  жобаның негізінде 1963 жылы АҚШ, КСРО  және Ұлыбритания қол қойған  ядролық сынақтарға тыйым салу  туралы келісімшарт жасалды. Бұл  бітімгершілігіне байланысты 1963 жылы  Лайнус Полинг әлемдік Нобель  сыйлығымен марапатталды. XX ғасырдың 60 жылдарының соңында Полинг С  дәруменінің биологиялық әсерін  белсенді түрде зерттей бастады. Ол аскорбин қышқылын үлкен  мөлшерде қолдану арқылы вирустық  «суық тию» ауруларының алдын  алу теориясын қалыптастырды. Бұл  теория медициналық зерттеулермен  дәлелденді. Қазірде де көптеген  адамдар С дәруменінің бұл  қасиеттерін қолданады. 1970 жылы Полинг  «С дәрумені және тұмау» кітабын  басып шығарды. Үш жылдан кейін  Полинг Ортомолекулалық медициналық  институтын ашты, кейін ол Лайнус  Полинг атындағы Ғылым және  медицина институты деп аталды. Онда ол дәрумендерді ауруларды  емдеуде қолдануды зерттеді. Э. Камеронмен  бірлесіп жұмыс істей отырып, Полинг аскорбин қышқылын қауіпті  ісік ауруларына қолдануда оң  нәтижелер алып, 1979 жылы «С дәрумені  және қатерлі ісік» кітабын  шығарды. Жалпы алғанда, Лайнус Полинг  өмірге құштар адам болатын. Өмірінің  соңына дейін ол шығармашылық  белсенділігі мен ғылымға құлшынысын  сақтап қалды. Альберт Эйнштейн  Полингті «нағыз кемеңгер» деп  атады. Лайнус Полинг 1994 жылы 19 тамызда  өмірден өтті. Бұл ұлы ғалымның  ғылымға қосқан зор үлесін  толық бағалау мүмкін емес.

Эрвин Шредингер (12.8. 1887, Вена – 4.1.1961, сонда) – Австрияныңкөрнекті физик-теоретигі, кванттық механиканың негізін салушылардың бірі.

Вена ун-тін бітірген соң, сонда 1914 жылдан бастап сабақ берді. 1920 жылдан Штутгарттағы жоғары тех. мектептің, 1921 жылдан Цюрихтегі және Бреславльдегі (қазіргі Вроцлав), 1927 жылдан Берлиндегі ун-ттердің проф. Өкімет басына ұлтшылдардың келуіне байланысты Германиядан кетіп қалды. 1933 – 35 жылы Оксфордтағы (Англия), 1936 – 38 жылы Грацтағы (Австрия), 1938 – 39 жылы Генттегі (Бельгия), 1940 жылы Дублиндегі (Ирландия), 1955 жылы Венадағы (Австрия) ун-ттердің проф. болды. Шредингердің алғашқы жұмыстары түстердің матем. теориясына арналған (1920), Колометрияның қазіргі теориясы Шредингердің осы жұмысына негізделген. Дегенмен Шредингердің аса маңызды ғыл. еңбегі толқындық механиканы (басқаша айтқанда, релятивистік емес кванттық механиканы) жасау (1925 – 26) болды. Бұл теорияны жасауда ол Л. де Бройльдің идеясына сүйенді. Кванттық механика жарықтың толқындық және корпускулалық табиғатының арасында болып келген қарама-қайшылықты шешіп берді. Шредингер өзінің атымен аталатын әйгілі Шредингер теңдеуін қорытып шығарды. Бұл теңдеу қазіргі атом теориясында маңызды рөл атқарады. Шредингер толқындық механика мен матрицалық формадағы кванттық механика (В.Гейберг, Н.Бор және П.Иордан жасаған) арасында формалды байланыс барлығын көрсете келіп, олардың физикалық тұрғыдан өзара эквивалентті екендігін дәлелдеді. Ол толқындық механика мәселесін Штарк құбылысының теориясына да қолданды. Кейінгі жылдары термодинамикамен, жалпы салыстырмалық теориясымен, т.б. айналысты. Шредингер – көптеген елдердің ғыл. мекемелерінің, соның ішінде 1934 жылдан КСРО ғылым академиясының да құрметті мүшесі. Нобель сыйлығын алған

Д.Хартри.Бірліктердің атомдық жүйесі немесе Хартри бірліктерінің жүйесі — физика бөлімдерінде қоданылатын, табиғи бірліктер жүйесінің бірі. Алғашрет 1928 жылы Д.Хартримен ұсынылған.

Бірліктердің атомдық жүйесіның негізгі бірліктері болып табылатындар, анықтама бойынша: электрон заряды  , электрон массасы   және Планк тұрақтысы ħ,  .