كيمياء الكم هي أحد فروع الكيمياء النظرية، وهي تدرس الحالة الأساسية للذرات والجزيئات الفردية، والحالات الانتقالية التي تحدث أثناء التفاعلات الكيميائية، ويتم إجراء كيمياء الكم باستخدام مدارات أحادية الجسيم، والتي يتم الحصول عليها من معادلات الجسيم الواحد المتوافقة مع ذاتها، وفي هذا المقال سنوضح ما هي الكيمياء الكمومية
ما هي الكيمياء الكمومية
- الكيمياء الكمومية أو كيمياء الكم، هو فرع من فروع الكيمياء النظرية، ويقوم باستخدام ميكانيكا الكم، و نظرية الحقل الكمومي لمعالجة القضايا والمشاكل في الكيمياء.
- يعد وصف الإلكترونية سلوك الذرات، و الجزيئات، ودراسة تفاعلها واحد من تطبيقات الكيمياء الكموكية، كما أن فهم التركيب الإلكتروني، و الديناميات الجزيئية باستخدام معادلات شرودنجر هي المواضيع المركزية في الكيمياء الكمية.
- يقع علم الكيمياء الكمية على الحدود بين الكيمياء و الفيزياء، وقد بذلت مساهمات كبيرة من قبل العلماء من كلا الحقلين.
- يعتمد الكيميائيون بشكل كبير على التحليل الطيفي، الذي يمكن من خلاله الحصول على المعلومات المتعلقة بتكميم الطاقة على نطاق جزيئي.
- الطرق الشائعة هي التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (IR)، والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR)، والفحص المجهري للمسبار .
- تدرس كيمياء الكم الحالة الأساسية للذرات والجزيئات الفردية، والحالات المثارة، والحالات الانتقالية التي تحدث أثناء التفاعلات الكيميائية .
- تشمل الأهداف الرئيسية لكيمياء الكم زيادة دقة النتائج للأنظمة الجزيئية الصغير، وزيادة حجم الجزيئات الكبيرة التي يمكن معالجتها، وهو أمر محدود باعتبارات القياس – يزداد وقت الحساب كقوة لعدد الذرات.
اقرأ أيضا: ما هي الفرميونات
تاريخ الكيمياء الكمومية
- يرى البعض أن ولادة الكيمياء الكمومية، بدأت باكتشاف معادلة شرودنجر وتطبيقها على ذرة الهيدروجين في عام 1926، ومع ذلك ، غالبًا ما يتم التعرف على مقالة والتر هيتلر عام 1927، وفريتز لندن كأول معلم في تاريخ كيمياء الكم.
- هذا هو أول تطبيق لميكانيكا الكم على جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة، وبالتالي على ظاهرة الرابطة الكيميائية.
- في السنوات التالية، تم إنجاز الكثير من التقدم من قبل روبرت س.موليكين، ماكس بورن، ج.روبرت أوبنهايمر، لينوس بولينج، إريك هوكل، دوغلاس هارتري، فلاديمير فوك.
- يمر تاريخ كيمياء الكم أيضًا باكتشاف أشعة الكاثود عام 1838 بواسطة مايكل فاراداي، وبيان عام 1859 لمشكلة إشعاع الجسم الأسود من قبل غوستاف كيرشوف، واقتراح لودفيج بولتزمان في عام 1877 بأن حالات الطاقة في النظام الفيزيائي يمكن أن تكون منفصلة.
- والفرضية الكمومية لعام 1900 من قبل ماكس بلانك، بأن أي طاقة تشع نظامًا ذريًا يمكن نظريًا تقسيمها إلى عدد من عناصر الطاقة المنفصلة، بحيث يتناسب كل عنصر من عناصر الطاقة هذه مع التردد ν ، التي يشع كل منها على حدة الطاقة، وقيمة عددية تسمى ثابت بلانك.
- بعد ذلك، في عام 1905، لشرح التأثير الكهروضوئي، أي أن الضوء الساطع على مواد معينة يمكن أن يعمل على إخراج الإلكترونات من المادة، افترض ألبرت أينشتاين، استنادًا إلى فرضية بلانك الكمومية، أن الضوء نفسه يتكون من جسيمات كمية فردية، والتي سميت فيما بعد بالفوتونات.
- في السنوات التالية، بدأ تطبيق هذا الأساس النظري ببطء على التركيب الكيميائي والتفاعل والترابط، ربما كان أكبر مساهمة في هذا المجال قدمها لينوس بولينج.
أهمية الكيمياء الكمومية
- كيمياء الكم هي أداة قوية للغاية لدراسة خصائص الجزيئات وتفاعلاتها، لقد أتاح التطور في السنوات الأخيرة في طرق كيمياء الكم، خاصة تلك الخاصة بنظرية الكثافة الوظيفية، إمكانية وصول حسابات كيمياء الكم، إلى دقة مماثلة لتلك التي تم الحصول عليها في تجارب الجزيئات ذات الأحجام المتوسطة.
- شجع التطور السريع في تقنيات الكمبيوتر الكيميائيين بشكل كبير على استخدام كيمياء الكم، لفهم الخصائص الجزيئية وتفاعلها ونمذجتها والتنبؤ بها، وخصائص المواد النانومترية، والتفاعلات والعمليات التي تحدث في الأنظمة البيولوجية.
- هناك جانبان لميكانيكا الكم يجعلانها مختلفة عن النماذج السابقة للمادة، الأول هو مفهوم ازدواجية موجة-الجسيم، وهذا يعني أننا بحاجة إلى التفكير في الأشياء الصغيرة جدًا (مثل الإلكترونات)، على أنها تتمتع بخصائص كل من الجسيمات والموجات.
- ثانيًا، تتنبأ النماذج الميكانيكية الكمومية بشكل صحيح بأن طاقة الذرات والجزيئات دائمًا ما يتم تكميمها، مما يعني أنها قد تحتوي فقط على كميات محددة من الطاقة.
اقرأ أيضا: ما هو مفهوم الذرة
كيمياء الكم ونظرية المجال الكمومي
- أصبح تطبيق نظرية المجال الكمي (QFT،) على النظم والنظريات الكيميائية شائعًا بشكل متزايد في العلوم الفيزيائية الحديثة، يظهر أحد المظاهر الأولى والأكثر وضوحًا لهذا في نظرية المغناطيس الضوئي.
- في هذا النظام، تتم دراسة البلازما، الموجودة في كل مكان في كل من الفيزياء والكيمياء، من أجل تحديد التكمية الأساسية للحقل البوزوني الأساسي .
- ومع ذلك، فإن نظرية المجال الكمي ذات أهمية في العديد من مجالات الكيمياء، بما في ذلك: الكيمياء النووية، والكيمياء الفلكية، وكيمياء الصوت، و الديناميكا المائية الكمومية.
- كانت الطرق النظرية الميدانية حاسمة أيضًا في تطوير نظرية هاملتونيان الفعالة من البداية لطرق باي-إلكترون شبه التجريبية.
ما هي ميكانيكا الكم
- ميكانيكا الكم هي فرع من فروع الفيزياء المتعلقة بالميكانيكا الصغيرة جدًا، وينتج عنه ما قد يبدو أنه بعض الاستنتاجات الغريبة جدًا حول العالم المادي.
- على مقياس الذرات والإلكترونات، فإن العديد من معادلات الميكانيكا الكلاسيكية، التي تصف كيف تتحرك الأشياء بأحجام وسرعات يومية، لم تعد مفيدة.
- في الميكانيكا الكلاسيكية، توجد الأشياء في مكان محدد في وقت محدد، ومع ذلك، في ميكانيكا الكم، تتواجد الأشياء بدلاً من ذلك في ضباب الاحتمالية،و لديهم فرصة معينة للوصول إلى النقطة أ، وفرصة أخرى للوصول إلى النقطة ب وما إلى ذلك.
- تطورت ميكانيكا الكم على مدى عقود عديدة، وبدأت كمجموعة من التفسيرات الرياضية المثيرة للجدل للتجارب التي لم تستطع رياضيات الميكانيكا الكلاسيكية تفسيرها.
- ساهم العديد من العلماء في تأسيس ثلاثة مبادئ ثورية، اكتسبت تدريجياً القبول والتحقق التجريبي بين عامي 1900 و 1930، وهم:
- الخصائص الكمية: بعض الخصائص، مثل الموضع والسرعة واللون، يمكن أن تحدث أحيانًا فقط بكميات محددة، لقد تحدى هذا الافتراض الأساسي للميكانيكا الكلاسيكية، التي قالت إن مثل هذه الخصائص يجب أن توجد في طيف سلس ومستمر.
- جزيئات الضوء: يمكن للضوء أحيانًا أن يتصرف كجسيم، قوبل هذا في البداية بنقد شديد، حيث كان يتعارض مع 200 عام من التجارب التي أظهرت أن الضوء يتصرف كموجة.
- موجات المادة: يمكن للمادة أيضًا أن تتصرف كموجة، يتعارض هذا مع ما يقرب من 30 عامًا من التجارب التي أظهرت أن المادة (مثل الإلكترونات) موجودة كجسيمات.
المراجع
