MOLEKÜL FİZİĞİ VE KUANTUM KİMYASI

Bu ders kitabı fizik, fiziko kimya ve teorik kimyacıların kullanacağı bir şekilde tasarlanmıştır. Okuyucunun atom ve kuantum fiziği temel bilgisine sahip olduğu varsayılmıştır (Bu çerçevede bu serinin 1. cildi olan Atom ve Kuantum Fiziği kitabına bakılabilir). Fizik öğrencileri burada anlatılan konuların bütün Fizik bölümlerinde kullanıldığını görecektir. Bı kitap öğrencilere molekül fiziği alanında ne kadar derine gidilebileceğini ve oldukça ilginç gelecek nesil araştırmalarının neler olabileceğini gösterecektir.

Kitabımızın birinci baskısından sonra molekül fiziği alanında oldukça yeni gelişmeler olmuştur. Öğrenciler için oldukça önemli olan yeni yöntemler ve sonuçlar bu ikinci baskıda daha geniş bir şekilde ele alınmıştır. Bunlar arasında tek-molekül spektroskopisi ile elektrolüminesans ve organik ışık salan diyotları da içerecek şekilde oldukça hızla bir gelişim içinde olan moleküler elektroniği zikredebiliriz. Bunlara ilaveten daha önceki bazı konuları geliştirip, eksik yanları varsa onları da tamamladık. Bu yeni basımda bazı alıştırmaları da ekledik; bunlar öğrencinin kavrayışlarını daha ileri seviyeye götürecek ve ferdi çalışmalarını daha işeri bir seviyeye oturtma şansı vereceklerdir.

MOLEKÜL FİZİĞİ VE KUANTUM KİMYASI     H. Haken/ H.C. Wolf
 

Bu ders kitabı fizik, fiziko kimya ve teorik kimyacıların kullanacağı bir şekilde tasarlanmıştır. Okuyucunun atom ve kuantum fiziği temel bilgisine sahip olduğu varsayılmıştır (bu çerçevede bu serinin birinci cildi olan Atom ve Kuantum Fiziği kitabının ilk birkaç bölümüne bakılabilir). Fizik öğrencileri burada anlatılan konuların bütün Fizik bölümlerinde kullanıldığını görecektir. Bu kitap öğrencilere molekül fiziği alanında ne kadar derine gidilebileceğini ve oldukça ilginç gelecek nesil araştırmalarının neler olabileceğini gösterecektir.

Kimya öğrencileri için bu kitapta sunulan kavramlar, bu alandaki bütün teorik çerçeveyi çizme açısında bakıldığında doyurucu olacaktır. Bu kavramlar yardımıyla, en azından teorik açıdan deneysel kimya bilgisinin geniş çerçevesini birkaç temel kurala indirgemek mümkün olacaktır. Bu temel kurallar kuantum mekanik temellidirler. Buna ek olarak burada temelleri sunulan modern fiziki metotların kimyada artan oranda önemli hale geldiği görülmektedir ve günümüzde bunlar kimyacılar için  vazgeçilmez aygıtlar halini almaktadırlar. Örnek vermek gerekirse  kompleks  organik bileşiklerin yapısal analizi, oldukça hızlı reaksiyon süreçlerinin spektroskopik olarak araştırılması veya pratik bir uygulama olarak havadaki kirleticilerin uzaktan tespitinden bahsedebiliriz.

Elinizdeki bu kitap birbirinden ayrılamayacak iki konuyla ilgilenmektedir: kimyasal bağlanma ve moleküllerin fiziksel özellikleri. Bunların her ikisi de, ilk olarak kendini atomik yapıda ispatlamış olan, kuantum mekaniği yoluyla ancak anlaşılabilir. Kimyasal bağlanma problemi temel olarak elektronların taban hali ve bağlı atomların çekirdekler arası uzaklığının bir fonksiyonu olarak enerjisiyle ilişkiliyken, moleküllerin diğer fiziksel özelliklerinin anlaşılması temelde uyarılmış hallerin incelenmesini gerektirmektedir. Bunların her ikisi de elektronik hareketlere ve çekirdeklere bağımlı kalmaktadırlar.

Ele alınan konuların teorik olarak incelenmesi bu yüzden kuantum mekaniği yöntemlerine bağlı kalmaktadır ve bunların deneysel olarak çalışılması, elektromanyetik dalgaların geniş bir spektral aralıkta aracı olarak kullanıldığı spektroskopik yöntemlere dayanmaktadır. Bu yolla molekülün yapısı, elektronik dalga fonksiyonu, dönme ve titreşimiyle ilgili bilgi elde etmek mümkün olabilmektedir. Burada uyarılmış hallerin enerjileriyle bağ enerjilerinin deneysel tespitinde kullanılan deneysel ve teorik yaklaşımları da sunuyoruz. Teorik ele alışta sadece atom fiziğinden bildiğimiz kavramlarla karşılaşmıyor, aynı zamanda aralarında Hartree-Fock yaklaşımı, Born-Oppenheimer yaklaşımı ve grup teorisinin simetri özelliklerinin de kullanımını içine alan oldukça yeni tekniklerle de karşı karşıya kalıyoruz. Daha önce olduğu gibi bu yeni teknikler de, molekül fiziğine bu yolla içten bağlı olan, katıların kuantum teorisinin de temelini teşkil etmektedirler.

Molekül fiziği ve kuantum kimyasının bir araya getirilmesinin merkezi önemine rağmen, elinizdeki bu kitap dışında, yazılmış olan amaçları içinde barındıran herhangi bir kitap bulunmadığı da bir gerçektir. Bu gerçek, öğrencilerimiz tarafından, özellikle bu serinin birinci kitabı olan Atom ve Kuantum Fiziği’ni okuduktan sonra dile getirilmiş ve bize yapılan yapıcı baskılar sonrası elinizdeki kitabı yazmamız kaçınılmaz olmuştur. Elinizdeki bu kitabı Stuttgart Üniversitesinde yıllardır anlattığımız ders notlarımızın derlenmesi sonucu açığa çıkmıştır. Konuları açık ve anlaşılabilir bir tarzda ve, sistematik bir sırada, aralarındaki yakın ilişkiyi verecek şekilde hem teorik ve hem de deneysel açıdan ele alma gibi bir zorluğun üstesinden gelmeye çalıştık.

Molekül fiziği ve kuantum kimyası ile ilgili herkesin çok iyi bileceği gibi, burada pratikte sonu gözükmeyen bir alanı tanıtmaya çalışıyoruz. Bizim burada esasında temel ve önemli görevimiz, bu yüzden, incelenen konuların iyi bir şekilde seçimi olmaktadır. Bu seçimi yaparken mümkün olduğunca en temel ve tipik konuları seçme gayreti içinde olmaya çalıştık. Bu önemli ve ilgi çekici araştırma alanında önemli bir bakış açısı vermede başarılı olduğumuzu ümit ediyoruz. Bu konuyla ilgili yazılı eserler arasında elinizdeki bu kitabın önemli bir boşluğu dolduracağını düşünmekteyiz. Daha derin bir anlayış kazanmak isteyen okuyucular için kitabın sonunda bir okuma listesi sunuyoruz. Bu listede okuyucu, oldukça hızlı bir gelişim içinde olan, ancak içeriği sebebiyle bu kitap konuları arasına alınmayan reaksiyon dinamiği ile ilgili kaynaklar bulacaktır. Buna ilaveten fotosentez konusundaki yeni gelişmeler, çok moleküllü  fonksiyonel birimlerin fiziği ve moleküler mikroelektronik gibi konularla ilgili kısa, fakat etraflı bilgi de verilmiştir.

Anılan sebeplerle elinizdeki bu kitabın iki aşamalı bir amacı yerine getirdiği söylenebilir: molekül fiziği alanındaki iyi bilinen temel konulara bir giriş yapmak ve bu alanda yapılan araştırmaların en yeni olanları ile ilgili okuyucuya bir ufuk sağlamak.

Elinizdeki bu kitap, Molekülphysik and Quantenchemie Almanca orijinalinin çevirisidir. Prof.W.D.Brewer’e mükemmel çevirisi ve kitabın geliştirilmesiyle ilgili yaptığı önerilerden dolayı müteşekkiriz.

Bu kitabın yazımı aşamasında destek veren ve düzeltmelerini yapan arkadaşlarımız ve öğrencilerimize de teşekkür ediyoruz. Özellikle son çalışmalarının sonuçlarından bizi yararlandıran ve şekillerini bize sağlayan araştırmacılara teşekkürü bir borç biliyoruz. Burada daha önceki kitabımıza (Atom ve Kuantum Fiziği) I (1.cilt) diyeceğimizi de not ediyoruz.

ÇEVİRENDEN

Hızla ilerleyen Fizik, Kimya, Biyoloji gibi fen bilimleri ve bunların teknolojiye açılan kapısı olan mühendislik dallarının gelişimi, içerdikleri yüksek teknolojinin iyi anlaşılabilmesini gerektirmekte ve bu, öncelikle maddenin yapıtaşı olan atomlar ve moleküllerin tanınmasını zorunlu kılmaktadır. Moleküllerin iç yapısının anlaşılması sonrasında ise modern teknolojide kendine uygulama bulan konularda araştırma yapabilmek mümkün hale gelebilmektedir.

1.cildini (Atom ve Kuantum Fiziği) çevirdiğim bu serinin bu ikinci cildinde Atom ve Molekül Fiziği anabilim dalının ikinci ve uygulamaya açık parçası tamamlanmakta,  Kuantum Kimyası’nın temelleri ifade edilerek günümüzdeki modern uygulamalara ait örnekler sunulmaktadır. Atom-Molekül Fizikçileri, Katıhal Fizikçileri ve Kimyada araştırma yapanların günümüzdeki disiplinler arası çalışmalarına destek vereceğinden kuşku duymadığım bu kitabın internet destekli 133 problem çözümü bulunmaktadır ve bu haliyle Türkiye’de bir boşluğu dolduracağı ümidindeyim.

                                                                                                                                       Prof. Dr. İbrahim Okur

 

İÇİNDEKİLER 

Bu Kitapta Kullanılan En Önemli Semboller Listesi

1.       Giriş 

1.1      Molekül Nedir?

1.2      Amaç ve Yöntem 

1.3      Tarihsel Notlar

1.4      Molekül Fiziği ve Kuantum Kimyasının Diğer Alanlar İçin Önemi

2.       Moleküllerin Mekanik Özellikleri,

 Boyutları ve Kütleleri

2.1      Molekül Boyutları 

2.2      Moleküllerin Şekilleri

2.3    Molekül Kütleleri 

2.4    Öz Isı ve Kinetik Enerji

Problemler 

3.       Elektrik ve Manyetik Alanda Moleküller 

3.1      Dielektrik Özellikler 

3.2      Kutupsuz Moleküller 

3.3      Kutuplu Moleküller 

3.4      Kırma İndisi, Dağılma 

3.5      Kutuplanabilirliğin Homojen Olmaması 

3.6      Manyetik Alanda Moleküller, Temel Kavramlar ve Tanımlar

3.7      Diyamanyetik Moleküller 

3.8      Paramanyetik Moleküller 

Problemler 

4.       Kimyasal Bağlanma Teorisine Giriş 

4.1      Kuantum Mekaniğinin Kısa Bir Özeti  

4.2      Çok ve Tek Kutuplu Bağlanma 

4.3      Hidrojen Molekülü İyonu 

4.4      H₂ Hidrojen Molekülü 

4.4.1      Değişim (Varyasyon) İlkesi 

4.4.2      Heitler London Yöntemi 

4.4.3      Kovalent-İyonik Rezonans 

4.4.4      Hidrejendeki Bağlanma İçin Hund-Mullikan-Bloch Teorisi 

4.4.5      Dalga Fonksiyonlarının Karşılaştırılması 

4.5   Melezleşme 

Problemler 

5.       Simetriler ve Simetri İşlemleri:

İlk Bakış