Bài giảng Hóa lượng tử

Sự xuất hiện của lý thuyết lượng
tử . Hoá học, đúng như tên của nó chỉ ra, là khoa
học về sự chuyển hóa và biến đổi của các chất.
Nhưng hoá học ngày nay không chỉ dừng lại ở việc
mô tả, giải thích và tìm quy luật cho các hiện tượng
quan sát được mà đi sâu vào nghiên cứu bản chất của
các tương tác hoá học . Các tương tác này do cấu tạo
nguyên tử , phân tử quyết định. Có thể nói, lý thuyết
về cấu tạo chất, mà cơ sở của nó là hoá học lượng tử
là một trong những nền tảng quan trọng nhất của hoá
học hiện đại.


Sau những phát minh quan trọng của vật lý ở cuối thế kỉ
19 và đầu thế kỉ 20 như hiện tượng phóng xạ, các hiệu
ứng quang điện, hiệu ứng Compton, các hạt cơ bản
v.v...thì các mẫu nguyên tử lần lượt ra đời. Nhưng
những mô hình đó không đưa lại bức tranh toàn cảnh
phản ảnh đúng bản chất của cấu tạo nguyên tử và lẽ đư
ơng nhiên người ta phải tìm một giải pháp hữu hiệu
hơn.

Người ta có thể nhận thấy là hệ vi mô có những tính
chất khác biệt, tuân theo những quy luật riêng , khác
hẳn với các hệ vĩ mô vốn là đối tượng của vật lý cổ
điển. Việc mô tả và nghiên cứu chúng , do đó đòi hỏi
phải có một ngành khoa học riêng và hoàn chỉnh hơn.
Đó là cơ học lượng tử.

Vào năm 1926, E. Schroedinger- một nhà vật lý người

áo là người đầu tiên đề xuất ý kiến xây dựng cơ học lư
ợng tử, .

Theo ông, ngành cơ học mới này phải được trang bị
những công cụ toán học mới và phải có liên hệ tương
thích với các phân ngành khác nhau của vật lý cổ điển
như quang hình, quang lý và cơ học cổ điển . Bản thân
ông, bằng cách sử dụng hệ thức de Broglie về sóng vật
chất , đã tìm ra và đưa vào cơ học lượng tử như một
tiên đề phương trình chính tắc mang tên ông. Những
công trình của Heisenberg, Born, Dirac... sau đó đã
góp phần biến cơ học lượng tử thành ngành khoa học
tổng quát, hoàn chỉnh, có cơ sở lý thuyết hệ thống và
nhất quán với giới hạn ứng dụng vượt ra ngoài thế giới
vi mô ban đầu.
Vậy hệ cơ sở lý thuyết cơ bản ấy như thế nào?
Trước tiên ta xét các thuộc tính quan trọng của hệ vi
mô.

1.1. Sóng vật chất de Broglie.
Dựa trên các dữ kiện thực nghiệm, năm 1924, nhà bác học
người Pháp Louis-de Broglie đã đưa ra một giả thiết quan
trọng cho rằng: Mọi dạng vật chất chuyển động đều liên
kết (tương ứng) với một sóng, gọi là sóng vật chất de
Broglie.
Như vậy, mọi dạng vật chất đều có bản chất sóng hạt.
Bước sóng (tính chất sóng) và khối lượng m (tính chất
hạt) của các hạt vật chất chuyển động có hệ thức liên hệ
(*):
trong đó: h - hằng số Planck; h = 6,6256.1034 J.s

1.2. Nguyên lí bất định Heisenberg.

Trong cơ học cổ điển, khi khảo sát sự chuyển
động của hạt người ta nghĩ đến quĩ đạo, nghĩa là
thừa nhận rằng tại một thời điểm xác định hạt có
một toạ độ xác định. Tuy nhiên, khi nói đến tính
chất sóng của hạt, thì khái niệm quĩ đạo không còn
ý nghĩa nữa.

Điều đó có nghĩa là khi đã thừa nhận tính chất
sóng của các hạt vật chất chuyển động thì: Toạ độ
và động lượng của các hạt (vi mô) không thể đồng
thời có giá trị xác định.

Kết luận trên được diễn tả qua một hệ thức bất
định Heisenberg (1927):

q . p