Die Veröffentlichung des Films „Oppenheimer,“ im Juli 2023, hat das Interesse am Leben des rätselhaften Wissenschaftlers J. Robert Oppenheimer erneut geweckt. Während Oppenheimer immer als der anerkannt sein wird Vater der Atombombeseine frühen Beiträge zu Quantenmechanik bilden das Fundament der Moderne Quantenchemie. Seine Arbeit prägt auch heute noch die Art und Weise, wie Wissenschaftler über die Struktur von Molekülen denken.
Zu Beginn des Films werden herausragende wissenschaftliche Persönlichkeiten der Zeit, darunter Nobelpreisträger, vorgestellt Werner Heisenberg Und Ernst Lawrence, loben Sie den jungen Oppenheimer für seine bahnbrechende Arbeit über Moleküle. Als ein physikalischer ChemikerOppenheimers Arbeiten zur molekularen Quantenmechanik spielen sowohl in meiner Lehre als auch in meiner Forschung eine große Rolle.
Die Born-Oppenheimer-Näherung
Im Jahr 1927 veröffentlichte Oppenheimer einen Artikel mit dem Titel „Zur Quantentheorie der Moleküle“ mit seinem Forschungsberater Max Born. In diesem Artikel wurde die sogenannte Born-Oppenheimer-Näherung beschrieben. Während der Name sowohl auf Oppenheimer als auch auf seinen Berater verweist, erkennen die meisten Historiker an, dass die Theorie größtenteils auf Oppenheimers Werk zurückzuführen ist.
Die Born-Oppenheimer-Näherung bietet eine Möglichkeit, das komplexe Problem der Beschreibung von Molekülen auf atomarer Ebene zu vereinfachen.
Stellen Sie sich vor, Sie möchten die optimale Molekülstruktur, chemische Bindungsmuster und physikalischen Eigenschaften eines Moleküls berechnen Quantenmechanik. Sie würden damit beginnen, die Position und Bewegung aller Atomkerne und Elektronen zu definieren und die wichtigen Ladungsanziehungskräfte und -abstoßungen zu berechnen, die zwischen diesen Teilchen im Raum auftreten Molekül.
Durch die Lösung der Schrödinger-Gleichung können Wissenschaftler die Eigenschaften eines Moleküls berechnen.
Noch komplizierter wird die Berechnung der Eigenschaften von Molekülen auf der Quantenebene, wo Teilchen wellenförmige Eigenschaften haben und Wissenschaftler ihre genaue Position nicht bestimmen können. Stattdessen müssen Teilchen wie Elektronen durch a beschrieben werden Wellenfunktion. Eine Wellenfunktion beschreibt die Wahrscheinlichkeit des Elektrons, sich in einem bestimmten Raumbereich aufzuhalten. Die Bestimmung dieser Wellenfunktion und der entsprechenden Energien des Moleküls nennt man Lösung molekulare Schrödinger-Gleichung.
Leider ist diese Gleichung lässt sich nicht genau lösen für sogar die einfachstes mögliches Molekül, H₂⁺das aus drei Teilchen besteht: zwei Wasserstoffkernen (oder Protonen) und einem Elektron.
Oppenheimers Ansatz bot die Möglichkeit, eine Näherungslösung zu erhalten. Er stellte fest, dass Atomkerne deutlich schwerer sind als Elektronen, wobei ein einzelnes Proton fast 2.000-mal massereicher als ein Elektron ist. Das bedeutet, dass sich Kerne viel langsamer bewegen als Elektronen, sodass Wissenschaftler sie sich als stationäre Objekte vorstellen können, während sie die Schrödinger-Gleichung ausschließlich für die Elektronen lösen.
Diese Methode reduziert die Komplexität der Berechnung und ermöglicht es Wissenschaftlern Bestimmen Sie die Wellenfunktion des Moleküls mit relativer Leichtigkeit.
Diese Näherung mag wie eine geringfügige Anpassung erscheinen, aber die Born-Oppenheimer-Näherung geht weit über die bloße Vereinfachung quantenmechanischer Berechnungen an Molekülen hinaus. Es prägt tatsächlich die Sichtweise der Chemiker auf Moleküle und chemische Reaktionen.
Wenn Wissenschaftler sich Moleküle vorstellen, stellen wir sie uns normalerweise als eine Reihe fester Kerne mit gemeinsamen Elektronen vor, die sich zwischen den Kernen bewegen. Im Chemieunterricht bauen die Schüler normalerweise „Kugel und Stock“ Modelle, die aus starren Kernen (Kugeln) bestehen, die Elektronen über ein Bindungsgerüst (Stäbchen) teilen. Diese Modelle sind eine direkte Folge davon Born-Oppenheimer-Näherung.
Die Born-Oppenheimer-Näherung beeinflusste auch die Art und Weise, wie Wissenschaftler über chemische Reaktionen denken. Während einer chemischen Reaktion sind Atomkerne nicht stationär; sie ordnen sich neu und bewegen sich. Elektronenwechselwirkungen steuern die Bewegungen der Kerne, indem sie eine bilden Energieoberfläche, die die Kerne während der Reaktion weiterbewegen können. Auf diese Weise treiben Elektronen die Fortbewegung des Moleküls durch eine chemische Reaktion voran. Oppenheimer zeigte, dass die Art und Weise, wie sich Elektronen verhalten, die Essenz der Chemie als Wissenschaft ist.
Computergestützte Quantenchemie
In dem Jahrhundert seit der Veröffentlichung der Born-Oppenheimer-Näherung haben Wissenschaftler ihre Fähigkeit zur Berechnung der chemischen Struktur und Reaktivität von Molekülen erheblich verbessert.
Dieses als rechnergestützte Quantenchemie bekannte Gebiet ist mit der weit verbreiteten Verfügbarkeit schnellerer und leistungsfähigerer High-End-Rechenressourcen exponentiell gewachsen. Derzeit nutzen Chemiker die computergestützte Quantenchemie für verschiedene Anwendungen, von der Entdeckung neuartiger Arzneimittel besser zu gestalten Photovoltaik bevor jemals versucht wurde, sie im Labor herzustellen. Im Mittelpunkt eines Großteils dieses Forschungsgebiets steht die Born-Oppenheimer-Näherung.
Trotz ihrer vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten ist die Born-Oppenheimer-Näherung ist nicht perfekt. Beispielsweise bricht die Näherung häufig bei lichtgetriebenen chemischen Reaktionen zusammen, etwa bei der chemischen Reaktion ermöglicht es Tieren, Licht zu sehen. Chemiker sind Untersuchung von Problemumgehungen für diese Fälle. Dennoch wird die durch die Born-Oppenheimer-Näherung ermöglichte Anwendung der Quantenchemie weiter zunehmen und sich verbessern.
In der Zukunft eine neue Ära von Quantencomputer könnte die computergestützte Quantenchemie noch robuster machen, indem schnellere Berechnungen an immer größeren molekularen Systemen durchgeführt werden.
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