Квантовая химия. Введение - Фларри Р.
Скачать (прямая ссылка):
8
Предисловие
она вообще вводится). Изложение теории групп проводится главным образом на примерах. Хочется надеяться, что такие примеры побудят заинтересованных студентов к дальнейшему изучению теории групп, а тех, кто меньше интересуется формальной стороной дела, познакомят с практическими аспектами теоретико-группового подхода. Первое ознакомление с теорией групп сделано на примере трехмерных вращений (гл. 3). Затем вводятся симметрические перестановочные группы (гл. 7). Эти группы, с которыми многие химики мало знакомы, рассматриваются раньше точечных групп (гл. 13), чтобы обратить внимание читателя на важную роль ие только точечной или пространственной симметрии. (Специальные унитарные группы кратко упоминаются в гл. 17.)
Главы 1—6 посвящены основам теоретических представлений и матема тическому аппарату квантовой химии. В гл. 7 и 8 обсуждается строение атома. В гл. 9—15 развивается теория электронного строения молекул. Большое внимание при этом уделяется теории Хюккеля ввиду ее предельной простоты. (Она позволяет дать полуколичественное описание химической связи без сложных математических вычислений интегралов или проведения итерационных процедур.) В гл. 16 рассматриваются колебания молекул, а в гл. 17 — их магнитные свойства (главным образом магнитный резонанс). Эти две главы иллюстрируют проблемы, не связанные с электронными волновыми функциями. Более того, если магнетизм рассматривается в чисто спиновом приближении, то базисный набор, являющийся полным в рамках этого приближения, может быть использован для построения волновых функций. Глава 18, посвященная химической кинетике, показывает, что многие важные сведения удается получить на основе чисто качественного применения квантовохнмнческих представлении.
Как учебник эга книга содержит достаточный материал для двухсемест-рового курса. В односеместровом курсе логично сделать упор либо па основах теории, либо на проблеме химической связи в молекулах. В первом случае следует отдать предпочтение гл. 1—6 и выбрать подходящие примеры приложений теории из других глав, а во втором — можно опустить большую часть гл. 3, всю гл. 4, большую часть гл. 7 и 8 и целиком гл. 16 я 17, не нарушая связности в изложении теории электронного строения молекул.
Квантовую химию лучше всего изучать на 'практических примерах, и с этой целью в конце каждой главы помещен ряд задач. Для решения почти всех этих задач достаточно воспользоваться карманным калькулятором. В приложении 4 помещены ответы на задачи, номера которых отмечены звездочками.
Я хотел бы выразить признательность всем тем, кто способствовал появлению этой книги. Прежде всего следует упомянуть студентов, общение с которыми помогло мне выбрать нужную форму изложения; речь идет о моих слушателях курса химии в университете Нового Орлеана в период 1976—1980 гг., а также в Дартмутском колледже осенью 1980 г. Профессора Гордон А. Гэллап, Ганс Г. Джаффе, Петер Лыкос, Стэнли Ч. Нили, Роберт Дж. Парр н Л. Г. Педерсен, а также Марк Розенберг прочли всю рукопись и сделали ценные замечания. Завершающий период издания книги пришелся на то время, когда я был приглашен преподавать в Дартмутскнй колледж. Я весьма признателен д-ру Роджеру Содербергу и всем сотрудникам химического факультета этого колледжа за их гостеприимство. Наконец, я хотел бы поблагодарить редакционный и производственный коллективы издательства „Прентис-холл", в особенности Бетси Перри и Николаса Романеллн, за их усилия.
Университет Нового Орлеана
Р. Фларри
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В КВАНТОВУЮ ТЕОРИЮ
1.1. Электромагнитное излучение
Изучение электромагнитного излучения, его свойств и взаимодействия с веществом имеет очень большое значение для квантовой химии. Изучение испускания электромагнитного излучения раскаленными телами заставило Макса Планка в 1900 г. постулировать квантование энергии. Результаты атомной спектроскопии, т. е. исследований поглощения и испускания электромагнитного излучения микроскопической системой, побудили Нильса Бора выдвинуть в 1913 г. первую приемлемую теорию атома (атома водорода). Почти все имеющиеся подробные сведения о строении атомов и молекул получены из исследований их взаимодействия с электромагнитным излучением.
Многие наши знания о макроскопическом мире также зависят от электромагнитного излучения. Свет — форма электромагнитного излучения, лучше всего известная нам, — позволяет человеку видеть. Радиоволны — другая форма электромагнитного излучения — приносят нам большую часть информации. Более того, вся энергия, поступающая на Землю от Солнца и поддерживающая жизнь на нашей планете, поступает в виде электромагнитного излучения.
При обсуждении электромагнитного излучения обычно пользуются понятием о волнах. Мы хорошо знакомы со многими типами волн и волновым движением. На морском берегу мы видим движущиеся волны. Прикосновение к скрипичной струне вызывает на ней стоячие волны, и мы слышим звуковой тон, переносимый к нашим ушам акустическими волнами. Все эти волны связаны с тем или иным колебательным движением. Такое движение характеризуется амплитудой, частотой или длиной волны и, если волны распространяются в какой-либо среде, скоростью распространения. Последние три характеристики связаны между собой соотношением
