4.5. Квантавая фізіка і рэвалюцыя ў сучаснай хіміі

Вышэй (2.1) ужо закраналася пытанне пра магчымасць радыкальных пераўтварэнняў у адной галіне навуковых ведаў пад уплывам другой (навуковая рэвалюцыя праз парадыгматычную “прышчэпку”). У якасці найяскравейшага прыкладу падобнага разгортвання падзей можа фігураваць рэвалюцыя ў хіміі, здзейсненая на аснове квантава-механічных уяўленняў. Той момант, што квантавая механіка мае для хімічных даследаванняў грунтоўнае значэнне, выразна выявіўся ўжо ў працэсе яе распрацоўкі. Так, тэорыя Бора-Зомерфельда, увядзенне паняцця спіну, а таксама сфармуляваны В.Паўлі (1900-1958) прынцып выключэння дазволілі растлумачыць перыядычны закон і перыядычную сістэму хімічных элементаў [9, с.314-317].

Спін – гэта квантава-механічны аналаг вярчальнага імпульсу класічнай механікі. Яны адрозніваюцца, аднак, тым, што вярчальны імпульс у класічнай механіцы выклікаецца вярчальным рухам масы. Спін належыць да грунтоўных характарыстык элементарных часціц. Згодна з прынцыпам выключэння ў атаме не можа быць двух і болей электронаў, рух якіх характарызуецца аднолькавымі значэннямі ўсіх квантавых лікаў. Увогуле, квантавыя лікі фіксуюць пэўныя з магчымых значэнняў дадзенай фізічнай велічыні. Каб апісаць іерархічную структурную арганізацыю атама патрэбныя чатыры такія лікі. Яны характарызуюць прасторавае становішча і энергетычны стан той абалонкі, на якой знаходзіцца электрон (больш блізкія да ядра характарызуюцца меншымі значэннямі энергіі, больш аддаленыя – большымі), яе форму, прасторавую арыентацыю і велічыню яго спіна.

У адпаведнасці з прынцыпам выключэння на кожнай абалонцы не можа быць больш, чым 2n² электронаў (дзе n – яе парадкавы нумар у плане аддаленасці ад ядра). Хімічныя ўласцівасці атама істотным чынам звязаныя з колькасцю электронаў на знешняй абалонцы: ступенню яе (не)запоўненасці вызначаецца яго хімічная актыўнасць. У сувязі з гэтым была растлумачаная такая характарыстыка хімічных элементаў, як іх валентнасць, якая дагэтуль не магла атрымаць слушную тэарэтычную інтэрпрэтацыю. Знайшло сваё тлумачэнне і перыядычнае паўтарэнне іх уласцівасцяў у слупках перыядычнай табліцы: яно грунтуецца на тым, што знешнія абалонкі размешчаных у іх элементаў змяшчаюць аднолькавую колькасць электронаў. Дзякуючы выяўленню ўнутранай структуры атама высветлілася таксама, што месца хімічнага элемента ў перыядычнай табліцы (г. зн. сукупнасць яго характарыстык) залежыць ад зараду ядра атама (колькасці пратонаў у ім) ці сукупнага адмоўнага зараду (г. зн. колькасці наяўных у адпаведным атаме электронаў).

Уяўленне пра іерархічную структуру атама дазволіла таксама самым істотным чынам паглыбіць разуменне сутнасці хімічных рэакцый. У хімічных рэакцыях удзельнічаюць электроны, што належаць да знешніх абалонак. Менавіта на высвятленне іх паводзінаў пры ўтварэнні хімічных злучэнняў была скіраваная ўвага хімікаў. Дзякуючы таму інструментарыю, што дала ім квантавая фізіка (найперш хвалевая механіка Э.Шродзінгера), яны былі ў стане зрабіць першыя крокі да тлумачэння характару хімічных сувязяў пры ўтварэнні малекул. Аналагічную выснову можна зрабіць і адносна вывучэння электрахімічных феноменаў: яснае ўяўленне пра структуру атама і тэорыя іанізацыі мелі ў гэтым плане найгрунтоўнейшае значэнне. Галоўным вынікам квантавай рэвалюцыі ў хіміі, аднак, было ўсталяванне ў ёй квантавага мыслення, магутны крок наперад у яе матэматызацыі, так што ў пэўных выпадках квантава-фізічныя разлікі могуць нават зрабіць залішнімі хімічныя эксперыменты.

Такім чынам, ужо ў працэсе распрацоўкі квантавай механікі выявілася яе істотнае значэнне для хімічнай навукі. На аснове тэорыі Бора-Розенфельда, прынцыпу выключэння В.Паўлі і ўяўлення пра спін электрона была растлумачана перыядычная табліца хімічных элементаў. Уяўленне пра іерархічную структуру атама дазволіла паглыбіць разуменне сутнасці хімічных рэакцый, наблізіцца да тлумачэння характару хімічных сувязяў пры ўтварэнні малекул. Аднак галоўным вынікам квантавай рэвалюцыі ў хіміі было ўсталяванне ў ёй квантавага мыслення. На гэтай аснове быў зроблены магутны крок наперад у яе матэматызацыі, так што ў пэўных выпадках квантава-фізічныя разлікі могуць замяніць хімічныя эксперыменты.

ПЫТАННІ І ЗАДАННІ

1. Узаемадзеянне фізікі і хіміі мае сваю гісторыю, свае традыцыі. Што могуць даць нам для разумення згаданага ўзаемадзеяння падзеі, што разгарнуліся ў яго рамках у 20-х – 30-х гг. ХХ ст.? Паспрабуйце выявіць асаблівасці гэтых падзей у згаданым кантэксце.

2. Грунтоўны ўплыў квантавай фізікі на хімію падаецца відавочным і бясспрэчным. Ці нельга сцвярджаць, што і фізіка атрымала пры гэтым важкія набыткі? (У папярэднім пытанні даводзіцца ўсё-такі пра ўзаемадзеянне гэтых дзвюх навуковых дысцыплін.) Калі так, дык у чым яны?

3. Прааналізуйце феномен квантавай рэвалюцыі ў хіміі ў кантэксце дыскусій пра яе самастойнасць.

4. Сучасны французскі навуковец Ж.-П.Мальрыё піша, што квантавая хімія з’яўляецца хутчэй матэматычна-вылічальнай дысцыплінай, чым тэарэтычнай [77, c.849]. Як можна растлумачыць, на Вашу думку, такі стан рэчаў?

5. У тэксце параграфа гаворка ішла пра значэнне квантавай фізікі для сучаснай хіміі. Ці не магла даць пэўныя імпульсы для разгортвання хімічных даследаванняў у ХХ ст. і рэлятывісцкая фізіка? Дзякуючы чаму рэлятывісцкая фізіка магла паўплываць на развіццё сучаснай хіміі?