化學(xué)研究中的突變論的理論方法
化學(xué)先生 / 2019-08-20
突變論實(shí)際上是研究相變的種數(shù)學(xué) 方法，它并不是對所有相變都進(jìn)行處理，而是對那些以前難以描述的突發(fā)式相變做出了數(shù)學(xué)描述。要了解突變論的理論方法，首先應(yīng)對相和相變有所了解。
人類對相和相變的研究已有 一個多世紀(jì)了。 1869 年安德魯斯發(fā)現(xiàn)了相變的臨界點(diǎn).1873年范德瓦爾斯提出了非理想氣體的狀態(tài)方程,1911年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，1957年對這種現(xiàn)象做出了正確說明。原蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道(1908一1968)對凝聚物質(zhì)以及相和相變有精深的了解。1962 年，朗道因?qū)δ畚锢砝碚摰难芯?特別是對液態(tài)氨的研究和對相變理論的貢獻(xiàn)，獲得了諾貝爾獎。事過20年之后,1982年，著名科學(xué)家肯在恩，威爾遜(K. G. Wilsan)又因研究普遍用于處理相變問題和臨界現(xiàn)象的理論，榮獲了諾貝爾獎。由此可見，相和相變直是物理化學(xué)研究的重要 領(lǐng)城。
物理化學(xué)中所 指的相，系指那些有相同成分及相同物理化學(xué)性質(zhì)的均勻的物質(zhì)部分，各相之間需有明顯可分的界面。如空氣是一個相,水和冰是兩個相，水、冰、水蒸氣是三個相，水和乙醚是兩個液相，兩塊晶形相同的硫黃是一個固相，兩塊晶形不同的硫黃則是兩個固相(如斜方晶形和單斜晶形)。物理化學(xué)中所說的相變則是指物質(zhì)系統(tǒng)之間各相的相互轉(zhuǎn)變，如固、液、氣三相的轉(zhuǎn)變，同素異形體之間的相互轉(zhuǎn)變(如石墨與金剛石的轉(zhuǎn)變)。相變主要又分為平衡相變和非平衡相變。在平衡相變中,當(dāng)多相存在達(dá)成平衡時，各相間相互轉(zhuǎn)化，舊相消失，新相產(chǎn)生,均與溫度、壓力、濃度等因素有極為密切的關(guān)系。早期的相變理論，主要研究平衡態(tài)，而且只研究始態(tài)和末態(tài)的宏觀變化很少注意其微觀機(jī)制。近30年來，才把這種研究從宏觀推向徽觀，從靜態(tài)推向動態(tài)，從平衡態(tài)推向非平衡態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)理論和協(xié)同學(xué)，逐步定量地揭示了這過程的機(jī)制和原因，并提出用數(shù)學(xué)方法來描述這-過程，這些理論方法為物理化學(xué)相變的深人研究提供了武器。
威爾遜曾提出“重整化群”的理論方法用來描述物理化學(xué)中復(fù)雜相變的過程。這一理論克服了描述有復(fù)雜因素相互作用的系統(tǒng)相變的困難，為相變的研究提供了種新的理論方法。
當(dāng)代，對于突變現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)學(xué)描述最引人注目的理論方法，首推法國數(shù)學(xué)家勒內(nèi)·托姆(Rene Thom)創(chuàng)立的突變理論。
勒內(nèi)·托姆是一位享有盛名的數(shù)學(xué)家，曾榮獲國際數(shù)學(xué)的最高獎一一菲爾茲獎。1972年托姆出版了《結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和形態(tài)發(fā)生學(xué)》一書，系統(tǒng)地闡明了他的突變理論。他證明，系統(tǒng)發(fā)生相變時，當(dāng)控制因子(參數(shù))不超過5個時，總共可以有11種突變類型:當(dāng)因子的個數(shù)不超過4個時,則共有7種突變類型，即折疊型尖頂型、燕尾型、蝴蝶型、雙曲臍型、橢圓臍型和拋物臍型等。數(shù)學(xué)的突變理論的誕生，為物理化學(xué)和其他學(xué)科描述復(fù)雜系統(tǒng)的突變過程，提供了一個有力的辯證輔助工具.同時也為人們提供了一種富有開拓性的思想方法引起科學(xué)家的濃厚興趣。例如，這種理論方法可以用于處理化學(xué)耗散和化學(xué)振蕩的問題。數(shù)學(xué)中的突變論和分支點(diǎn)理論，為我們研究復(fù)雜的化學(xué)問題提供了新的方法。
用系統(tǒng)方法研究化學(xué)是一個新領(lǐng)域，涉及的問題既展現(xiàn)出光明的前途，又有一定困難。因此，不提出一個具體的研究模式和方法，難以說清楚。
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