《人类科学技术史-369》物理学革命对现代化学的影响|价键|原子|量子化学|量子网络

物理学革命对现代化学的影响

19世纪末至20世纪初的物理学革命，特别是量子物理领域的革命对化学的发展产生了深刻的影响。而现代化学中具有重大意义的新突破，则是量子化学的建立。它给20世纪的化学带来了巨大的变革。

1913年，丹麦物理学家玻尔深入细致地研究了大量精确的光谱数据和描述谱线规律的经验公式，在卢瑟福原子模型的基础上引入普朗克的量子概念，将量子概念用于电子轨道和角动量，并结合了当时物理学前沿的一些最新研究成果，提出了原子结构的量子化轨道理论。1916年，德国化学家考塞尔(1888-1956)和美国化学家路易斯(1875-1946)将玻尔的这种新理论用于研究离子键和共价键的形成。路易斯提出两个原子可以共有一对或多对电子，而共用电子对的结合方式称为共价键。考塞尔认为，金属元素的外层电子一般比4个少，容易失去电子成为带正电的阳离子；非金属元素的外层电子一般比4个多，容易获得电子成为带负电的阴电子，失去或得到的电子数，是元素的正原子价数或负原子价数。他们的工作奠定了量子化学的基础。

1926年1月至6月，薛定谔以《作为本征值问题的量子化》为总标题，连续发表了四篇论文，完成了波动力学的创立工作。而波动力学和海森堡的矩阵力学统称量子力学。1927年，德国人海特勒(1904-)和美籍德国人伦敦(1900-1954）首先采用薛定谔的波动力学方程来研究氢分子，阐述了共价键的形成和作用，取得了量子化学的第一批成果。他们的价键理论认为，分子中电子的运动是集中在两个原子核之间的，只要它们自旋反平行，就可以两两偶合成类似电子桥似的化学键。这种新概念解释了化学领域中许多过去未能解释的现象，并能较好地与实验结构相符合，初步实现对化学键形成过程的定量研究。但这种价键理论还有一些不能解释的化学现象。

1931年，美国人鲍林(1901-)等从电子具有波的性质，而波可以迭加的观点出发，提出杂化轨道理论，认为碳原子和周围电子成键时，所用的不是原来的纯粹轨道，而是经过迭加混杂而得到的"杂化轨道"，圆满地解释了碳四面体结构的价键状态。

30年代，还提出另一种新的化学键理论——分子轨道理论，认为原子形成分子后，个性消失，因而应着重研究分子中某个电子运动的规律，用电子波函数来描述化学键的本质。分子轨道理论和海特勒等的价键理论相比可以解释更多的化学现象。

50年代，一种新的价键理论即配位场理论，发展了起来，在解释络合物的性能方面，取得极大成功。量子化学逐渐地形成为完善的学科。

与量子化学同时发展起来的还有结构化学。1912年，劳厄(1879-1960）通过实验证明了X射线是一种波长很短的电磁波，同时证明晶体的原子点阵结构，并提出以晶体作为光栅，进行X射线的衍射实验。1913年，英国的亨利.布拉格(1862-1942)和劳伦斯.布拉格(1890-1971)父子通过对X射线谱的研究，提出晶体的衍射理论，建立了布拉格公式，奠定了晶体X　射线结构分析的基础，并发明X射线摄谱仪。这些成果导致X射线结晶学和X射线光谱学的诞生。化学中晶体结构的测定获得了重要的理论和实验依据。