مفهوم كيمياء الكم
كيمياء الكم هي عبارة عن فرع من فروع الكيمياء التي تركّز على تطبيق ميكانيكا الكم في العلوم الكيميائيّة لدراسة المادة على مستواها الأساسيّ، كما تُبنى بناءً على الأساليب النظريّة والتجريبيّة، ويُمكن من خلالها الحصول على المعلومات المتعلقة بتكميم الطاقة على نطاق جزيئيّ.
كان العلماء يعتقدون أنّ الذرة هي أبسط شكل من أشكال المادة، لكن تبين لاحقاً وجود جسيمات صغيرة مكوّنة للذرات وتسمى الجسيمات دون الذرية، وبعد هذا الاكتشاف ظهر مجال كيمياء الكم لدراسة هذه الجسيمات.
وضّحت نظرية كيمياء الكم أنّ الجسيمات هي البروتونات التي تحمل شحنة موجبة والنيوترونات متعادلة الشحنة والإلكترونات سالبة الشحنة، وأنّ الذرات والجسيمات دون الذرية تتصرف بشكل مختلف تماماً عن الطريقة التي تتصرف بها بشكل طبيعيّ، وتقدّم كيمياء الكم معرفة كاملة بالخصائص الكيميائيّة للنظام، كما أنّها تُساعد على حساب دالة الموجة التي تصف التركيب الإلكترونيّ للذرات والجزيئات، كما تسعى إلى تفسير السلوك الغريب وغير العادي للإلكترونات عندما تتفاعل مع بعضها وتكوّن الروابط الكيميائيّة.
كيمياء الكم التجريبية والنظرية
تعتمد كيمياء الكم التجريبيّة على التحليل الطيفيّ باستخدام الأشعة تحت الحمراء والرنين المغناطيسيّ للحصول على معلومات حول تكميم الطاقة على المستوى الجزيئيّ، وذلك عن طريق الدمج ما بين التجارب العمليّة والحسابات النظريّة.
تهدف كيمياء الكم النظريّة إلى حساب تنبؤات نظرية الكم، وذلك لأنّ الذرات والجزيئات يمكن أن يكون لها طاقات منفصلة، إذ يستخدم العلماء معادلة شرودنجر لتحديد مستويات الطاقة للذرات المسموح بها لأنظمة ميكانيكا الكم.
كيمياء الكم ودورها في معادلة شرودنجر
معادلة شرودنجر هي عبارة عن معادلة تفاضليّة جزئيّة من اكتشاف العالِم إروين شرودنجر ، والتي تستخدم مفهوم الحفاظ على الطاقة للحصول على معلومات حول سلوك الإلكترون المرتبط بنواة الذرة عن طريق حساب دالة الموجة الخاصة بالإلكترون.
يُوجد طريقتان شائعتا الاستخدام لحل معادلة شرودنجر باستخدام كيمياء الكم، وهما:
- طريقة أ ب: تقدّم هذه الطريقة حلًا للمعادلة من المبادئ الأولى لكيمياء الكم باستخدام تقريب للمعادلات الرياضيّة وبدون استخدام الطرق التجريبيّة، وهذا باستخدام دالة الموجة والكثافة الوظيفيّة التي تتضمن دراسة خصائص النظام من خلال كثافته الإلكترونيّة.
- الطريقة شبه التجريبية: تُعتبر الطريقة شبه التجريبيّة أقلّ دقة، حيثُ تستخدم النتائج التجريبيّة لتجنب حل بعض المعادلات التي تظهر في الطريقة الأولى.
