معرفی شیمی کوانتوم

فیزیک کلاسیک به آن مفاهیمی ازعلم فیزیک اطلاق می شود که تا قبل ازسال 1900میلادی توسعه پیدا کرد. این مفاهیم شامل مکانیک کلاسیک ، نظریه ماکسول درباره الکتریسته ، مغناطیس و تابش الکترومغناطیس ، ترمودینامیک و نظریه جنبشی گازهاست. دراوایل قرن نوزدهم ، بعضی از فیزیک دان ها ، بر این باور بودند که ساختار نظری فیزیک کامل است ، اما در ربع آخر قرن نوزدهم ، نتایج تجربی متنوعی به دست آمد که از طریق کاربرد فیزیک کلاسیک قابل توجیه و تفسیر نبودند. این نتایج منجر به توسعه نظریه ی کوانتومی و نظریه ی نسبیت شد. درک ساختار اتمی ، پیوند شیمیایی و طیف سنجی مولکولی بر نظریه ی کوانتومی استوار است.
یکی از شکستهای فیزیک کلاسیک پیش بینی مقادیر نادرست برای Cv,m به وسیله ی نظریه جنبشی گازها بود. شکست دوم مربوط به عدم توانائی فیزیک کلاسیک برای توزیع فرکانسهای مشاهده شده در انرژی (تابشی) نشر شده به وسیله یک جسم داغ بود. درحقیقیت آغاز تئوری کوانتوم راباید باتوجیه این پدیده درسال 1900 میلادی به وسیله ماکس پلانک دانست.زمینه ی تاریخی مکانیک کوانتومی

درسال 1801میلادی توماس یانگ بامشاهده پراش وتداخل نور (پراش ، خمش موج اطراف یک مانع است. تداخل ، ترکیب دو موج بافرکانس یکسان است) هنگام عبورآن ازدوسوراخ ریز مجاور  هم ، شواهدتجربی قانع کننده ای برای طبیعت موجی نور به دست آورد .حدودسال1860میلادی ، جیمزکلارک ماکسول چهارمعادله که به معادلات ماکسول معروف اند به دست آورد که قوانیـن الکتریسیته و مغناطیس رامتحد می کنند. معادلات مـاکسـول پیش بینی کردند که یک بارالکتریکی شتابدار ، انرژی خود را به صورت امواج الکترومغناطیسی که ازمیدان های الکتریکی و مغناطیسی نوسان کننده تشکیل شده اند ، آزاد می کند. سرعت پیش بینی شده به وسیله ی معادلات ماکسول برای این امواج ، باسرعت نوراندازه گیری شده به روش تجربی ، یکسان است . ماکسول نتیجه گرفت که نور ، یک موج الکترومغناطیسی است.   
در اواخر دهه ی 1800 میلادی ، فیزیک دانان شدت نور منتشرشده در فرکانس های مختلف به وسیله ی یک جسم سیاه داغ رادریک دمای ثابت اندازه گیری کردند. جسم سیاه شیئی است که تمام نوری که به آن می تابد را جذب می کند. یک تقریب خوب برای جسم سیاه ، حفره ای بایک سوراخ ریزاست. هنگامی که فیزیکدانان ازمکانیک آماری و مدل موج الکترومغناطیسی نور برای پیش بینی منحنی شدت برحسب فرکانس تابش جسم سیاه استفاده کردند ، به نتیجه ای دست یافتند که در عدم توافق کامل با بخش فرکانس بالای منحنی های تجربی بود. درسال 1900 میلادی ماکس پلانک نظریه ای ارائه کرد که با منحنی های مشاهده شده ی تابش جسم سیاه توافق عالی داشت. پلانک فرض کرد که اتم های جسم سیاه تنها می توانند انرژی نورانی با مقادیری به اندازه ی hυ منتشر کنند که υ فرکانس تابش بوده و h یک ثابت تناسب است که ثابت پلانک نامیده می شود. مقدار h=6.6х10-34J.s از منحنی ها به دست می آید که با منحنی های تجربی جسم سیاه توافق دارد. کار پلانک شروع مکانیک کوانتومی بود. کاربرد دوم کوانتش در اثر فوتو الکتریک بود. دراثر فوتو الکتریک ، نور تابیده شده روی یک  فلز باعث نشر الکترون می شود. انرژی جنبشی الکترون نشر شده مستقل ازشدت نور است ، اما با افزایش فرکانس نور افزایش می یابد که با تئوری های مکانیک کلاسیک درتضاد است. فردی که به اهمیت ایده پلانک پی برد اینیشتین بود که از مفهوم کوانتش انرژی تابش الکترومغناطیس ، برای توجیه اثر فوتو الکتریک استفاده کرد ، او پیشنهاد داد که نور علاوه بر داشتن خواص موجی متشکل از اجزای ذره مانند (کوانتوم ها) نیز می باشد. اینیشتین در سال 1905میلادی ، نشان داد که این مشاهدات را می توان بادر نظر گرفتن نور به صورت وجودهایی ذره مانند (او بعدها کوانتوم ها را فوتون نامید) توجیه کرد که انرژی هر فوتون به صورت زیر است :  

                                                           E=hv

اثر فوتو الکتریک نشان می دهد که نور علاوه بر رفتار موج مانند که در آزمایش های پراش مشاهده می شود ، رفتار ذره مانند هم دارد.
پس از آن درسال 1923 کشف کامپتون مبنی بر پراکنده شدن اشعه ی ایکس(X) دراثر برخورد فوتون با الکترون ها ، تأیید دیگری برخاصیت کوانتایی بودن نور بود. کارهای پلانک ، اینیشتین ، کامپتون و.... به طور تئوری و تجربی نشان دادند که امواج و از جمله نور در مقیاس میکروسکوپی ، مانند ذرات رفتار می کنند. اکنون ساختار ماده را مورد توجه قرار می دهیم. در اواخر قرن نوزدهم تحقیقات انجام شده روی لوله های تخلیه ی بار و پرتوزایی طبیعی نشان دادند که اتم ها و مولکول ها از ذرات باردار تشکیل شده اند. الکترون ها بار منفی دارند. پروتون دارای بار مثبت است که با بار الکترون برابر و علامت آن مخالف علامت بار الکترون و 1836 مرتبه سنگین تر از الکترون است. جزء سازنده سوم اتم ها نوترون است که درسال 1932 میلادی کشف شد و بدون بار و اندکی سنگین تر از پروتون است.
از آن جا که خواص شیمیایی اتم ها و مولکول ها از روی ساختار الکترونی آنها تعیین می شود ، این  پرسش مطرح می شود که طبیعت حرکت ها و انرژی الکترون ها به چه صورت است. از آن جا که هسته از الکترون ها بسیار سنگین تر است انتظار داریم که حرکت هسته در مقایسه با حرکت الکترون ها ناچیز باشد. درسال 1911میلادی رادرفورد مدل سیاره ای اتم را پیشنهاد داد که این مدل یک مشکل اساسی دارد. یک ذره ی باردار شتاب دار مطابق با نظریه ی الکترومغناطیسی کلاسیکی انرژی خود را به شکل امواج الکترومغناطیسی (نـور) تابش می کند. الکترونی که با سرعت ثـابت حـول هسته می چرخد شتاب دارد. زیرا راستای بردار سرعت آن به طور پیوسته تغییر می کند ، بنابر این مطابق مدل رادرفورد ، الکترون ها باید به طور پیوسته انرژی خود را به صورت تابش ازدست بدهند و با حرکت مارپیچی به سوی هسته حرکت کنند و از این رو مطابق فیزیک کلاسیکی (قرن نوزدهم ) اتم رادرفورد ناپایدار است و متلاشی خواهدشد. در سال 1913 میلادی ، هنگامی که نیلز بور مفهوم کوانتش انرژی را درباره ی اتم هیدروژن به کاربرد ، راهی برای حل مشکل پیشنهادکرد. بور فرض کرد که انرژی الکترون دراتم هیدروژن کوانتیده است والکترون ، تنها مقید به حرکت روی یکی از دایره های مجاز است. هنگا می که یک الکترون ازیک مداربور به مدار دیگری جهش می کند یک فوتون نور جذب یا نشر می کند که فرکانس آن از رابطه ی زیر پیروی می کند: 
                                             پایین تر E – بالاتر E   
که  بالاترE و  پایین ترE  انرژی حالت های بالاتر و پایین تر (بقای انرژی) هستند بور با این فرض که جهش الکترون که ازیک حالت آزاد (یونیده) به یکی ازمدارهای مقید فوتونی نشر می کند که فرکانس آن مضرب درستی ازنصف فرکانس کلاسیکی چرخش الکترون درمدارمقید است ، او برای به دست آوردن فرمولی برای ترازهای انرژی اتم هیدروژن ازمکانیک کلاسیکی استفاده کرد . فرکانس هایی که او با استفاده ازمعادله بالا بدست آورد ، با طیف مشاهده شده ی اتم هیدروژن توافق داشت . اما، تلاشهابرای منطبق کردن طیف اتم هلیم بانظریه ی بور با شکست مواجه شد. همچنین ، این نظریه نتوانست برای پیوندهای شیمیایی درمولکول ها دلیل قانع  کننده ای ارائه کند. درسال 1923 میلادی لوئی دوبروی پیشنهادکردکه ممکن است حرکت الکترون ها دارای جنبه ی موجی باشد؛ یعنی به یک الکترون با جرم m  وسرعت  υ یک طول موج وابسته است که ازرابطه ی  زیر به دست می آید :
                                          λ = h / mυ = h / p                                                  
که p اندازه حرکت خطی است. دوبروی بامقایسه ی الکترون بافوتون به معادله ی فوق رسید. این واقعیت که الکترون ها و ذرات میکروسکوپی دیگر علاوه بررفتارذره مانند رفتار موج مانندازخود نشان می دهند ، مؤید آن است که الکترون ها ازمکانیـک کلاسیک پیروی نمی کنند. مکانیکی که سیستم های میکروسکوپی ازآن پیروی می کنند، مکانیک کوانتومی نامیده می شود ، زیرا یکی ازجنبه های شاخص این مکانیک ، کوانتش انرژی است. قوانین مکانیک کوانتومی توسط هایزنبرگ ، بورن و جوردن  درسال1925 میلادی وتوسط شرودینگر درسال 1926 میلادی کشف شد. ازنظر تاریخی چند ماه قبل ازفرمول بندی شرودینگر با استفاده از معادله دیفرانسیل ، مکانیک کوانتومی ابتدا در 1925 میلادی توسط هایزنبرگ ، بورن و جوردن با استفاده از ماتریس های  فرمول بندی شده بود. شرودینگر ثابت کرد که فرمول بندی هایزنبرگ (که مکانیک ماتریسی نامیده می شود) بافرمول بندی شرودینگر (که مکانیک موجی نامیده می شود) یکی است.      
درسال 1926 میلادی ، دیراک  و جوردن که به طور مستقل کارمی کردند مکانیک کوانتومی را دریک نسخه انتزاعی فرمول بندی کردند که نظریه ی تبدیل نامیده شد. نظریه ی تبدیل تعمیمی ازمکانیک ماتریسی و مکانیک موجی است و نهایتاً درسال 1948 میلادی ، فاینمن فرمول بندی انتگرال مسیر مکانیک کوانتومی را ارائه کرد. شیمی کوانتومی ، مکانیک کوانتومی را درمسائل مربوط به شیمی به کار می برد. تأثیر شیمی کوانتومی درتمام شاخه های شیمی مشهود است. امروزه شرکت های متعددی نرم افزارهایی برای انجام محاسبات شیمی کوانتومی مولکولی به فروش می رسانند. این برنامه ها طوری طراحی شده اند که علاوه بر شیمی دانان کوانتومی مورد استفاده سایر شیمی دانان نیز قرار گیرد.