Глава 2. Молекулы

К проблеме описания и анализа молекул (аналогично ситуации с атомами), можно подходить двояко: с химическойили сфизическойточки зрения. Поэтому следует различать по смыслу термины "химическая молекула" и "физическая молекула".

Химическая молекула— понятие классической теории химического строения, предназначенное для интерпретации 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 (структурную формулу), мы установим и все ее химические свойства.

Физическая молекулааналогична физическому атому — это самостоятельная микроскопическая структура, которую можно приготовить в определенном состоянии и подвергнуть процедуре измерения посредством приборов. Характеристики физической молекулы представляют собой механические наблюдаемые, для которых можно установить механические уравнения состояния и эволюции. Таким образом, для физической молекулы можно построить стандартное механическое описание. В дальнейшем будут рассматриваться только физические молекулы.

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 полностью аналогично атому — как унитарный (точечный) объект, обладающий набором допустимых состояний. Каждое состояние может быть описано квантовомеханическим вектором состояния или эквивалентной ему волновой функцией. Для химиков, изучающих сравнительно медленные химические процессы, интерес представляют только стационарныесостояния.

Волновые функции стационарных состояний молекул обычно рассматриваются в пространственном декартовом базисе. С учетом состава молекулы (Nядер иnэлектронов), достаточно очевидно, что число необходимых переменных должно быть равно 3N+ 3n. Для учета спиновых состояний электронов потребуется ввестиnдополнительных переменных. Кроме того, многие ядра также обладают спинами. Для указания ядерных спиновых состояний надо ввести ещеN' спиновых переменных, и тогда полная размерность волновой функции будет равна (3N+ 3n) + (N'+n):

 = (X_i,Y_i,Z_i,x_j,y_j,z_j,_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 каждой частицы 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 — конструированиеволновой функции на основе некоторой вспомогательной структурной модели.