проф., д.х.н. Е.А. Поленов
ТЕКУЩИЙ ПЛАН-КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ курса
“Строение вещества и химическая связь”.
Примерно в этом объёме курс прочитан в 2003 году. Затем возникали иные ситуации и нюансы отдельных глав и раздело, конечно же, менялись. Это имело место и в разделах по теории валентности, и в разделе, посвящённом статистической термодинамике.
В основу данного курса положен 35 –летний опыт автора чтения лекций по различным разделам квантовой механики и квантовой химии, дополняемый опытом научной работы автора, включающий работу и на Родине, и в университетских лабораториях Германии. Это лаборатории нобелевского лауреата Рудольфа Мёссбауэра на физическом факультете Технического Университета в Гархинге и в Институте биохимии общества Макса Планка в Мартинсрид под Мюнхеном в тогдашней ФРГ.
Автор вполне представляет себе историю развития науки и образования в нашей стране, и многие из разрекламированных с помпой реформ, осуществляемых ныне, вызывают лишь вопросы и самую серьёзную обеспокоенность и тревогу.
На них нет и быть не может логически мотивированного ответа.
Объяснить их можно, но не здравым смыслом развития нации, но лишь случайным наслоением исключительно корпоративных интересов, запредельных фантазий на основе бессмысленно некомпетентного прожектёрства.
Поднятие реальных интеллектуальных и производственных возможностей российского общества в этих «наших» реформах не предусмотрено…
Введение
В этой главе для Вас кратко изложены некоторые общие определения, термины, символы, активно используемые в разделе «Строение вещества» и представленные и в текущем письменном контроле, и в экзаменационных задачах.
Все эти понятия составляют основу языка спектроскопии и квантовой химии.
Содержание.
Общие понятия. Термины.
I. Уровни и состояния квантовых систем.
Дискретные состояния и уровни квантовых систем.
Нумерация состояний и уровней. Квантовые числа. Числовые множества для нумерации состояний и уровней.
Множества и кванторы.
Система из одной частицы, состояния – орбитали. Множество уровней (спектр).
Числа заполнения орбиталей
Диаграмма уровней (энергетическая диаграмма).
Коллектив из многих частиц. Орбитальные уровни и конфигурации.
Правила заполнения для основной конфигурации. Символ конфигурации.
Возбуждённые конфигурации.
Коллективные состояния и дискретные уровни - термы.
Орбитальные конфигурации и термы атомов и молекул.
II. Возбуждение и дезактивация квантовой системы.
Виды возбуждения квантовых систем (тепловые и электромагнитные).
Квантовый переход.
Тепловые переходы.
III. Поглощение и эмиссия фотонов.
Спектральный переход.
Поглощение, эмиссия, рассеяние фотонов. Сохранение энергии.
Условия спектрального перехода. Формула Планка-Эйнштейна.
Матрица спектральных переходов квантовой системы. (пока не готово)
IV. Простейшие квантовые системы (1-й семинар). Волны материи.
Волны материи и частица на орбите.
Спектры уровней и матрицы переходов. (пока не готово)
Примеры расчёта для простейших систем. (пока не готово)
V. Простейшие квантовые системы. Спектральные переходы (2-й семинар).
Молекулярные спектры.
I. Уровни и состояния квантовых систем.
Силы притяжения отрицательные по знаку.
Потенциальная энергия сил притяжения отрицательная по знаку.
Кинетическая энергия всегда положительная по знаку.
Полная энергия - их сумма и может быть и положительной и отрицательной.
При отрицательной полной энергии силы сцепления обеспечивают устойчивость физической системы как единого целого.
Если кинетическая энергия превосходит потенциальную, общий импульс всех частей системы достаточно велик. Силы сцепления не удержат физическую систему в виде единого целого.
Если устойчивая система не взаимодействует ни с чем, то она замкнутая.
В замкнутой устойчивой атомно-молекулярной системы движение стационарное, строго периодичное.
Поскольку механическая система устойчива, вводится термин СОСТОЯНИЕ (квантовое состояние, квантово-механическое состояние) по аналогии с термодинамикой. Это первичное понятие, содержащее в себе всю совокупность свойств в определённой физической ситуации. Как-то более строго определить его не удастся, точно так же как и в термодинамике.
ПОЛНАЯ ЭНЕРГИЯ замкнутой устойчивой стационарной квантовой системы может принимать лишь ДИСКРЕТНЫЕ (квантованные) значения.
Дискретные значения полной энергии называются ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ УРОВНЯМИ, или равноценно КВАНТОВЫМИ УРОВНЯМИ, или просто УРОВНЯМИ.
УРОВНИ квантовой системы дискретны.
Элементы дискретных множеств можно НУМЕРОВАТЬ.
Нумеруют состояния и уровни КВАНТОВЫМИ ЧИСЛАМИ.
Множество возможных уровней системы называется её ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ СПЕКТРОМ.
Дискретному набору уровней отвечают дискретное множество состояний.
Спектр может быть дискретным или непрерывным – сплошным. Сплошной спектр возникает в условиях распада атомно-молекулярной системы, и он чётко фиксируется на опыте.
Каждое квантовое состояние исчерпывающим образом описывается своей функцией состояния.
Это ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ.
Это математический образ и потому это почти синоним слова «состояние» в самом общем физическом смысле, в самых серьёзных фундаментальных источниках.
Множество волновых функций возможных квантовых состояний системы называется СПЕКТРОМ ВОЛНОВЫХ ФУНКЦИЙ.
Нумерация состояний и уровней. Квантовые числа.
Очень часто каждому дискретному значению энергии отвечает лишь одна волновая функция, т.е. лишь одно состояние. Такой уровень НЕВЫРОЖДЕН.
Может быть так, что у нескольких состояний равна энергия. Такой уровень ВЫРОЖДЕН - ему принадлежит несколько состояний. Число состояний с равной энергией это кратность вырождения уровня.
Кратность вырождения уровня Ei обозначается gi
Случай 1:
Случай 2:
.
В первом случае уровни не вырождены и содержат лишь по одному состоянию.
Во втором - под каждым уровнем отмечены несколько волновых функций разных состояний, и под ними - индексы вырождения и ещё ниже - их значения.
Символы волновых функций выбирают из соображений компактности и информационной насыщенности. Например, просто буквы латинские a,b,c,…h,…k,…или греческие ……….
Для нумерации состояний – волновых функций внутри вырожденного уровня вводится дополнительный номер - индекс.