Молекулы Понятие "молекула" в химии и физике
К проблеме описания и анализа молекул (так же, как и атомов), можно подходить двояко: с химической или физической точки зрения. Поэтому следует различать по смыслу две разновидности этого термина — "химическая молекула" и "физическая молекула".
Химическая молекула— понятие классической теории химического строения, предназначенное для осмысления и организации результатов химического эксперимента. С химической точки зрения молекула представляет собой неотъемлемую часть вещества и поэтому свойства, которые приписывают ей химики, в действительности представляют собой свойства макроскопического вещества. Так же как химический атом, химическая молекула может находиться в единственном доступном ей состоянии. Все химические молекулы данного вида одинаковы, поэтому, определив тип молекулы, мы установим и все ее химические свойства.
Физическая молекулааналогична физическому атому — это самостоятельная микроскопическая структура, которую можно приготовить в определенном состоянии (полное число таких состояний бесконечно) и подвергнуть процедуре измерения посредством приборов. Характеристики молекулы представляют собой механические наблюдаемые, для которых можно установить механические уравнения состояния и эволюции. Таким образом, для физической молекулы можно построить механическое описание. В дальнейшем мы будем исследовать только физические молекулы в отношении их описаний в рамках механического способа.
Механическая модель физической молекулы
Молекула, так же как и атом, является составной структурой. Поэтому ее можно рассматривать с двух точек зрения: глобальнойилокальной.
В глобальном отношении молекула рассматривается как унитарный (точечный) объект, обладающий набором допустимых состояний. Каждое состояние может быть описано квантово-механическим вектором состояния или эквивалентной ему волновой функцией. Для химиков, изучающих медленные химические процессы, интерес представляют не все, а только стационарныесостояния молекул.
Волновые функции стационарных состояний молекул обычно рассматриваются в пространственном декартовом базисе, так как в отличие от случая с атомами, сферическая система координат для молекул не имеет особых преимуществ. Достаточно очевидно, что число необходимых переменных должно быть равно 3N+ 3n, гдеN— число ядер иn— число электронов в составе молекулы. Для учета спиновых состояний электронов потребуется ввестиnдополнительных переменных. Кроме того, многие ядра обладают спинами. Для указания ядерных спиновых состояний надо ввести ещеN' спиновых переменных. Таким образом, полная размерность волновой функции молекулы будет равна (3N+ 3n) + (N'+n):
= (Xi,Yi,Zi,xj,yj,zj,j,k)
i= 1, ... ,N ;j = 1, ... ,n ;k= 1, ... ,N'
Действуя на такую функцию операторами наблюдаемых, можно вычислить значения любых механических наблюдаемых молекулы (энергии, механических моментов и др.), а также установить характер распределения электронов и ядер в пространстве (т.е. вероятность обнаружения этих частиц в любой заданной точке пространства).
При попытке установления явного вида волновой функции молекулы мы сталкиваемся с той же трудностью, что и для атомов — волновую функцию нельзя найти прямым способом, т.е. решая уравнение на собственные значения для оператора Гамильтона. Единственный возможный путь — конструирование волновой функции на основе некоторой вспомогательной структурной модели.