化学物理学

化学物理是一门研究化学领域中物理问题的科学，是化学和物理交叉产生的一门交叉学科。化学物理学是在量子力学出现后不久诞生的。该学科的建立以1933年在美国成立的《化学物理杂志》为标志。化学物理学诞生后，它的发展极其迅速。斯莱特于1939年出版的《化学物理导论》是最重要的代表性著作之一。

分类

化学物理的主要研究内容包括:

(1)原子和分子波函数理论；

(2)原子和分子光谱学；

(3)化学动力学和碰撞过程；

(4)液体结构的所有场；

(5)聚合物；

(6)平衡统计力学和输运理论；

(7)分子晶体或其他类型晶体的性能；

(8)每种物质状态的本构热力学性质；

(9)用激光研究物理性质；

(10)激光工作机构等。

出生的

化学物理学是在量子力学出现后不久诞生的。这一跨学科科学的创立以1933年在美国创办的《化学物理学杂志》为标志。因此，今天我们不妨把这份刊物当作一份历史考察，以便更正确地理解化学物理学的起源、发展和研究意义。

《化学物理杂志》第一期有一篇署名为尤里的社论。《化学物理学杂志》的出版是化学和物理学最近发展的自然结果，因为迄今为止它们的界限已经完全沟通了。根据他的训练和研究单位，他必须被归类为从事传统化学问题的物理学家。同样，他必须被归类为化学家，他的工作领域必须被视为物理学。这些人对两种科学有广泛的了解，他们的工作受到同行的赞赏和尊重。就他们的研究方法而言，他们大多不采用传统的化学研究方法。就他们工作的范围而言，他们的工作不是正统物理学家感兴趣的。《化学物理杂志》主要是为在这个边缘领域工作的人出版的。

《化学物理学杂志》在介绍了它的起源之后，还探讨了与化学物理学发展相关的历史情况:“在19世纪，原子和分子只是化学家们的一个特殊的工作概念。在20世纪，化学家和物理学家和他们一样仔细地研究原子、分子和构成它们的粒子。然而，构成宏观物质的这些基本单位的研究方法主要是通过物理学的发现而发展起来的。然而，这些新方法并没有及时显示出它们对古代化学的重要性。从那以后，情况发生了变化，放射性的发现为理解原子结构做出了巨大贡献。数学和物理学在许多经典问题上取得了成功(如溶液性质和反应动力学的统计解释等)。)；新实验方法的发现和进步使得获得以前难以掌握的知识成为可能。特别重要的是，与量子理论相关的实验和理论对化学和物理的发展有着深远的影响。近年来化学和物理的发展证明，将数学的严格逻辑方法应用于化学问题和应用于物理问题一样有效。”

50年后，也就是说，到1983年，由于编辑部人员的变动，《化学物理》1983年第一期发表了几位编辑的评论，其中包括美国物理学会化学物理系的一段话，它只是补充了该杂志1933年创办的一些背景资料，大意是化学和物理的前沿领域在1933年处于定量描述的革命时期，当时量子力学已经成为分子光谱和分子结构的理论基础。统计力学已经成为复杂系统的微观处理方法，量子统计开始将原子和分子系统的量子力学描述与宏观系统的热力学描述联系起来。然而，这一变化并没有得到当时物理化学领域科学家的普遍关注，因此他们中的一些人觉得他们需要经营一家比物理化学杂志更倾向于物理和数学的杂志。因此,《化学物理杂志》诞生于应用，它的诞生正好连接了《物理杂志》和《化学杂志》之间的鸿沟。“顺便说一下，这里要指出的是，《物理化学杂志》是在热力学分子理论建立后，量子力学建立之前，于1896*的。

发展

化学物理学诞生后，它的发展极其迅速。到1939年，斯莱特的《化学物理学导论》出版了，这本书基本上是教科书式的，那一年出版了五次以上。斯莱特在这本书的序言中强调，化学物理学是一门跨学科的学科，他说:“把物理和化学分开可能是不幸的。化学是原子和原子结合的科学。物理学关注原子之间的作用力以及这些作用力产生的物质的大规模性质。在过去，化学是一门非数学的经验科学，当时物理学无法处理原子间的小尺度力，所以这两门科学相距甚远。后来，由于传统力学和分子理论的建立以及物理化学的进一步发展，这两门科学开始紧密结合在一起。不久，量子理论和波动力学诞生了。他们成功地解释了原子之间的相互作用。当时，没有办法将化学和物理分开。然而，此时化学和物理在实验和方法上仍有很大差异:化学家习惯于在试管中处理反应物(如溶液制备、沉淀、过滤、蒸发等)。)；物理学家使用电流计和分光镜来测量任何物理量。然而，随着越来越多的物理仪器进入化学实验室，它们在这方面的差异只会消失。......这两种科学有着广泛的共同研究领域。我希望每个人都能尽快知道这一点。鉴于“物理化学”这个术语已经使用了很长时间，现在找不到更好的术语了，这个常见的研究领域被称为“化学物理”。......这本书是对这一领域一些内容的初步介绍。

斯莱特在陈述《化学物理学导论》旨在达到其预期目的——弥补化学和物理之间的差距之后，还特别强调了跨学科培养科学人才的重要性。他说:“化学和物理之间的差距主要是由于传统训练的结果，这导致他们很难真正胜任化学物理的任何一个分支。如果培养下一代科学人才，他们应该首先在经验化学、物理化学、冶金和晶体结构方面接受培训。第二，他们在理论物理，包括力学和电磁理论，特别是在量子理论，波动力学，原子和分子结构培养。最后，他们将接受热力学、统计力学和我们称之为化学物理学的培训。那么他们将成为比那些只受过化学或物理训练的人更好的科学家。”

顺便提一下，斯莱特在促进美国材料科学的基础理论研究和教育方面发挥了很好的作用。我认为这与他的上述观点有关。因为化学物理与材料科学密切相关。

研究内容

化学物理学的内容通常由组成它的跨学科的学科的性质决定，但是它的研究范围可能随着学科的具体进展而变化。

普里高津在《化学物理学进展》的序言中写道，该书自1958年创立以来一直在出版(直到第50年才被修改)。由于研究问题的多样性，如化学动力学、分子物理学、分子光谱学、输运过程、热力学、物理状态研究和实验方法的多样性，化学物理学取得了很大进展。他还说:“尽管这种多样性造成的困难使得严格定义化学物理学的研究界限变得困难，但它的大多数基本问题都与单个分子和原子有关，它的行为与由原子和分子组成的统计系统的行为有关。这本书是献给这类以现代化学物理学为标志的文章的。”

美国科学院1973年出版的《物理学透视》一书将下列问题列为化学物理学的研究范围:原子和分子波函数理论；原子和分子光谱学(从射频到辐射的一侧)；化学动力学和碰撞过程(如热原子化学、辐射损伤、103-104电子伏范围内的原子和电子碰撞过程)；液体结构的所有领域；聚合物；平衡和输运理论的统计力学:分子晶体或其他类型晶体的一些性质；物质各种状态的本构热力学性质(超流体、超导体和等离子体除外)；用激光研究物质(如非线性等。)；激光的工作机理(相干光的光学性质除外)。尽管下面列出的研究领域处于化学和物理的交界处，但它们通常不属于化学物理。这些领域包括:离子晶体、金属晶体、共价晶体和其他具有周期性结构性质的晶体、非晶材料(如玻璃和半导体)；核物理中的元素起源、核光谱学和核反应；超导体及其微观解释和特殊超导材料的发展。应该注意的是，西欧和日本与美国的划分是不同的，有些领域被列为纯物理学。当然，这只是美国科学院在20世纪70年代初对化学物理研究内容的粗略描述。我们认为其内容目前可能有所增加。

《化学物理学报》自创刊以来，对其内容采用了灵活的编辑方法，使其每年都能反映学科的新进展。近年来，这份出版物整理了化学物理学的分类。1983年，它被分为以下五类:光谱学和光散射。分子相互作用及其反应、散射和光化学；量子化学和分子结构的电子理论:统计力学和热力学；聚合物、物质表面和普通化学物理。

研究意义

从上面描述化学物理学诞生和发展的引文中，我们总结了以下两点。首先，随着人们对核外现象认识的加深和理论在各个领域的成功应用，化学和物理进一步发展成为化学物理，这是科学发展的必然趋势。其次，培养科技人才，特别是培养科技人才的观点和方法，把化学和物理的培养提高到一个新的水平——化学物理，是一个可行的、意义深远的方向。我们可以把第二点看作第一点的推论。这里有两个例子来说明第一个例子。

关于复印机中光还原材料的发展，思想线索是:从化学键量子理论的基本概念出发——通过电荷转移络合物的化学想象——到对感光材料导电性的理解。这是一个既需要现代物理学又需要现代化学的基础知识问题。如果你已经掌握了这两方面的基本知识，你就会明白这种材料应该存在于属于电子受体的材料中。这样，探索时间可以减少(引自《物理学透视》第二章)。

关于物质的表面，莫里森在他的《表面化学物理》一书的序言中说:“研究表面上电子和光的物理性质和研究表面的化学活动，从这两个方面获得的结果和理论在建立一个现实的表面模型方面是相辅相成的。对表面的跨学科讨论可以导致对它更好的理解。最近的进展证实了这一点。然而，这一进展不能再用表面化学或表面物理来分类。具体而言，最近的新实验技术和量子力学模型提供了固体表面上电子能级(成键轨道)性质的更精确图像，这可以调和过去文献中提出的各种化学模型和物理模型，并使它们能够生成。”这里所指的化学模型和物理模型是“表面座”和“表面能级”，他在导言中详细解释了这两个概念。表面座强调表面原子及其邻近原子的作用，而忽略固体能带的结构。表面能级强调局部电子能级和固体整体能级之间的差异，而忽略了表面原子和它们的底部原子之间相互作用的细节。计算机的出现彻底改变了计算方法，从而促使人们寻找更好的方法来探索肤浅的方法。在不忽略整个固体能带的情况下，对表面及其邻近原子进行了分析。

金和伍德拉夫也在他们的书“固体表面的化学物理和多相催化反应”中讨论了表面问题他们在前言中说:“为了制备单晶固体表面并研究其吸附现象，近年来发展了许多复杂的技术。这使我们能够观察表面的化学组成、局部结构和排列(吸附物的登记及其有序和无序现象)，以及清洁表面和吸附层的电子结构，从而大大提高我们对表面的结合性质和强度以及吸附、解吸和表面催化的反应动力学和机理的理解。目前，许多出版的书籍和摘要集描述了这些技术及其进展。然而，这些技术的联合应用以及由此提供的对表面吸附和反应过程的真正理解还远远不够……不久前，对明确定义的多相催化体系的基础研究还很薄弱，吸附基础研究与工业催化之间的联系似乎还很遥远。然而，在这一套书中，我们希望表明化学家、物理学家和金属学家最近的工作已经导致了这一学科的良好发展:也就是说，化学吸附和多相催化的理论已经建立在坚实的物理基础上，或者它们之间的联系已经建立。通过以上例子，我们不仅可以理解化学物理的意义，还可以体会到化学物理的强大生命力。