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价键理论的建立和发展
作者沈逸然黄禾琳彭晨张鸿
单位北京大学化学与分子工程学院
内容提要
价键理论是二十世纪化学科学所取得的最重要的成果之一,它第一次向世人揭示
了物质结构的微观本质,把化学领向了一个更为壮观的全新领域。而它的主要缔
造者Pauling更是化学史以及科学史上闻名遐迩的一代宗师。本文简明扼要地
追述了价键理论的建立与发展,带领读者感受这一段波澜壮阔的历史,领略物质
世界的奇妙无穷。当然,限于篇幅,本文一定还有很多细节难以满足您求知的欲
望,在此致以诚挚的歉意。
关键词
量子价键杂化
人物
HeitlerLondonPaulingSidgwick
第一幕量子化学的暴风骤雨
在波动力学没有被发现之前,化学键是化学家和物理学家的一个
大问题。大概的说,原子、分子间的吸引,有三种形式的化学力:离
子键,共价键,范德华力。关于两异性电荷的离子会吸引,是当然的。
范德华力与化学键相比,通常是非常弱的。问题的困难在于,基于古
典物理学我们不能了解何以两个中性原子,如两个氢原子,会形成分
子。况且共价键有个显著特点,那就是会饱和:一个氢原子可与另外
一个氢原子结合,但不能和两个或三个氢原子结合;一个碳原子可与
1
四个氢原子结合,但不能与四个以上结合。即使在古典物理学中已知
道中性粒子间有很强的引力,亦不可能说明为什么第三个原子不能够
被已结合的二原子所吸引。饱和的特性对古典物理学家来说是不可理
解的。在1927年,Heitler和London用波动力学解决了此问题,波动
力学不仅能解释中性原子间的吸引,亦可使我们对饱和性质有完全的
了解。
我们先来回顾一下量子化学建立的过程。
1924年,法国物理学家deBroglie针对Bohr原子结构理论所面
临的困难,提出了电子等粒子的运动具有波粒二象性的假说,同时提
出了物质波的概念和联系波动性和粒子性的deBroglie关系式。
Heisenberg在研究Bohr假设之后于1925年提出关于原子的理
论:矩阵力学。后来德国物理学家Born和Heisenberg等共同完成这
个理论,Born称其为量子力学。
1926年,奥地利物理学家Schrodinger建立了类似于波动方程的
关于物质波的偏微分方程——即Schrodinger方程,创立了波动力学。
他认为波动力学和矩阵力学在数学上是等价的,deBroglie关系式也
可以划入这个理论。于是量子力学这个关于微观世界客观运动的最基
本的理论诞生了。
量子力学一经问世便引起了化学家的注意,他们很快就将量子力
学运用到化学键领域的研究上。
1927年,德国物理学家Heitler和London合作用量子力学的
Schrodinger方程来研究最简单的氢分子取得量子化学的最初成绩。他
2
们对两个氢原子之间的化学键作了近似的过程,发现当两个原子足够
近的情况下,如果两个电子的自旋方向相反,就会形成两个原子共有
的电子云,而且这一体系的能量小于两个氢原子的能量和,那么两个
氢原子就一定可以形成一个氢分子。
electroniccloud
对于两个氢原子而言,我们不考虑其两个核的动能,用a,b表示两
个原子核,1、2分别表示两个核附近的电子,用r、r、r、r分
a1b1a2b2
别表示原子核a、b与其电子1、2之间的距离,R表示两个原子核之
间的距离。则Hamilton算符为
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