Особенности квантово-механического исследования молекул.Молекула водорода

В современном мире использование квантомеханических расчетов для предсказания картины строения вещества и геометрического расположения узлов или мельчайших частиц, энергии, термодинамических характеристик для известных и предполагаемых молекул является одним из важных и быстроразвивающихся методов химических исследований. Особенную важность и ценность этого метода для ученых имеют предсказания свойств неизвестных соединений, синтез которых может являться достаточно сложной процедурой, требующей больших затрат времени и материальных ресурсов исследователей. К тому же, на современном этапе развития компьютерной техники и создания высокопроизводительных и универсальных программ для квантовой индустрии (физики, химии) существует возможность расчета химических свойств соединений с очень высокой точностью и надежностью.
Квантовая механика, волновая механика – теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (таких, как кристаллы), а также связь величин, характеризующих частицы и системы с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах. Законы квантовой механики есть основой в процессе изучения строения вещества, ведь именно благодаря им можно выяснить строение атомов, объяснить периодическую систему элементов, установить природу химической связи, изучать свойства элементарных частиц, понять строение ядер атомов. Свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, составляющих их. Законами квантовой механики описывают все факты и явления для понимания их человечеством; большинство макроскопических явлений исследуется посредством квантово-механических рассчетов. С помощью законов и урованений квантовой механики описывается и объясняется температурная зависимость и вычисляется величина теплоёмкости твёрдых тел и газов. Объяснение строения и понимание многие свойств твёрдых тел, таких как металлы, диэлектрики, полупроводники и другие тоже выполняется с использованием квантовой физики и квантовой химии. С учетом знаний данных наук объясняются ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, природа астрофизических объектов, к которым относятся белые карлики, нейтронные звёзды, объясняется механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и некоторых звёздах.
Целесообразно отметить, что в современных условиях создаются програмные обеспечения по расчету структуры и описанию свойств молекул. Одной из них есть программа GAUSSIAN, первая версия которой появилась ещё в 1970 г. Все последующие версии подлежали совершенствованию путем внедрения в каждую из них всех новых достижений развития квантовой химии и программирования на определенном этапе. Последняя существующая версия в настоящий момент – GAUSSIAN-03. Из рассмотренного выше следует актуальность данной работы.
Целью работы есть рассмотрение квантово-механического исследования молекул на примере молекулы водорода.
Задачи исследования:
- рассмотреть приближения, используемые в квантово-механическом исследовании молекул;
- рассмотреть теоретическое описание молекулы водорода;
- провести квантово-механическую интерпретацию спектров молекулярного водорода;
- провести сравнение результатов теоретического описания молекулы водорода различными методами.
Так как квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, лазеров, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках, используемых в новейшей технике, то именно они стали основой новой развивающейся области физики – квантовой электроники, которая входит в состав квантово-механической теория излучения.

ВВЕДЕНИЕ 3
1. Основные положения квантовой химии 5
2. Экспериментальные методы исследования характеристик молекул 8
3. Методы изучения захвата электронов молекулами 11
4. Молекула водорода 16
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 24
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 26

…однажды Нильс Бор, рассуждая о квантовой теории сказал: «Кто не остался в шоке от квантовой теории, тот ее не понял».
Современные ученые признают, что квантовую теорию понимают всего несколько человек – это те люди, которые посвятили ей всю жизнь. Остальные могут рассчитывать лишь на иллюзию понимания. Одна из главных причин непонимания правил квантовой механики – это отсутствие проявления и применения этих правил в повседневной жизни. В реальной жизни мы часто встречаемся с практическими примерами действия законов ньютоновской (классической) механики, но даже сильные квантовые взаимодействия микроскопических частиц скрыты от нашего глаза.
Изучение современного состояния фундаментальных разделов физики показывает, что происходит трансформация оснований физико-математического знания: появляются новые теоретические концепции, идеи, проблемы, задачи, гипотезы, не решаемые в рамках обычных, классических, методов и подходов. Отметим, что важными и перспективными направлениями в квантовой физике являются те, что основываются на факте постоянного расширения границ области действительности, вовлечения в круг исследований качественно новых объектов; которые характеризуются развитием и внедрением нанотехнологий. Они все имеют основой такие междисциплинарные исследования, в основе которых лежат квантово-механические эффекты. Большинство современных физических и технических достижений основаны на специфических законах квантовой механики. Квантово-механические законы лежат в основе работы лазеров, ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления в земных условиях термоядерных реакций, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках, используемых в новейшей технике, и т.д.
Таким образом, квантовая физика с точки зрения практического применения результатов, является наиболее успешной научно-исследовательской программой. Квантовая механика представляет собой первое теоретическое построение, объясняющее на основе исходных принципов все виды объединений атомов, фактически встречающиеся в природе. Даже все современные космологические теории также опираются на квантовую механику, которая описывает поведение атомных и субатомных частиц. Оказалось, что именно сближение всех других наук с квантовой физикой является наиболее эффективным шагом в развитии наук. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила объяснить многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников; только на основе квантовой механики удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть).
Ученые, исследователи квантовой физики сформировали новую информационно-технологическую парадигму, определяющуюся как NBIC-конвергенцию (абревиатура по предметным областям: N – «нано»; B – «био»; I – «инфо»; C – «когно»); это процесс, использующий все современные достижения нанотехнологий.
Подготовка специалистов в области квантовой физики имеет широкую фундаментальную составляющую. Так как научная мысль не стоит на месте, то в недалёком будущем нас ждут новые открытия, которые так же войдут в противоречие с существующими принципами квантовой механики и возникнет более общая теория мироздания, в которой квантовая механика займёт своё достойное место как один их разделов, характеризующий бесконечность разнообразия и взаимодействия материи, энергии, пространства и времени.

1. Банкер Ф. Симметрия молекул и молекулярная спектроскопия. — М.: Мир. 1981. — 452 с.
2. Волькенштейн М.В., Ельяшевич М.А., Степанов Б.И. Колебания молекул. — M.: ГИТЛ, 1949. Гл. 28. – 187 с.
3. Волькенштейн М.В. Строение и физические свойства молекул. — М.: Изд. АН СССР, 1955, – 640 с.
4. Годнев И.Н. Вычисление термодинамических функций по молекулярным данным. — М.: ГОНТИ, 1956. – 157 с.
5. Мидзусима С. Строение молекул и внутреннее вращение. — М.: ил., 1957. — 264 с.
6. Волькенштейн М.В. Конфигурационная статистика полимерных цепей. — М.: Изд. АН СССР, 1959. – 253 с.
7. Илиел Э., Аллинджер Н., Энжиал С., Моррисон Г. Конформационный анализ. — М.: Мир, 1969. – 241 с.
8. Введение в фотохимию органических соединений. /Под ред. Т.О. Беккера. — Л.: Химия, 1976. – 132 с.
9. Внутреннее вращение молекул. / Под ред. В.Дж. Орвилл-Томаса. — М.: Мир, 1977. — 512 с.
10. Дашевский В.Г. Конформационный анализ органических молекул. — М.: Мир, 1982. – 175 с.
11. Наумов В.А., Катаева О.Н. Молекулярное строение органических соединений кислорода и серы в газовой фазе. —М.: Наука, 1990. – 189 с.
12. Наумов В.А., Хаген К. Внутреннее вращение, конформации и молекулярные структуры газообразных соединений со связями (О)С—С. Строение дихлор-метилфенилкетона. //Ж. орган, химии. — 1999. — Т. 35. № 3. — С. 356-367.
13. Годунов И.А., Яковлев H.H. Экспериментальные исследования структуры и конфор-маций молекул карбонильных соединений в основных и низших возбужденных электронных состояниях. //Ж. структ. химии. — 1995. — Т. 36. № 2. — С. 269-285.
14. Годунов И.А., Яковлев Н.Н. Исследование структуры и конформаций молекул методом электронно-колебательной спектроскопии. // Ж. физ. химии. — 1993. — Т. 67. №2, — С. 351-360.
15. Годунов И.А., Абраменков А.В., Куднч А.В. Потенциальные функции инверсии молекул карбонильных соединений в низших возбужденных электронных состояниях. // Ж. физ. химии. — 1999. — Т. 73. № 11. — С. 223-225.
16. Годунов И.А., Абраменков А.В., Яковлев Н.Н. Определение потенциальных функций инверсии молекул по экспериментальным данным: современное состояние и проблемы. // Ж. структ. химии. — 1998. — Т. 39. №. 5. — Р. 947-961.
17. Годунов И.А., Яковлев Н.Н., Аверина Е.Б. Si—So-Вибронный спектр и строение молекулы фтораля в Si-состоянии. // Изв. АН. Сер. хим. — 1998. — № 2. — С. 294-299.
18. Clouthier D.J., Ramsay D.A. The Spectroscopy of Formaldehyde and Thioformaldehyde. // Ann. Rev. Phys. Chem. — 1983. — V. 34. — P. 31-58.
19. Bruna P.J., Hachey M.R.J., Grein F. Benchmark Ab Initio Calculations of Formaldehyde, H2CO. // J. Mol. Struct. (Theochem.). — 1997. — V. 400. — P. 177-221.
20. Yakovlev N.N., Godunov I.A. The a3A"<—X'A' electronic spectra of acetaldehyde-h4 and -d4. // Can. J. Chem. — 1992. — V. 70. — P. 931-934.158
21. Герцберг Г. Электронные спектры и строение многоатомных молекул. — М.: Мир, 1969. —772 с.
22. Lucazeau G., Sandorfy С. On the Far-Ultraviolet Spectra of Some Simple Aldehydes. // J. Mol. Spectr. — 1970. — V. 35. N. 2. — P. 214-231.
23. Heath B.A., Robin M.B., Kuebler N.A., Fisanick G.J., Eichelberger T.S. Multiphoton Ionization Spectroscopy of Acetaldehyde in Its Lowest Ridberg State. // J. Chem. Phys. — 1980,—V. 72.N. 10, —P. 5565-5570.
24. Munoz-Caro С., Nino A., Moule D.C. Theoretical Determination of the Torsion-Wagging Structure of the Si<—S0 Electronic Spectrum of Acetaldehyde. // Chem. Phys. — 1994. — V. 186. —P. 221-231.
25. Папп JI.B., Хаврюченко В.Д., Шманько И.И., Шманько М.И. Полное силовое поле монохлорацетальдегида. // Укр. хим. журн. — 1990. — Т. 56. № 2. — С. 177-180.
26. Пб.Папп JI.B., Хаврюченко В.Д., Шманько И.И., Шманько М.И. Колебательные спектры и квантовохимический расчет силового поля дихлорацетальдегида. // Укр. хим. журн.1990. — Т. 56. № 6. — С. 633-636.
27. Степанов Н.Ф., Пупышев В.И. Электронное строение и свойства малых молекул. // Современные проблемы квантовой химии. Строение и свойства молекул. —J1.: Наука. 1986. С. 3-77.
28. Степанов Н.Ф., Пупышев В.И. Квантовая механика молекул и квантовая химия. — М.: Изд-во МГУ. 1991. — 364 с.
29. Пупышев В.И., Дементьев А.И., Степанов Н.Ф. Особенности описания потенциальных поверхностей ограниченным вариантом метода ССП. // Структура и свойства молекул. Межвузовский сборник научных трудов. ИХТИ: Иваново. 1988. С. 6-11.
30. Пупышев В.И., Дементьев А.И., Степанов Н.Ф., Симкин Б.Я. Симметрия молекулярных орбиталей. // Строение молекул (экспериментальные и расчетно-теоретические работы). Под ред. Ю.А. Пентина и П.А. Акишина. М.: Изд-во МГУ. 1986. С. 150-168.
31. Травень В.Ф. Электронная структура и свойства органических молекул. — М.: Химия. 1989. —384 с.
32. Яковлев Н.Н., Михайлов М.Н., Годунов И.А. SiSo-Вибронный спектр и строение молекулы хлораля в Si-состоянии. // Ж. структ. химии. — 1998. — Т. 39. № 3. — С. 507-513.