分子结构与键合
分子结构与键合描述了原子如何通过共享电子结合成分子，以及核与电子运动的分离如何使分子量子力学变得易于处理。
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Definition
分子结构与键合是基于在玻恩-奥本海默电子与核运动分离框架内求解分子薛定谔方程，研究电子如何将原子核结合成稳定的分子，以及由此产生的平衡几何结构和能级。
Scope
该领域涵盖了分子的量子力学基础：将快速电子运动与慢速核运动分离并定义势能面的玻恩-奥本海默近似；化学键理论，包括分子轨道和价键图像；以及核在所得势能面上的旋转和振动运动。它解释了分子几何、键形成以及分子光谱学背后的能级结构。
Sub-topics
Core questions
- 核与电子之间巨大的质量差异如何使我们能够分离它们的运动？
- 是什么将原子结合成分子，以及化学键如何用量子力学描述？
- 分子轨道如何由原子轨道形成？
- 原子核如何在电子势能面上运动——旋转和振动？
Key concepts
- 玻恩-奥本海默分离
- 势能面
- 分子轨道 (LCAO)
- 成键轨道和反成键轨道
- 键级和键长
- 振动和转动能级
Key theories
- 玻恩-奥本海默近似
- 由于原子核比电子重得多，因此针对固定原子核求解电子薛定谔方程以获得势能面，然后原子核在该势能面上运动；这种分离是几乎所有分子结构理论的基础。
- 分子轨道理论
- 由原子轨道的线性组合构建的分子轨道将电子离域到整个分子上，其中成键和反成键组合解释了键级、稳定性和磁性。
- 转动-振动结构
- 在给定的电子势能面上，原子核在平衡位置附近振动并作为一个整体旋转，形成一系列振动能级，每个能级又包含一系列转动能级，从而组织了分子光谱。
Clinical relevance
理解分子结构与键合是所有化学和材料科学的基础——预测反应性、几何结构和光谱——它定义的势能面是计算化学、药物设计和解释各种分子光谱的起点。
History
量子力学在其提出后几乎立即被应用于分子：海特勒和伦敦于1927年处理了氢分子，同年玻恩和奥本海默证明了分离核与电子运动的合理性。随后，洪特和马利肯发展了分子轨道理论，鲍林阐述了互补的化学键价键图像。
Key figures
- Max Born
- Robert Oppenheimer
- Friedrich Hund
- Robert Mulliken
Related topics
Seminal works
- born1927
- atkins2011
- bransden2003
Frequently asked questions
- 为什么玻恩-奥本海默近似如此有效？
- 原子核比电子重数千倍，因此电子几乎可以立即适应任何核构型。在求解电子时将原子核视为固定引入的误差很小，除非在电子态简并的点附近。
- 分子轨道理论和价键理论有什么区别？
- 分子轨道理论构建了离域于整个分子的轨道，而价键理论将键描述为特定原子之间共享的局域电子对。两者都是对同一精确波函数的近似，并且可以相互协调。