32 KJEMI 3 2026 Kvanteteori og kvantemekanik Hvad vi i dag kalder kvantemekanik blev født to gange, først i 1900 med Max Plancks hypotese om energikvantisering og dernæst i 1925 med Werner Heisenbergs abstrakte teori om en ny kvantemekanik [1]. Ifølge Planck kunne en oscillator (fx en elektron) med frekvensen ν kun antage energien E=nhν, hvor n = 0, 1, 2, ... Han mente ikke selv, at der var tale om et radikalt brud med klassisk fysik. Ti år senere foreslog han en ny kvantiseringsforskrift, nemlig E=(n+½)hν. Det følger heraf, at selv i den laveste energitilstand n = 0 svarene til absolut temperatur T = 0 vil systemet have en ’nulpunktsenergi’ (zero-point energy) på E=½hν. Plancks nye hypotese blev flittigt diskuteret, men vandt ikke indpas i den kvanteteori for atomer og molekyler, der i det følgende årti blev udviklet af især Niels Bohr i København og Arnold Sommer- feld i München. Denne såkaldte ’gamle kvanteteori’ var baseret på en halvklassisk model for atomet, hvor elektronerne bevæger sig om kernen i bestemte elliptiske baner, omtrent som planeterne bevæger sig omkring Solen. Bohr-Sommerfeld teorien var på mange måder succesrig, men vedblev at være plaget af alvorlige anomalier, altså uoverensstemmelser mellem teori og eksperiment. Situationen førte i 1924-1925 til en krise, der først blev løst med en langt mere radikal teori for atomer og stråling. Grundlaget for den nye kvantemekanik blev skabt af Heisenberg i efteråret 1925 og hurtigt udviklet af ham og hans kolleger Max Born og Pascual Jordan til en omfattende og konsistent teori. Denne version af kvantemekanikken blev i foråret 1926 udfordret af den ’bølgemekanik’, som Erwin Schrödinger oprindeligt lancerede som et alternativ til Heisenbergs teori, som han ikke brød sig om. Det viste sig dog snart, at der ikke var tale om to forskellige teorier, men blot om to forskellige matematiske formuleringer af samme teori. Sproget var forskelligt, substansen den samme. I sommeren 1926 var kvantemekanikken i det væsentlige udformet på den måde, vi kender teorien i dag. I hele denne hektiske udvikling spillede kemikere ingen eller kun en perifer rolle. Kvantekemi avant la lettre Selv om kvantekemi færst blev en realitet i slutningen af 1920erne, blev kvanteteorien anvendt på kemiske områder også før kvantemekanikkens fremkomst. Man kan med en vis ret tale om kvantekemi før kvantekemien. Den karakteristiske størrelse i kvanteverdenen er Plancks naturkonstant med symbol og enhed givet ved h=6,626×10-34 J∙s. Konstanten er ganske lille, men det afgørende er, at den ikke er nul. Overalt hvor h optræder i kemiske sammenhænge, har vi en slags kvantekemi. Einstein var som ung stærkt interesseret i fysisk kemi, hvilket var emnet for hans doktordisputats, hvor han bl.a. beregnede en værdi for Avogadros tal. I 1907 udviklede han på basis af kvanteteorien en vigtig teori for faste stoffers specifikke varmekapacitet, der forklarede varmekapacitetens variation med temperaturen. Et andet eksempel på Einsteins interessse for grænsefladen mellem fysik og kemi er en undersøgelse, han i 1913 lavede sammen med Otto Stern om rotationsenergien for H₂ molekyler og andre diatomige molekyler. De to fysikere argumenterede, at den bedste overensstemmelse med eksperimenter krævede en nulpunktsenergi Nogle træk af kvantekemiens barndom I dag er kvantemekanikken et uundværligt redskab for strukturkemien og andre omåder af de kemiske videnskaber. Udviklingen startede for alvor for 100 år siden, men allerede tidligere havde kvanteteorien påkaldt sig kemisk interesse. Den tidlige udvikling af kvantekemien var helt domineret af fysikerne, der sjældent havde forståelse for kemikernes opfattelse af deres videnskab. I denne artikel skitseres nogle væsentlige træk i kvantekemiens tidligste historie fra omkring 1910 til 1935. Helge Kragh, Niels Bohr Instituttet, Københavns Universitet
RkJQdWJsaXNoZXIy MTQ3Mzgy