化学物理学

2019-11-21 11:59栏目:数理科学
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化学物理学(chemicalphysics)是研究化学领域中物理学问题的科学,是化学和物理学交叉产生的边缘学科。化学物理学是在量子力学问世后不久诞生的。这门学科的创立以1933年美国创刊的《化学物理杂志》为标志。化学物理学诞生之后,发展极为迅速,其中重要的代表作有美国斯莱特于1939)年出版的《化学物理引论》。

分类

化学物理学的主要研究内容包括:

原子和分子波函数理论;

原子和分子光谱学;

化学动力学及碰撞过程;

液体结构的全部领域;

高分子聚合物;

平衡态及输运理论的统计力学;

分子晶体或其他类型晶体的性能;

物质各态的本构热力学性能;

利用激光研究物性;

激光的工作机制等。

诞生

化学物理学是在量子力学问世后不久诞生的,这门交叉学的创立是以1933年在美国创刊的《化学物理杂志》为其重要标志。为此,我们不妨在今天对这个刊物作为历史性调研,以期求得对化学物理学的起源、发展及其研究意义有一个比较正确的认识。

《化学物理杂志》创刊第一期有一段署名为尤里写的编者的话。其大意是:《化学物理杂志》的出版是化学和物理学近期发展的自然结果,这是因为,它们发展至今其界限已经完全被沟通。根据训练及所在的研究单位,必须把他划为物理学家的一些人,他们正在传统的化学问题上作工作;同样,必须把他划为化学家的一些人,他们的工作领域又必须认为是物理。这些人有两门科学的广泛知识,他们的工作在同行里都受到赞赏和尊重。就其研究方法来说,他们大都采用的不是传统的化学研究方法;就其工作范围内说,他们的工作也不是正统物理学家感兴趣的所在……。《化学物理杂志》主是为在这个边缘领域工作的人创办的刊物。

《化学物理杂志》在介绍了创刊的起源之后还追求了与化学物理学发展有关的历史情况:“在19世纪,原子和分子只是化学家的一种特殊工作概念。到了20世纪,化学家和物理学家一样认真地研究原子、分子及组成它们的粒子。但是,对组成宏观物质的这些基本单元的研究方法主要是在物理学的发现中发展起来的。然而,当时这些新方法还未对古老化学及时地显示出其重要性。以后,情况发生了变化,放射性发现对原子结构的认识有很大贡献;数学、物理对许多经典问题(如溶液性质、反应动力学的统计解释等)取得了成功;新实验方法的发现及其进展,使以前难为掌握的知识现在成为可能;特别重要的是,与量子论相联系的实验和理论对化学和物理学的发展都有其深远的影响。近年来化学和物理的发展证明,把数学的严格逻辑方法用到化学问题上,其结果与应用到物理的问题上同样有效。”

过了50年,也就是到1983年,由于编辑部的人事更替,在《化学物理杂志》1983年第1期上刊载了几段编者的话,其中有来自美国物理学会化学物理学部的一段,这正好补充了杂志1933年创刊时期的一些背景情况,其大意是:1933年化学和物理学边缘领域正处在定量描述的革命时期,那时量子力学已经成为分子光谱和分子结构的理论基础;统计力学已经成为复杂系统在微观层次上的处理方法,而量子统计这时开始把原子、分子系统的量子力学描述和宏观系统的热力学描述沟通起来。然而,这个转变并没有得到当时物理化学界科学家们的普遍重视,这样他们中有的人就感到需要办一个比《物理化学杂志》更倾向于物理和数学的杂志,于是,《化学物理杂志》便应用而生了,它的诞生正好把《物理杂志》和《化学杂志》的中间缺口衔接起来。”在这里顺便指出,《物理化学杂志》是在建立了热力学分子论以后,在量子力学开创之前的1896年创刊的。

发展

化学物理学诞生以后,发展极为迅速。到1939年,一部由斯莱特著的《化学物理引论》出版,这本基础教材式的著作在当年就印刷了不下5次。斯莱特在这本书的序言中着重说明化学物理是一门交叉学科,他说:“物理和化学分离开可能是件不幸的事。化学是原子及原子之间结合方式的科学。物理则涉及的是原子间的力和这些力所产生的物质大尺度的性能。过去,因为化学是非数学的经验性科学,而物理学在当时又不能处理原子间小尺度的力,所以才使这两门科学远远分离。随后,由于传统力学和分子论的建立,物理化学进一步的发展,才使这两门科学开始靠拢到在一起。不久,量子论和波动力学诞生了,它们对原子间的相互作用作了成功的解释,这时没有什么方法再使化学和物理继续分离下去。但是,化学和物理这时在实验上、方法上仍有很大差别:化学家习惯在试管中处理反应物(如配溶液、沉淀、过滤、蒸发等);而物理学家测量任何物理量都要用电流计和分光镜。但随着越来越多物理仪器进入化学实验室,它们仅在这方面的区别也即消失了。……两门科学有广阔共同的研究领域。这一点希望大家能认识得越早越好。鉴于物理化学这个名词已先被占用,现在又找不到一个更好的名词,因而才称这个共同的研究领域为《化学物理》。……本书就是对这个领域中的一些内容做一尝试性的介绍。”

斯莱特在其表述了《化学物理引论》要达到预期目的――补充化学和物理之间所出现的缺口之后,还特别强调了交叉学科对培养科学人才的重要性,他说:“化学和物理之所以产生缺口,主是由于传统训练所造成的结果,其结果造成他们几乎不能真正胜任任何一个化学物理分支的工作。如果培养下一代科学人才,首先使他们在经验化学、物理化学、冶金学、晶体结构上得到训练;其次在理论物理,包括力学、电磁理论,特别是在量子论、波动力学、原子和分子结构上受到培养;最后在热力学、统计力学以及我们称之为化学物理学上也得到训练,那他们将比现在只受到化学,或只受到物理训练的人,能成为更好的科学家。”

顺便指出,斯莱特对美国材料科学的理论基础研究和教育,都起到了很好的推动作用。我想,这与他上述的看法不无联系。因为化学物理学与材料科学是有密切关系的。

图片 1研究内容

化学物理的内容一般是由组成它的交叉学科的性质所确定,但其研究范围可能随着学科的具体进展届时还有所变化。

普里高京在为从1958年创刊至今仍在出版的《化学物理进展》的引言(直到第50巻才更换)中写道:由于研究问题的多样性,如化学动力学、分子物理、分子光谱学、输运过程、热力学、物理状态的研究以及实验方法的多样性等问题,促使化学物理取得了巨大的进展。他还说:“尽管由于这种多样性所造成的困难,使其很难严格规定出化学物理的研究界限,但它的一些基本问题大多还是与单个分子和原子有关的,且其行为又与由原子、分子所组成的统计系统的行为联系在一起。本书专门刊载这种具有现代化学物理学标志的一类文章。”

美国科学院1973出版的《物理学透视》一书,把以下问题列为化学物理的研究范围:关于原子、分子波函数的理论;原子和分子的光谱学(从射频到 射线某侧面);化学动力学及碰撞过程(如热原子化学、辐照损伤、量级在103―104电子伏范围内的原子和电子碰撞过程);液体结构的全部领域;高分子聚合物;平衡态及输运理论的统计力学;分子晶体或其他类型晶体中的某些性能;物质各态(超流体、超导体和等离子体可能除外)的本构热力学性能;利用激光研究物质;激光的工作机制(相干光的光学性能除外)。下面列出的研究领域虽然民在化学和物理学的交界面上,但通常它们不属于化学物理。这些领域包括:离子晶体、金属晶体、共价晶体和其他具有周期结构性能的晶体、无定型材料;元素起源、核物理中的核能谱学及核反应;超导体及其微观解释以及具有特殊性能的超导材料的开发。应该说明的是,西欧和日本的划分方法与美国有些不同,上面有些领域它们是列到纯粹物理学领域。当然,这仅仅是美国科学院在70年代初对化学物理学研究内容所做的粗略描述,我们相信,目前它的内容可能又增加了一些。

《化学物理杂志》从一创刊就对其内容采取了灵活适应的编辑方法,以便使刊物能反映出这个学科每年新进展的情况。近年来,这个刊物对化学物理进行了分类安排,1983年分为如下五类:光谱学和光散射;分子相互作用及其反应、散射及光化学;量子化学及分子结构的电子理论;统计力学和热力学;高分子聚合物、物质表面以及一般的化学物理。

研究意义

从以上阐述化学物理诞生及其发展的几段引文中,我们概括出以下两点认识,第一,随着人们对核外现象认识的不断深入及其理论在各个领域的成功应用,化学和物理学进而发展为化学物理学,这是科学发展的一个必然趋势;第二,培养科技人才,特别是在其观点和方法的培养上,把化学和物理学的训练提高到一个新的标准――化学物理的高度,这是一个可行而有其深远意义的方向。我们可以把第二点看作是第一点的推论。下面举两个例子对第一来加以说明。

关于复印机中光复写材料的研制问题,其思想线索是:从化学键量子论的基本概念出发――经过电荷转移复合物的化学想象―――到对光敏材料电导性的认识。这是一个既需要现代物理又需要现代化学的基本知识问题。如果掌握了这两方面的基本知识就会懂得:这种材料要在属于电子受体这类材料中去找。这样,就可以减少探索时间(引自《物理学透视》第二巻)。

关于物质表面的问题,莫里森在他所著的《表面的化学物理学》一书的序言中说:“研究表面的电子及光的物理性能,研究表面的化学活性,从这两方面入手所得到的结果和理论,对建立一个现实的表面模型,是互为补充的。对表面进行跨学科的探讨,能导致对其更好的理解。这一点已为其近来的进展所证实。但这个进展已不能再按表面化学或表面物理分类。具体地说,近来新实验技术和量子力学模型对固体表面电子能级的性质已经提出了更精确的图像,它可以对过去文献中所提出的各种化学模型和物理学模型进行调和,并使其致。”这里所指的化学模型和物理模型就是他在引言中作了详细解释的“表面座位”和“表面能级”。表面座位强调了表面原子和其邻近原子的作用,而忽略了固体能带的结构。表面能级强调了局域电子能级与固体整体能级的不同而忽略了表面原子间及与其底原子间的作用细节。计算机的出现使计算方法发生了革命性的变化,从而促使人们找到了探讨表面途径的更好办法;在不忽略整个固体能带的背景下对表面及其邻近的原子进行分析。

金和伍德拉弗在他们合编的《固体表面的化学物理学和多相催化反应》一书中对表面问题也有其论述,他们在序言中说:“为了制备单晶固体表面和研究其吸附现象,近年来发展了很多复杂技术,这使我们对表面的化学组成、表面局部结构和排列(被吸附物的配准及其有序无序现象)、清洁表面与被吸附层的电子结构能作观察,因而对表面的结合性质和强度以及对吸附、去吸附和表面催化的反应动力学及其机制的认识大有增进。目前,已经出版的很多书籍和总结文集都叙述了这些技术及其进展的情况。但对这些技术的联合应用和由此而提供给表面吸附和反应过程的真正了解则总结得远远不够……不久以前,对于明确规定了的多相催化系的基本研究还很贫乏,吸附基本研究与工业催化问题的联系似为期尚远。但在这套书中我们希望说明,化学家、物理学家和冶金学家最近的工作已经导致了这一学科的良好成长:即化学吸附和多相催化的理论已被建立在坚固的物理基础之上,或者说它们之间的联系已经确立。通过上面的例子我们不仅可以认识化学物理学的意义,也可以体会到化学物理学有强大的生命力。

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