分類
化學(xué)物理學(xué)的主要研究內(nèi)容包括：
(1)原子和分子波函數(shù)理論;
(2)原子和分子光譜學(xué);
(3)化學(xué)動力學(xué)及碰撞過程;
(4)液體結(jié)構(gòu)的全部領(lǐng)域;
(5)高分子聚合物;
(6)平衡態(tài)及輸運理論的統(tǒng)計力學(xué);
(7)分子晶體或其他類型晶體的性能;
(8)物質(zhì)各態(tài)的本構(gòu)熱力學(xué)性能;
(9)利用激光研究物性;
(10)激光的工作機制等。
誕生
化學(xué)物理學(xué)是在量子力學(xué)問世后不久誕生的，這門交叉學(xué)的創(chuàng)立是以1933年在美國創(chuàng)刊的《化學(xué)物理雜志》為其重要標志。為此，我們不妨在今天對這個刊物作為歷史性調(diào)研，以期求得對化學(xué)物理學(xué)的起源、發(fā)展及其研究意義有一個比較正確的認識。
《化學(xué)物理雜志》創(chuàng)刊第一期有一段署名為尤里寫的編者的話。其大意是：《化學(xué)物理雜志》的出版是化學(xué)和物理學(xué)近期發(fā)展的自然結(jié)果，這是因為，它們發(fā)展至今其界限已經(jīng)完全被溝通。根據(jù)訓(xùn)練及所在的研究單位，必須把他劃為物理學(xué)家的一些人，他們正在傳統(tǒng)的化學(xué)問題上作工作;同樣，必須把他劃為化學(xué)家的一些人，他們的工作領(lǐng)域又必須認為是物理。這些人有兩門科學(xué)的廣泛知識，他們的工作在同行里都受到贊賞和尊重。就其研究方法來說，他們大都采用的不是傳統(tǒng)的化學(xué)研究方法;就其工作范圍內(nèi)說，他們的工作也不是正統(tǒng)物理學(xué)家感興趣的所在……?！痘瘜W(xué)物理雜志》主是為在這個邊緣領(lǐng)域工作的人創(chuàng)辦的刊物。
《化學(xué)物理雜志》在介紹了創(chuàng)刊的起源之后還追求了與化學(xué)物理學(xué)發(fā)展有關(guān)的歷史情況：“在19世紀，原子和分子只是化學(xué)家的一種特殊工作概念。到了20世紀，化學(xué)家和物理學(xué)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(zhì)的這些基本單元的研究方法主要是在物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)中發(fā)展起來的。然而，當時這些新方法還未對古老化學(xué)及時地顯示出其重要性。以后，情況發(fā)生了變化，放射性發(fā)現(xiàn)對原子結(jié)構(gòu)的認識有很大貢獻;數(shù)學(xué)、物理對許多經(jīng)典問題(如溶液性質(zhì)、反應(yīng)動力學(xué)的統(tǒng)計解釋等)取得了成功;新實驗方法的發(fā)現(xiàn)及其進展，使以前難為掌握的知識現(xiàn)在成為可能;特別重要的是，與量子論相聯(lián)系的實驗和理論對化學(xué)和物理學(xué)的發(fā)展都有其深遠的影響。近年來化學(xué)和物理的發(fā)展證明，把數(shù)學(xué)的嚴格邏輯方法用到化學(xué)問題上，其結(jié)果與應(yīng)用到物理的問題上同樣有效?！?/p>
過了50年，也就是到1983年，由于編輯部的人事更替，在《化學(xué)物理雜志》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(xué)會化學(xué)物理學(xué)部的一段，這正好補充了雜志1933年創(chuàng)刊時期的一些背景情況，其大意是：1933年化學(xué)和物理學(xué)邊緣領(lǐng)域正處在定量描述的革命時期，那時量子力學(xué)已經(jīng)成為分子光譜和分子結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ);統(tǒng)計力學(xué)已經(jīng)成為復(fù)雜系統(tǒng)在微觀層次上的處理方法，而量子統(tǒng)計這時開始把原子、分子系統(tǒng)的量子力學(xué)描述和宏觀系統(tǒng)的熱力學(xué)描述溝通起來。然而，這個轉(zhuǎn)變并沒有得到當時物理化學(xué)界科學(xué)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(xué)雜志》更傾向于物理和數(shù)學(xué)的雜志，于是，《化學(xué)物理雜志》便應(yīng)用而生了，它的誕生正好把《物理雜志》和《化學(xué)雜志》的中間缺口銜接起來?！痹谶@里順便指出，《物理化學(xué)雜志》是在建立了熱力學(xué)分子論以后，在量子力學(xué)開創(chuàng)之前的1896年創(chuàng)刊的。
發(fā)展
化學(xué)物理學(xué)誕生以后，發(fā)展極為迅速。到1939年，一部由斯萊特著的《化學(xué)物理引論》出版，這本基礎(chǔ)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著重說明化學(xué)物理是一門交叉學(xué)科，他說：“物理和化學(xué)分離開可能是件不幸的事?；瘜W(xué)是原子及原子之間結(jié)合方式的科學(xué)。物理則涉及的是原子間的力和這些力所產(chǎn)生的物質(zhì)大尺度的性能。過去，因為化學(xué)是非數(shù)學(xué)的經(jīng)驗性科學(xué)，而物理學(xué)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(xué)遠遠分離。隨后，由于傳統(tǒng)力學(xué)和分子論的建立，物理化學(xué)進一步的發(fā)展，才使這兩門科學(xué)開始靠攏到在一起。不久，量子論和波動力學(xué)誕生了，它們對原子間的相互作用作了成功的解釋，這時沒有什么方法再使化學(xué)和物理繼續(xù)分離下去。但是，化學(xué)和物理這時在實驗上、方法上仍有很大差別：化學(xué)家習(xí)慣在試管中處理反應(yīng)物(如配溶液、沉淀、過濾、蒸發(fā)等);而物理學(xué)家測量任何物理量都要用電流計和分光鏡。但隨著越來越多物理儀器進入化學(xué)實驗室，它們僅在這方面的區(qū)別也即消失了?！瓋砷T科學(xué)有廣闊共同的研究領(lǐng)域。這一點希望大家能認識得越早越好。鑒于物理化學(xué)這個名詞已先被占用，現(xiàn)在又找不到一個更好的名詞，因而才稱這個共同的研究領(lǐng)域為《化學(xué)物理》?！緯褪菍@個領(lǐng)域中的一些內(nèi)容做一嘗試性的介紹?！?/p>
斯萊特在其表述了《化學(xué)物理引論》要達到預(yù)期目的――補充化學(xué)和物理之間所出現(xiàn)的缺口之后，還特別強調(diào)了交叉學(xué)科對培養(yǎng)科學(xué)人才的重要性，他說：“化學(xué)和物理之所以產(chǎn)生缺口，主是由于傳統(tǒng)訓(xùn)練所造成的結(jié)果，其結(jié)果造成他們幾乎不能真正勝任任何一個化學(xué)物理分支的工作。如果培養(yǎng)下一代科學(xué)人才，首先使他們在經(jīng)驗化學(xué)、物理化學(xué)、冶金學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)上得到訓(xùn)練;其次在理論物理，包括力學(xué)、電磁理論，特別是在量子論、波動力學(xué)、原子和分子結(jié)構(gòu)上受到培養(yǎng);最后在熱力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)以及我們稱之為化學(xué)物理學(xué)上也得到訓(xùn)練，那他們將比現(xiàn)在只受到化學(xué)，或只受到物理訓(xùn)練的人，能成為更好的科學(xué)家?！?/p>
順便指出，斯萊特對美國材料科學(xué)的理論基礎(chǔ)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(lián)系。因為化學(xué)物理學(xué)與材料科學(xué)是有密切關(guān)系的。
研究內(nèi)容
化學(xué)物理的內(nèi)容一般是由組成它的交叉學(xué)科的性質(zhì)所確定，但其研究范圍可能隨著學(xué)科的具體進展屆時還有所變化。
普里高京在為從1958年創(chuàng)刊至今仍在出版的《化學(xué)物理進展》的引言(直到第50巻才更換)中寫道：由于研究問題的多樣性，如化學(xué)動力學(xué)、分子物理、分子光譜學(xué)、輸運過程、熱力學(xué)、物理狀態(tài)的研究以及實驗方法的多樣性等問題，促使化學(xué)物理取得了巨大的進展。他還說：“盡管由于這種多樣性所造成的困難，使其很難嚴格規(guī)定出化學(xué)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(guān)的，且其行為又與由原子、分子所組成的統(tǒng)計系統(tǒng)的行為聯(lián)系在一起。本書專門刊載這種具有現(xiàn)代化學(xué)物理學(xué)標志的一類文章?！?/p>
美國科學(xué)院1973出版的《物理學(xué)透視》一書，把以下問題列為化學(xué)物理的研究范圍：關(guān)于原子、分子波函數(shù)的理論;原子和分子的光譜學(xué)(從射頻到 射線某側(cè)面);化學(xué)動力學(xué)及碰撞過程(如熱原子化學(xué)、輻照損傷、量級在103―104電子伏范圍內(nèi)的原子和電子碰撞過程);液體結(jié)構(gòu)的全部領(lǐng)域;高分子聚合物;平衡態(tài)及輸運理論的統(tǒng)計力學(xué);分子晶體或其他類型晶體中的某些性能;物質(zhì)各態(tài)(超流體、超導(dǎo)體和等離子體可能除外)的本構(gòu)熱力學(xué)性能;利用激光研究物質(zhì)(如非線性等);激光的工作機制(相干光的光學(xué)性能除外)。下面列出的研究領(lǐng)域雖然民在化學(xué)和物理學(xué)的交界面上，但通常它們不屬于化學(xué)物理。這些領(lǐng)域包括：離子晶體、金屬晶體、共價晶體和其他具有周期結(jié)構(gòu)性能的晶體、無定型材料(如玻璃和半導(dǎo)體);元素起源、核物理中的核能譜學(xué)及核反應(yīng);超導(dǎo)體及其微觀解釋以及具有特殊性能的超導(dǎo)材料的開發(fā)。應(yīng)該說明的是，西歐和日本的劃分方法與美國有些不同，上面有些領(lǐng)域它們是列到純粹物理學(xué)領(lǐng)域。當然，這僅僅是美國科學(xué)院在70年代初對化學(xué)物理學(xué)研究內(nèi)容所做的粗略描述，我們相信，目前它的內(nèi)容可能又增加了一些。
《化學(xué)物理雜志》從一創(chuàng)刊就對其內(nèi)容采取了靈活適應(yīng)的編輯方法，以便使刊物能反映出這個學(xué)科每年新進展的情況。近年來，這個刊物對化學(xué)物理進行了分類安排，1983年分為如下五類：光譜學(xué)和光散射;分子相互作用及其反應(yīng)、散射及光化學(xué);量子化學(xué)及分子結(jié)構(gòu)的電子理論;統(tǒng)計力學(xué)和熱力學(xué);高分子聚合物、物質(zhì)表面以及一般的化學(xué)物理。
研究意義
從以上闡述化學(xué)物理誕生及其發(fā)展的幾段引文中，我們概括出以下兩點認識，第一，隨著人們對核外現(xiàn)象認識的不斷深入及其理論在各個領(lǐng)域的成功應(yīng)用，化學(xué)和物理學(xué)進而發(fā)展為化學(xué)物理學(xué)，這是科學(xué)發(fā)展的一個必然趨勢;第二，培養(yǎng)科技人才，特別是在其觀點和方法的培養(yǎng)上，把化學(xué)和物理學(xué)的訓(xùn)練提高到一個新的標準――化學(xué)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說明。
關(guān)于復(fù)印機中光復(fù)寫材料的研制問題，其思想線索是：從化學(xué)鍵量子論的基本概念出發(fā)――經(jīng)過電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物的化學(xué)想象―――到對光敏材料電導(dǎo)性的認識。這是一個既需要現(xiàn)代物理又需要現(xiàn)代化學(xué)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：這種材料要在屬于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(xué)透視》第二巻)。
關(guān)于物質(zhì)表面的問題，莫里森在他所著的《表面的化學(xué)物理學(xué)》一書的序言中說：“研究表面的電子及光的物理性能，研究表面的化學(xué)活性，從這兩方面入手所得到的結(jié)果和理論，對建立一個現(xiàn)實的表面模型，是互為補充的。對表面進行跨學(xué)科的探討，能導(dǎo)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(xué)或表面物理分類。具體地說，近來新實驗技術(shù)和量子力學(xué)模型對固體表面電子能級(成鍵軌道)的性質(zhì)已經(jīng)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(xué)模型和物理學(xué)模型進行調(diào)和，并使其致?！边@里所指的化學(xué)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(diào)了表面原子和其鄰近原子的作用，而忽略了固體能帶的結(jié)構(gòu)。表面能級強調(diào)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(jié)。計算機的出現(xiàn)使計算方法發(fā)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表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(xué)物理學(xué)和多相催化反應(yīng)》一書中對表面問題也有其論述，他們在序言中說：“為了制備單晶固體表面和研究其吸附現(xiàn)象，近年來發(fā)展了很多復(fù)雜技術(shù)，這使我們對表面的化學(xué)組成、表面局部結(jié)構(gòu)和排列(被吸附物的配準及其有序無序現(xiàn)象)、清潔表面與被吸附層的電子結(jié)構(gòu)能作觀察，因而對表面的結(jié)合性質(zhì)和強度以及對吸附、去吸附和表面催化的反應(yīng)動力學(xué)及其機制的認識大有增進。目前，已經(jīng)出版的很多書籍和總結(jié)文集都敘述了這些技術(shù)及其進展的情況。但對這些技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用和由此而提供給表面吸附和反應(yīng)過程的真正了解則總結(jié)得遠遠不夠……不久以前，對于明確規(guī)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(yè)催化問題的聯(lián)系似為期尚遠。但在這套書中我們希望說明，化學(xué)家、物理學(xué)家和冶金學(xué)家最近的工作已經(jīng)導(dǎo)致了這一學(xué)科的良好成長：即化學(xué)吸附和多相催化的理論已被建立在堅固的物理基礎(chǔ)之上，或者說它們之間的聯(lián)系已經(jīng)確立。通過上面的例子我們不僅可以認識化學(xué)物理學(xué)的意義，也可以體會到化學(xué)物理學(xué)有強大的生命力。
