现代化学前沿问题

讲座

二十世纪八十年代以来，先进的分析仪器的应用、量子化学计算方法的进展和计算机技术的飞速发展，对化学科学的发展产生了冲击性的影响。其研究内容、方法、乃至学科的结构和性质都在发生深刻的变化。

长期以来，化学一直被科学界公认为一门纯实验科学。其理由要追溯到人类认识自然的两种科学方法。

⑴归纳法 ( F. Bacon, 1561-1626 )

⑵演绎法 ( R. Decartes, 1596-1650 )

设计实验

实验数据

唯象理论

“预测”

数据拟合

公理假设

形式理论

二次形式化、

近似、计算

和模拟

预 测

模 型

实验

检验

迄80年代，归纳法是多数化学家采用的唯一科学方法；演绎法在化学界从未得到普遍承认

原因：①对象复杂；②习惯观念

归纳法(Reduction)与演绎法(Deduction)的比较

运用数学的多少是一门科学成熟程度的标志。

马克思

数学的应用：在刚体力学中是绝对的，在气体力学中是近似的，在液体力学中就已经比较困难了；在物理学中是试验性的和相对的；在化学中是最简单的一次方程式；在生物学中等于零。

恩格斯

恩格斯的论断反映了19世纪中叶自然科学各学科的“成熟程度”。表明各学科研究对象? 物质运动形式与规律? 其复杂程度的差异

然而，百年来科技的发展使各学科的“成熟程度”发生了巨大变化

冶金、建材工业推动了无机

药物、染料、酿酒工业推动了有机

? 经典价键理论、苯结构奠定有机化学基础

? 元素周期表奠定无机化学基础

无机、有机化学在19世纪率先建立

物理化学在20世纪初形成。旨在揭示化学反应的普遍规律 — 反应进行的方向、程度和速度…

Gibbs ?

化学热力学

Arrhenius ?

化学动力学

物理化学的建立使化学科学开始拥有了理论。高等数学首次派上了用场 — 虽然仅是一阶的常、偏微分方程而已(以后在经典统计热力学中用到了概率论)

经典物理化学的理论是唯象的，是有限的地球空间内宏观化学反应规律的经验总结

30年代量子化学和量子统计力学分支的形成使化学科学开始与演绎法“沾上了边”。但在80年代前进展十分缓慢

⑴Einstein广义和狭义相对论(1905)

⑵量子力学的创建(1925~1926)

上世纪初理论物理两项重大突破

对廿世纪人类科技和物质文明进步产生巨大影响。其中，量子力学的影响更为直接和广泛。

Heisenberg、Schr?dinger、Dirac、Born等于1925~1926创建

30年代初由von Neumann完成形式理论体系

量子力学是演绎法最成功的实例

量子力学的建立未依据任何实验事实或经验规律。它用少数几条基本假定作为公理，由此出发，通过严格的逻辑演绎，迅速地建成一个自洽、完备、严密的理论体系

微观粒子或体系的性质由状态波函数? 唯一确定， ? 服从Schr?dinger方程

基本运动方程 — Schr?dinger方程

Schr?dinger方程：

Hamilton算符：

在?10-13 m的微观层次，方程放之四海而皆准

方程建立容易，困难在于求解

历70余年，量子力学经受物质世界不同领域 (原子、分子、各种凝聚态、基本粒子、宇宙物质等) 实验事实的检验，其正确性无一例外。任何唯象理论无法与之同日而语。

用完备的形式理论体系—统一理论—解释和预测不同科学领域的实验结果。量子力学的“第一原理” (First Principle) 计算(从头算)只采用5 个基本物理常数：?0、e、h、c、k 而不依赖任何经验参数即可正确预测微观体系的状态和性质

20世纪人类光彩夺目的科技成就大都与量子力学有关。量子理论不仅有力地促进了社会的物质文明改观，且改变了人类的思维方式

量子力学的辉煌使理论物理学家18次共25人荣获诺贝尔物理奖

1919Planck

1921Einstein

1922Bohr

1929de Broglie

1932Heisenberg

1933Schr?dinger

Dirac

1938Fermi

1945Pauli

1949Yukawa

1954Born

Bothe

1957T.D. Lee

C.N. Yang

近20年理论物理领域未见再获奖。表明物理学科的高度成熟

1962Landau

1963Wigner

1965Tomonaga

Schwinger

Feyman

1967Bethe

1969Gell-Mann

1972Cooper

1979Weinberg

Salam

Glashow

量子力学的建立和发展促进了：

? 现代化学键理论奠基(1930)

Pauling是杰出代表

Slater、Mulliken、Hund、Heitler-London分别作出贡献