Фізика молекул та атомів

🔬 Електронна структура молекул

Теорія молекулярних орбіталей (MO Theory)

MO = лінійна комбінація атомних орбіталей (ЛКАО). Зв’язуючі (lower energy), антизв’язуючі (higher energy) орбіталі. σ, π, δ зв’язки. Порядок зв’язку визначає стабільність.

Гібридизація

sp (linear, C₂H₂), sp² (trigonal planar, C₂H₄), sp³ (tetrahedral, CH₄), dsp³ (trigonal bipyramidal), d²sp³ (octahedral). Перерівнення енергій орбіталей.

Аромотичність

Правило Хюкеля (4n+2 π електронів), циклічні π зв’язки, делокалізація. Бензол, нафталін, порфірини. Підвищена стабільність, рівні відстані зв’язків.

Електрон-електрон взаємодія

Кулонівська та обмінна енергії, кореляція електронів. DFT (Density Functional Theory), Hartree-Fock, MP2, CCSD. Точність для великих молекул.

⚡ Молекулярна спектроскопія

Обертальна спектроскопія

Мікрохвильова спектроскопія, жорсткий ротор (E = B·J(J+1), B = h²/(8π²I)). Правила відбору: ΔJ = ±1. Інерційні моменти, ділянковий радіус. Двоатомні молекули.

Коливальна спектроскопія

Інфрачервона (IR), Raman спектроскопія. Гармонійний осцилятор (E = (v+½)ℏω, v = 0,1,2,…). Ангармонічність, overtones, комбінаційні тони. Коливальні нормальні моди.

Електронна спектроскопія

UV-VIS спектроскопія. Переходи між електронними станами. Франк-Кондон фактор, вібраційна релаксація. Збуджені стани, фотостійкість.

Правила відбору

Обертальна: ΔJ = ±1, ΔM_J = 0, ±1. Коливальна: зміна дипольного моменту, симетрія. Електронна: спін, орбітальна симетрія. Інтенсивність за правилами отбора.

🌊 Квантова динаміка молекул

Потенційні енергетичні поверхні (PES)

Енергія як функція координат. Мінімуми (зв’язані стани), перехідні стани (saddle points), бар’єри реакції. Adiabatic vs diabatic стани.

Перехідні стани

Saddle points на PES, коливальні коефіцієнти, енергія активації. Теорія переходних станів (TST) для швидкості реакції. Частота Ейрінг (Eyring frequency).

Conical Intersections

Точки, де перетинаються електронні стани, ключові для фотохімії. Новильна координата для перекриття станів. Неадиабатичні переходи, декогеренція.

Класична vs квантова динаміка

Молекулярна динаміка (MD): класичні траєкторії, температурний контроль. Квантова динаміка: хвильові пакети, туннелювання, кохерентність. Застосування до реакцій.

🔬 Молекулярні колізії та реакції

Енергетика колізій

Кінетична енергія колізій, розподіл Больцмана. Поріг реакції, перекриття орбіталей. Стереохімія колізій.

Механізми реакцій

Радикальні реакції, нуклеофільні/електрофільні підстави, елімінації, π-π стереохімічні реакції. Проміжні стани, каталізатори.

Стереохімія

Збереження чи зміна стереохімії в реакціях. Стірична геометрія, діастереомерне та енантіомерне розщеплення.

Каталіз

Ферментативний, гетерогенний, гомогенний каталіз. Зниження енергії активації, швидкість реакції. Активні сайти.

⚛️ Молекулярні кластери

Van der Waals кластери

Слабкі взаємодії, снігоподібні кластери (H₂O)ₙ, магічні числа (n = 4, 8, 20, 40, …). Енергія зв’язування ~0.1 eV/молекулу.

Рідкі кластери

Металічні кластери (Auₙ, Agₙ, Ptₙ). Квантування електронних орбіталей, plasmon resonance. Перехід до bulk матеріалу (n → ∞).

Фазові переходи

Капілярна конденсація в кластерах, зниження температури фазових переходів. Фазова діаграма, критичні розміри.

Метали кластерів

Металічні кластери: залежність енергії іонізації від розміру. Метало-метал зв’язок, суперпарамагнетизм. Застосування: каталіз, сенсори.

🔬 Методи дослідження

Квантово-хімічні обчислення

Hartree-Fock, MP2, CCSD, DFT. Базова множина (B3LYP, M06, PBE), post-HF корекції. Точність для великих молекул.

Спектроскопічні методи

IR, Raman, UV-VIS, флуоресценція, NMR. Визначення структури, динаміки. In situ методи.

Молекулярна динаміка

Класична MD: траєкторії, температурний контроль. Квантова MD: хвильові пакети, туннелювання. Застосування до реакцій, дифузії.

Кластерна спектроскопія

Масовий спектрометрія (MS), іонізація кластерів. Отримання розмірового розподілу, енергії зв’язування. IR, электронна спектроскопія кластерів.

🏭 Застосування

Молекулярна біологія

Структура білків, ДНК, ДНК-білок взаємодії. Квантово-хімічні обчислення для біологічних макромолекул. Фармацевтичний дизайн.

Матеріалознавство

Квантові точки, молекулярні проводники, органічна електроніка. Молекулярні пристрої, одно молекульні транзистори.

Атмосферна фізика

Утворення кластерів в атмосфері, нуклеація, утворення хмар. Реакції в стратосфері, озонова діра. Кліматичні моделі.

Каталіз

Металеві кластери як каталізатори, селективність. Квантово-хімічний дизайн каталізаторів. Молекулярні каталізатори.

📊 Графіки та діаграми

Потенційна енергетична діаграма

Енергія як функція міжядерної відстані для двоатомної молекули:

Для відстаней R < R_e: відштовхування. Для R > R_e: притягання, зв’язок. Мінімум на R_e. Ангармонічність.

Молекулярно-орбітальна діаграма

Енергетичний спектр орбіталей:

Зв’язуючі орбіталі з меншою енергією. Антизв’язуючі — з більшою. BO = 1 для одинарного зв’язку, 2 для подвійного, 3 для потрійного.

E(R) = D_e · [1 - exp(-a(R-R_e))]² Де D_e = енергія дисоціації R_e = рівноважна міжядерна відстань a = параметр Морзе

🧪 Практичні приклади

Приклад 1: Водень H₂

Одна σ зв’язок (1s + 1s), BO = 1, R_e = 74 pm, D_e = 458 кДж/моль. Стабільна молекула. Туннелювання протона: H₂ → H + H (дисоціація). Обертальна спектроскопія: B ≈ 60.8 cm⁻¹.

Приклад 2: Етилен C₂H₄

sp² гібридизація, σ зв’язок між C, одна π зв’язок. BO = 2, подвійний зв’язок. π → π* перехід при λ ≈ 165 нм. Використання в поліетилені, пластику.

Приклад 3: Фотоізомеризація родопсину

11-cis-retinal → all-trans-retinal під дією світла (λ ≈ 500 нм). Conical intersection для швидкого non-radiative переходу. Механізм зору.

Приклад 4: Кластер натрію Naₙ

Магічні числа: n = 2, 8, 20, 40, 58, 92, …. Квантування кластерних орбіталей. Перехід до металічної поведінки (n > 100). Plasmon resonance змінюється з розміром.

© 2025 Науковий Симулятор. Всі права захищені.

Фізика молекул: квантова динаміка на молекулярному рівні

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте SPH Fluid і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.