Ettevalmistus Keemiaolümpiaadiks/Kvantkeemia

Kvantkeemia

muuda

Kvantkeemia on keemia haru, milles probleemide lahendamiseks rakendatakse kvantmehaanikat.

Kvantmehaanika sai alguse Max Plancki aastal 1900 tähelepanekust, et musta keha kiirguse spektri seletamiseks peaks valgus tekkima ja neelduma diskreetsete "energiaportsjonitena" – kvantidena, mis erinevad teineteisest Plancki konstandi  ) ja sageduse kordarvu võrra:  , kus   on sagedus. Kvantmehaanikas kohtab teisigi füüsikalisi suurusi, mis võtavad diskreetseid väärtusi. Oluliseks suuruseks on impulsimoment ( ):  , kus   on lainevektor.

Põhimudelid

muuda

Osake 1D karbis mudel

muuda

 

 

 

 

Osake 2D karbis mudel

muuda

 

Osake 3D karbis mudel

muuda

 

Osake ringil mudel

muuda

 

 

 

 

Osake sfääril mudel

muuda

 

Viriaalteoreem

muuda

The vir­ial the­o­rem re­lates the ex­pec­ta­tion ki­netic en­ergy of a quan­tum sys­tem to the poten­tial. Let's con­sider a quan­tum sys­tem in a sta­tion­ary state, which does not have to be the group state. Let's assume that there is a single particle with position   in a potential  . The virial theorem relates the expectation kinetic energy   to the potential   as follows:

 

Harmooniline kvantostsillaator

muuda

For harminic osciallator  , thus  . Then accoding to the virial theorem the expectation kinetic energy and the expectation potential energy are the same. The total energy is then  .

Kineetiline energia avaldub kui  , kus  . Kuna  , siis   ning  .

Potentsiaalne energia avaldub kui  , kus  . Kuna  , siis   ning  .

Väljundame   kui  . Siis  .

Vastavalt Heisenbergi määramatuse printsiibile,  , seega  , ehk  , kus sagedus  .

Harmoonilise kvantostsillaatori nullenergia võrdub  . Kõrgemad energiad on üks teisest suurem   võrra.

 

Vesinikuaatomi Bohri mudel

muuda

Kineetiline energia avaldub kui  , kus  . Kuna Bohri mudelis  , siis  .

Potentsiaalne energia avaldub kui  .

Vesinikuaatomi puhul Coulomb'i potentsiaal on   ning  , ehk  .

Saame avaldada   kui  .

Aatomi koguenergia on  .