Quantum chemistry - Ryoushikagak (English spelling) quantum chemistry

A branch of chemistry that understands chemical phenomena from the perspective of quantum mechanics. Chemistry is a science that investigates the composition of matter and its changes, but ultimately all matter can be considered at the atomic and molecular level. Atoms, molecules, and elementary particles are systematized by quantum mechanics. This mechanical system differs from classical mechanics, and visualizing it results in an incorrect model. In order to determine the true nature of matter, chemistry casually models atoms and molecules, but quantum chemistry is a science that utilizes the quantum mechanical system, which cannot be modeled, as a chemical model.

The basis of quantum mechanics is Schrödinger's wave equation. This equation allows you to find the energy value E of a system once you have determined the mass m and positional energy U of the system being treated. This E is an eigenvalue of the system given by quantum mechanics, and interactions between matter and external electromagnetic waves (light absorption, emission, etc.) are observed as the difference between two different energy eigenvalues, Δ E = h ν. Here, h is the Planck constant, and ν is the frequency of the electromagnetic wave.

Quantum chemistry began with the interpretation of the atomic spectrum of hydrogen. The Danish physicist Nelson Bohr hypothesized that electrons move in orbits around the nucleus, and that these orbits have discrete, unique energy values. This assumption formed the basis of modern atomic structure.

Heitler and London of England used quantum mechanics to elucidate the bonding state of hydrogen molecules. They took the Coulomb force acting between the nucleus and electrons of a hydrogen atom to be U. Today, this method is called the valence bond method (VB method). There is another method to calculate the energy value for hydrogen molecules by taking a linear bond of the atomic wave function as the molecular wave function. This is called the molecular orbital method (MO method).

Nowadays, the MO method is widely used for complex molecules. Here, the interaction between electrons becomes an issue, but nowadays, a method is being established to calculate the energy value by using a computer with semi-empirical or non-empirical values ​​for the exchange integral and overlap integral, and it is becoming possible to obtain a highly accurate theoretical value.

This method is also used to predict the structures of excited states of molecules. These structures are used to model reaction intermediates, so quantum chemistry is now being used not only to study structures and properties, but also to study reaction theory.

[Takashi Shimozawa]

"Modern Engineering Chemistry 2: Quantum Chemistry" by Kenichi Fukui (1968, Asakura Publishing)" ▽ "Basic Chemistry Selection 12: Quantum Chemistry" by Yoshiya Harada (1978, Shokabo Publishing)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

化学の諸現象を量子力学の立場で理解する化学の一分野。化学は物質の構成、その変化を追究する学問であるが、すべての物質は究極的には原子・分子のレベルで考察することができる。原子・分子や素粒子などは量子力学によって体系化されている。この力学体系は古典力学とは異なり、視覚化すれば間違ったモデルとなってしまう。物質の本質を見極めるために、化学では原子・分子を気軽にモデル化するが、本来モデル化できない量子力学体系を化学のモデルとして活用する学問が量子化学である。

　量子力学の基本はシュレーディンガーの波動方程式である。この式は、取り扱う系の質量mと位置のエネルギーUとが決まれば、その系のエネルギー値Eが求められる。このEは、量子力学が与えるその系の固有値で、物質と外部からの電磁波との相互作用（光の吸収、発光など）は異なる二つのエネルギー固有値の差ΔE=hνによって観測される。ここで、hはプランク定数で、νは電磁波の振動数である。

　量子化学の発祥は水素の原子スペクトルの解釈である。デンマークのN・ボーアは、原子核の周りには電子の動く軌道があって、それらの軌道は不連続な固有のエネルギー値をもっていると仮定した。この仮定によって、今日の原子構造の基礎ができあがった。

　イギリスのハイトラーとロンドンは、水素分子の結合状態を量子力学を用いて解明した。彼らは、水素原子のもつ原子核と電子の間に働くクーロン力をUにとった。今日この方法は原子価結合法（VB法）とよばれている。これとは別に、原子の波動関数の一次結合を分子の波動関数にとり、水素分子に対するエネルギー値を求める方法がある。これは分子軌道法（MO法）とよばれる。

　今日では、複雑な分子に対してはMO法が広く用いられている。ここで、電子どうしの相互作用が問題となるが、今日では交換積分や重なり積分の値を半経験的または非経験的な値にとって、コンピュータでエネルギー値を求める方法が確立しつつあり、精度のよい理論値が得られるようになっている。

　この方法は、分子の励起状態の構造を推定することにも用いられる。これらの構造は反応中間体のモデルに使われるので、量子化学は構造や物性のみならず、反応論にも活用できる時代となってきた。

［下沢　隆］

『福井謙一著『近代工学化学2　量子化学』（1968・朝倉書店）』▽『原田義也著『基礎化学選書12　量子化学』（1978・裳華房）』

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