化學物理學

化學物理學的主要研究內容包括：（1）原子和分子波函數理論；（2）原子和分子光譜學；（3）化學動力學及碰撞過程；（4）液體結構的全部領域；（5）高分子聚合物；（6）平衡態及輸運理論的統計力學；（7）分子晶體或其他類型晶體的性能；（8）物質各態的本構熱力學性能；（9）利用激光研究物性；（10）激光的工作機制等。

化學物理學是在量子力學問世後不久誕生的，這門交叉學的創立是以1933年在美國創刊的《化學物理雜誌》為其重要標誌。為此，我們不妨在今天對這個刊物作為歷史性調研，以期求得對化學物理學的起源、發展及其研究意義有一個比較正確的認識。

《化學物理雜誌》創刊第一期有一段署名為尤里寫的編者的話。其大意是：《化學物理雜誌》的出版是化學和物理學近期發展的自然結果，這是因為，它們發展至今其界限已經完全被溝通。根據訓練及所在的研究單位，必須把他劃為物理學家的一些人，他們正在傳統的化學問題上作工作；同樣，必須把他劃為化學家的一些人，他們的工作領域又必須認為是物理。這些人有兩門科學的廣泛知識，他們的工作在同行裏都受到讚賞和尊重。就其研究方法來説，他們大都採用的不是傳統的化學研究方法；就其工作範圍內説，他們的工作也不是正統物理學家感興趣的所在……。《化學物理雜誌》主是為在這個邊緣領域工作的人創辦的刊物。

《化學物理雜誌》在介紹了創刊的起源之後還追求了與化學物理學發展有關的歷史情況：“在19世紀，原子和分子只是化學家的一種特殊工作概念。到了20世紀，化學家和物理學家一樣認真地研究原子、分子及組成它們的粒子。但是，對組成宏觀物質的這些基本單元的研究方法主要是在物理學的發現中發展起來的。然而，當時這些新方法還未對古老化學及時地顯示出其重要性。以後，情況發生了變化，放射性發現對原子結構的認識有很大貢獻；數學、物理對許多經典問題（如溶液性質、反應動力學的統計解釋等）取得了成功；新實驗方法的發現及其進展，使以前難為掌握的知識現在成為可能；特別重要的是，與量子論相聯繫的實驗和理論對化學和物理學的發展都有其深遠的影響。近年來化學和物理的發展證明，把數學的嚴格邏輯方法用到化學問題上，其結果與應用到物理的問題上同樣有效。”

過了50年，也就是到1983年，由於編輯部的人事更替，在《化學物理雜誌》1983年第1期上刊載了幾段編者的話，其中有來自美國物理學會化學物理學部的一段，這正好補充了雜誌1933年創刊時期的一些背景情況，其大意是：1933年化學和物理學邊緣領域正處在定量描述的革命時期，那時量子力學已經成為分子光譜和分子結構的理論基礎；統計力學已經成為複雜系統在微觀層次上的處理方法，而量子統計這時開始把原子、分子系統的量子力學描述和宏觀系統的熱力學描述溝通起來。然而，這個轉變並沒有得到當時物理化學界科學家們的普遍重視，這樣他們中有的人就感到需要辦一個比《物理化學雜誌》更傾向於物理和數學的雜誌，於是，《化學物理雜誌》便應用而生了，它的誕生正好把《物理雜誌》和《化學雜誌》的中間缺口銜接起來。”在這裏順便指出，《物理化學雜誌》是在建立了熱力學分子論以後，在量子力學開創之前的1896年創刊的。

化學物理學誕生以後，發展極為迅速。到1939年，一部由斯萊特著的《化學物理引論》出版，這本基礎教材式的著作在當年就印刷了不下5次。斯萊特在這本書的序言中着重説明化學物理是一門交叉學科，他説：“物理和化學分離開可能是件不幸的事。化學是原子及原子之間結合方式的科學。物理則涉及的是原子間的力和這些力所產生的物質大尺度的性能。過去，因為化學是非數學的經驗性科學，而物理學在當時又不能處理原子間小尺度的力，所以才使這兩門科學遠遠分離。

隨後，由於傳統力學和分子論的建立，物理化學進一步的發展，才使這兩門科學開始靠攏到在一起。不久，量子論和波動力學誕生了，它們對原子間的相互作用作了成功的解釋，這時沒有什麼方法再使化學和物理繼續分離下去。但是，化學和物理這時在實驗上、方法上仍有很大差別：化學家習慣在試管中處理反應物（如配溶液、沉澱、過濾、蒸發等）；而物理學家測量任何物理量都要用電流計和分光鏡。但隨着越來越多物理儀器進入化學實驗室，它們僅在這方面的區別也即消失了。……兩門科學有廣闊共同的研究領域。這一點希望大家能認識得越早越好。鑑於物理化學這個名詞已先被佔用，現在又找不到一個更好的名詞，因而才稱這個共同的研究領域為《化學物理》。……本書就是對這個領域中的一些內容做一嘗試性的介紹。”

斯萊特在其表述了《化學物理引論》要達到預期目的――補充化學和物理之間所出現的缺口之後，還特別強調了交叉學科對培養科學人才的重要性，他説：“化學和物理之所以產生缺口，主是由於傳統訓練所造成的結果，其結果造成他們幾乎不能真正勝任任何一個化學物理分支的工作。如果培養下一代科學人才，首先使他們在經驗化學、物理化學、冶金學、晶體結構上得到訓練；其次在理論物理，包括力學、電磁理論，特別是在量子論、波動力學、原子和分子結構上受到培養；最後在熱力學、統計力學以及我們稱之為化學物理學上也得到訓練，那他們將比現在只受到化學，或只受到物理訓練的人，能成為更好的科學家。”

順便指出，斯萊特對美國材料科學的理論基礎研究和教育，都起到了很好的推動作用。我想，這與他上述的看法不無聯繫。因為化學物理學與材料科學是有密切關係的。

化學物理的內容一般是由組成它的交叉學科的性質所確定，但其研究範圍可能隨着學科的具體進展屆時還有所變化。

普里高京在為從1958年創刊至今仍在出版的《化學物理進展》的引言（直到第50巻才更換）中寫道：由於研究問題的多樣性，如化學動力學、分子物理、分子光譜學、輸運過程、熱力學、物理狀態的研究以及實驗方法的多樣性等問題，促使化學物理取得了巨大的進展。他還説：“儘管由於這種多樣性所造成的困難，使其很難嚴格規定出化學物理的研究界限，但它的一些基本問題大多還是與單個分子和原子有關的，且其行為又與由原子、分子所組成的統計系統的行為聯繫在一起。本書專門刊載這種具有現代化學物理學標誌的一類文章。”

美國科學院1973出版的《物理學透視》一書，把以下問題列為化學物理的研究範圍：關於原子、分子波函數的理論；原子和分子的光譜學（從射頻到　射線某側面）；化學動力學及碰撞過程（如熱原子化學、輻照損傷、量級在103―104電子伏範圍內的原子和電子碰撞過程）；液體結構的全部領域；高分子聚合物；平衡態及輸運理論的統計力學；分子晶體或其他類型晶體中的某些性能；物質各態（超流體、超導體和等離子體可能除外）的本構熱力學性能；利用激光研究物質（如非線性等）；激光的工作機制（相干光的光學性能除外）。下面列出的研究領域雖然民在化學和物理學的交界面上，但通常它們不屬於化學物理。這些領域包括：離子晶體、金屬晶體、共價晶體和其他具有周期結構性能的晶體、無定型材料（如玻璃和半導體）；元素起源、核物理中的核能譜學及核反應；超導體及其微觀解釋以及具有特殊性能的超導材料的開發。應該説明的是，西歐和日本的劃分方法與美國有些不同，上面有些領域它們是列到純粹物理學領域。當然，這僅僅是美國科學院在70年代初對化學物理學研究內容所做的粗略描述，我們相信，目前它的內容可能又增加了一些。

《化學物理雜誌》從一創刊就對其內容採取了靈活適應的編輯方法，以便使刊物能反映出這個學科每年新進展的情況。近年來，這個刊物對化學物理進行了分類安排，1983年分為如下五類：光譜學和光散射；分子相互作用及其反應、散射及光化學；量子化學及分子結構的電子理論；統計力學和熱力學；高分子聚合物、物質表面以及一般的化學物理。

從以上闡述化學物理誕生及其發展的幾段引文中，我們概括出以下兩點認識，第一，隨着人們對核外現象認識的不斷深入及其理論在各個領域的成功應用，化學和物理學進而發展為化學物理學，這是科學發展的一個必然趨勢；第二，培養科技人才，特別是在其觀點和方法的培養上，把化學和物理學的訓練提高到一個新的標準――化學物理的高度，這是一個可行而有其深遠意義的方向。我們可以把第二點看作是第一點的推論。下面舉兩個例子對第一來加以説明。

關於複印機中光復寫材料的研製問題，其思想線索是：從化學鍵量子論的基本概念出發――經過電荷轉移複合物的化學想象―――到對光敏材料電導性的認識。這是一個既需要現代物理又需要現代化學的基本知識問題。如果掌握了這兩方面的基本知識就會懂得：這種材料要在屬於電子受體這類材料中去找。這樣，就可以減少探索時間（引自《物理學透視》第二巻）。

關於物質表面的問題，莫里森在他所著的《表面的化學物理學》一書的序言中説：“研究表面的電子及光的物理性能，研究表面的化學活性，從這兩方面入手所得到的結果和理論，對建立一個現實的表面模型，是互為補充的。對錶面進行跨學科的探討，能導致對其更好的理解。這一點已為其近來的進展所證實。但這個進展已不能再按表面化學或表面物理分類。具體地説，近來新實驗技術和量子力學模型對固體表面電子能級（成鍵軌道）的性質已經提出了更精確的圖像，它可以對過去文獻中所提出的各種化學模型和物理學模型進行調和，並使其致。”這裏所指的化學模型和物理模型就是他在引言中作了詳細解釋的“表面座位”和“表面能級”。表面座位強調了表面原子和其鄰近原子的作用，而忽略了固體能帶的結構。表面能級強調了局域電子能級與固體整體能級的不同而忽略了表面原子間及與其底原子間的作用細節。計算機的出現使計算方法發生了革命性的變化，從而促使人們找到了探討表面途徑的更好辦法；在不忽略整個固體能帶的背景下對錶面及其鄰近的原子進行分析。

金和伍德拉弗在他們合編的《固體表面的化學物理學和多相催化反應》一書中對錶面問題也有其論述，他們在序言中説：“為了製備單晶固體表面和研究其吸附現象，近年來發展了很多複雜技術，這使我們對錶面的化學組成、表面局部結構和排列（被吸附物的配準及其有序無序現象）、清潔表面與被吸附層的電子結構能作觀察，因而對錶面的結合性質和強度以及對吸附、去吸附和表面催化的反應動力學及其機制的認識大有增進。目前，已經出版的很多書籍和總結文集都敍述了這些技術及其進展的情況。但對這些技術的聯合應用和由此而提供給表面吸附和反應過程的真正瞭解則總結得遠遠不夠……不久以前，對於明確規定了的多相催化系的基本研究還很貧乏，吸附基本研究與工業催化問題的聯繫似為期尚遠。但在這套書中我們希望説明，化學家、物理學家和冶金學家最近的工作已經導致了這一學科的良好成長：即化學吸附和多相催化的理論已被建立在堅固的物理基礎之上，或者説它們之間的聯繫已經確立。通過上面的例子我們不僅可以認識化學物理學的意義，也可以體會到化學物理學有強大的生命力。