現(xiàn)代化學前沿問題

講座

二十世紀八十年代以來，先進的分析儀器的應用、量子化學計算方法的進展和計算機技術的飛速發(fā)展，對化學科學的發(fā)展產生了沖擊性的影響。其研究內容、方法、乃至學科的結構和性質都在發(fā)生深刻的變化。

長期以來，化學一直被科學界公認為一門純實驗科學。其理由要追溯到人類認識自然的兩種科學方法。

⑴歸納法 ( F. Bacon, 1561-1626 )

⑵演繹法 ( R. Decartes, 1596-1650 )

設計實驗

實驗數(shù)據(jù)

唯象理論

“預測”

數(shù)據(jù)擬合

公理假設

形式理論

二次形式化、

近似、計算

和模擬

預 測

模 型

實驗

檢驗

迄80年代，歸納法是多數(shù)化學家采用的唯一科學方法；演繹法在化學界從未得到普遍承認

原因：①對象復雜；②習慣觀念

歸納法(Reduction)與演繹法(Deduction)的比較

運用數(shù)學的多少是一門科學成熟程度的標志。

馬克思

數(shù)學的應用：在剛體力學中是絕對的，在氣體力學中是近似的，在液體力學中就已經比較困難了；在物理學中是試驗性的和相對的；在化學中是最簡單的一次方程式；在生物學中等于零。

恩格斯

恩格斯的論斷反映了19世紀中葉自然科學各學科的“成熟程度”。表明各學科研究對象? 物質運動形式與規(guī)律? 其復雜程度的差異

然而，百年來科技的發(fā)展使各學科的“成熟程度”發(fā)生了巨大變化

冶金、建材工業(yè)推動了無機

藥物、染料、釀酒工業(yè)推動了有機

? 經典價鍵理論、苯結構奠定有機化學基礎

? 元素周期表奠定無機化學基礎

無機、有機化學在19世紀率先建立

物理化學在20世紀初形成。旨在揭示化學反應的普遍規(guī)律 — 反應進行的方向、程度和速度…

Gibbs ?

化學熱力學

Arrhenius ?

化學動力學

物理化學的建立使化學科學開始擁有了理論。高等數(shù)學首次派上了用場 — 雖然僅是一階的常、偏微分方程而已(以后在經典統(tǒng)計熱力學中用到了概率論)

經典物理化學的理論是唯象的，是有限的地球空間內宏觀化學反應規(guī)律的經驗總結

30年代量子化學和量子統(tǒng)計力學分支的形成使化學科學開始與演繹法“沾上了邊”。但在80年代前進展十分緩慢

⑴Einstein廣義和狹義相對論(1905)

⑵量子力學的創(chuàng)建(1925~1926)

上世紀初理論物理兩項重大突破

對廿世紀人類科技和物質文明進步產生巨大影響。其中，量子力學的影響更為直接和廣泛。

Heisenberg、Schr?dinger、Dirac、Born等于1925~1926創(chuàng)建

30年代初由von Neumann完成形式理論體系

量子力學是演繹法最成功的實例

量子力學的建立未依據(jù)任何實驗事實或經驗規(guī)律。它用少數(shù)幾條基本假定作為公理，由此出發(fā)，通過嚴格的邏輯演繹，迅速地建成一個自洽、完備、嚴密的理論體系

微觀粒子或體系的性質由狀態(tài)波函數(shù)? 唯一確定， ? 服從Schr?dinger方程

基本運動方程 — Schr?dinger方程

Schr?dinger方程：

Hamilton算符：

在?10-13 m的微觀層次，方程放之四海而皆準

方程建立容易，困難在于求解

歷70余年，量子力學經受物質世界不同領域 (原子、分子、各種凝聚態(tài)、基本粒子、宇宙物質等) 實驗事實的檢驗，其正確性無一例外。任何唯象理論無法與之同日而語。

用完備的形式理論體系—統(tǒng)一理論—解釋和預測不同科學領域的實驗結果。量子力學的“第一原理” (First Principle) 計算(從頭算)只采用5 個基本物理常數(shù)：?0、e、h、c、k 而不依賴任何經驗參數(shù)即可正確預測微觀體系的狀態(tài)和性質

20世紀人類光彩奪目的科技成就大都與量子力學有關。量子理論不僅有力地促進了社會的物質文明改觀，且改變了人類的思維方式

量子力學的輝煌使理論物理學家18次共25人榮獲諾貝爾物理獎

1919Planck

1921Einstein

1922Bohr

1929de Broglie

1932Heisenberg

1933Schr?dinger

Dirac

1938Fermi

1945Pauli

1949Yukawa

1954Born

Bothe

1957T.D. Lee

C.N. Yang

近20年理論物理領域未見再獲獎。表明物理學科的高度成熟

1962Landau

1963Wigner

1965Tomonaga

Schwinger

Feyman

1967Bethe

1969Gell-Mann

1972Cooper

1979Weinberg

Salam

Glashow

量子力學的建立和發(fā)展促進了：

? 現(xiàn)代化學鍵理論奠基(1930)

Pauling是杰出代表

Slater、Mulliken、Hund、Heitler-London分別作出貢獻

總結

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