.Od experimentov ku kvantovej teórii
Začiatkom 20.storočia sa s ňou pevným objatím zbratala novo sformulovaná kvantová mechanika. Ako ? Schrödingerova vlnová rovnica bola použitá pre jednoelektrónový atóm vodíka a jej platnosť potvrdili namerané spektrá.
Ale neostalo len pri jednoduchých systémoch akým je napríklad vodíkový atóm.Popis mikrosveta kvantovou mechanikou našiel svoje uplatnenie aj pre mnohoelektrónové atómy a molekuly.
Čím je táto významná rovnica pre chémiu ? Je najmä fyzikálnym predpisom pre elektróny, pohybujúce sa v poliach kladne nabitých atómových jadier. Jej riešením sú energia systému, ako aj energetické hladiny, ktoré sú postupne obsadzované elektrónmi.
Elektróny sa povtesnávajú do im vlastných, vypočítaných vlnových funkcií - molekulových orbitálov, ktoré si zhruba môžeme predstaviť ako včelie roje okolo kráľovnej. V každom mieste orbitálu má elektrón, držaný elektrostatickým poľom jadra, istú pravdepodobnosť svojho výskytu.
Možno si čitateľ spomenie, ako na stredoškolskej chémii vypĺňal "chlieviky" - orbitály atómov - elektrónmi. Výbušný vodík dostal jeden elektrón - 1s(1), inertné hélium dva do "s" orbitálu - 1s(2), vzácny plyn neón si ich naukladal desať do konfigurácie 1s(2) 2s(2) 2p(6), zaplniac pritom tri energeticky degenerované "p" orbitály.
.Posun s teóriu relativity
V druhej polovici 20. storočia sa ukázalo, že Schrödingerova rovnica nepopisuje správne elektrónovú štruktúru ťažkých atómov. Zlato, olovo, ortuť museli dostať nový teoretický aparát. Ten prišiel od francúzskeho fyzika Paula Diraca v podobe jeho geniálnej rovnice.
Aj tá je analyticky riešiteľná pre vodíkový atóm. Prináša fyzikálne správnejšie orbitály, teraz už nazývané spinory. Oproti tým nerelativistým, "schrödingerovským", sú napríklad guľové "s"-ká scvrknutejšie, "p"-ka sú vplyvom relativistických efektov zase rozštiepené na p1/2 a p3/2 spinory.
.Metódy, programy - vpred !
Úlohou kvantovej chémie, môjho vedeckého miláčika, sú práve výpočty vlnových rovníc pre zvolený atóm, či molekulu. K dipozícii je široká škála teoretických metód, popísaných v populárnych vysokoškolských učebniciach. Od najjednoduchších, menej presných, až po sofistikovanejšie, a tým aj počítačovo náročnejšie.
Pokrok, a tým aj umenie a krása kvantovej chémie, je vo vyvíjaní nových metód a najmä v ich algoritmicko-programátorskom stvárnení. Ja napríklad pracujem na zdokonaľovaní systému programov DIRAC, zameraného na výpočty so zahrnutím relativistických efektov.
Takýto vývoj je pomalá a vytrvalá cesta ľudského umu vpred. Zložité, novo odvodené matematické vzorce sa obliekajú do šiat algoritmických štruktúr, ktoré sa zase odlievajú do strohých foriem počítačových jazykov.
V košiari kvantovochemických programov je kráľom jazyk Fotran. GNU/g77 je napríklad populárny a bezplatný kompilátor, ktorý bez problémov pochrúma (rozumej: zkompiluje, zlinkuje a zanechá spustiteľný súbor, takzvaný "exáč") rozsiahly zdrojový kód.
Preto píšem - vrelá vďaka vám, otvorení softvéristi, linuxáci, že ste priniesli konkurenciu a náhradu komerčným kompilárotom !
.Nížšie náklady sú výhodou
Keď už ide o peniaze (o ktoré ide až v prvom rade), má kvantová chémia oproti experimentálnym vedám veľké plus. Pretože je predovšetkým - ak si odmyslíme teóriu - o počítačových simuláciach.
"Kompy" s príslušným softvérovým vybavením sú jej hlavným a mocným nástrojom. Pospájané do tzv. výpočtových klastrov, s veľkou pamäťou a diskom, dosiahnuteľné prostredníctvom internetu, výkonom neustále napredujúce a cenovo stále viac dostupnejšie.
Svetlá budúcnosť je pre všetkých teoretických prírodovedcov, i pre tých, ehm, chudobnejších.
Cieľavedomé "žeravenie" počítačového "železa" chemickými teoretikmi - kvantovákmi -môže vydať experimentálnym vedcom odpoveď: zlúčenina, ktorej vlastnosti sme modelovali, je horúcim kandidátom pre vaše testovanie. Skúste ju. Farmaceutom, organickým, či fyzikálnym chemikom sú takto získané teoretické poznatky obrovskou nápomocou.
Teória s experimentom sa vo vede i v technike udomácnili ako nerozlučný manželský pár.
.Nakoniec: Idéééš, Slovensko!
Písať o kvantovej chémii by nebolo ono bez príležitosti naplniť si hruď pýchou pri spomenutí slovenských vedeckých pracovísk. S vďakou spomínam na otcovské pracovisko na Prírodovedeckej fakulte.
Ďalšie odborné skupiny kvantovákov sú máme v Bratislave, napríklad v Slovenskej akadémii vied, na Matematicko-fyzikálnej fakulte, či na Fakulte priemyselnej a potravinárskej technológie.
Slovensko v kvantovej chémii rozhodne drží krok s vyspelým svetom.
