量子化学 (放送大学教材)

量子化学 (放送大学教材) の詳細

むかし理科の授業で、水素分子H2は２つの水素原子Hが結合したものであると聞きましたが、なぜ電気的に中性な水素原子が結合するのか？という疑問をもちました。なぜか分からないまま事実だけを記憶するというよくある話ですが．．．ちょっと違和感が残りましたねえ。しかしながら、我々をとりまく世界は、多くの物質から成っておりそれらは分子の集まりであるから、やはりその結合のしくみをきちんと理解してみようと思い「量子化学」の勉強を始めました。放送大学の「量子化学」は間違いなく超一流の名講義であることは（初学者ながら）十分理解できます。こういう名講義に出会えるのは実に一期一会ですばらしいことなのですが、理解を深めるためには聞き手側にある種の「準備」が必要であるように思いました。つまり、量子化学では（量子力学的な）電子の振る舞いが分子の性質を決定すると考えるが、解析的で精密な議論は（はやばやと）断念すること、そして定性的な議論＆経験則＆近似計算によって分子の性質を（大まかに・近似的に）理解していく、という方法への「頭の切り替え」が必要と思いました。量子化学の講義は、頭の切り替えをする前＆後の２回で１セットとして聞くようにすべきであって、これにより理解が進むと思いました。では、どうやって頭の切り替えをするか、それには（最も基本的な）水素分子H2の結合問題を解いてみていかに難しいかを実際に「経験」するのがよいと思います：分子の性質はその中の電子の振る舞いを表す[ Dirac方程式⇒ ] Schroedinger方程式の解（+ spin効果＆反対称性を考慮する）によって理解されます。一電子系では、水素原子Hや水素分子イオンH2+の問題は解析的に扱えて普通のテキストに載っています。しかし、二電子系・水素分子H2になると、もはやテキストの範囲を超えるので（ほとんど）取り上げられません。なので、Heitler & London 論文及びSugiura論文 1927年に導かれて進んでいくと、二電子間距離の逆数1/Rを変数分離するため 回転楕円体座標での（第1種＆第2種）Legendre陪関数による級数展開公式（Neumann, Vorlesungen uber die Theorie des Potentials und der Kugelfunctionen, p.341, 1887年； Digital Library, Univ. of Torontoにて無償で閲覧できる）を理解することでなんとか解析的に解くことができるが、実にしんどい計算であって解析的アプローチはこのあたりが限界だろうと身にしみて分かります。そして、理科の授業での違和感も、結局のところまあしかたないだろうなあということが理解できます。ということで、量子化学は予習と復習をしながらポイントを押さえて勉強すれば、分子の性質について素直に＆きちんと理解することができると思います。