化学研究中的突变论的理论方法

化学先生 / 2019-08-20

    突变论实际上是研究相变的种数学 方法，它并不是对所有相变都进行处理，而是对那些以前难以描述的突发式相变做出了数学描述。要了解突变论的理论方法，首先应对相和相变有所了解。

    人类对相和相变的研究已有 一个多世纪了。 1869 年安德鲁斯发现了相变的临界点.1873年范德瓦尔斯提出了非理想气体的状态方程,1911年科学家发现了超导现象，1957年对这种现象做出了正确说明。原苏联物理学家朗道(1908一1968)对凝聚物质以及相和相变有精深的了解。1962 年，朗道因对凝聚物理理论的研究,特别是对液态氨的研究和对相变理论的贡献，获得了诺贝尔奖。事过20年之后,1982年，著名科学家肯在恩，威尔逊(K. G. Wilsan)又因研究普遍用于处理相变问题和临界现象的理论，荣获了诺贝尔奖。由此可见，相和相变直是物理化学研究的重要 领城。

    物理化学中所 指的相，系指那些有相同成分及相同物理化学性质的均匀的物质部分，各相之间需有明显可分的界面。如空气是一个相,水和冰是两个相，水、冰、水蒸气是三个相，水和乙醚是两个液相，两块晶形相同的硫黄是一个固相，两块晶形不同的硫黄则是两个固相(如斜方晶形和单斜晶形)。物理化学中所说的相变则是指物质系统之间各相的相互转变，如固、液、气三相的转变，同素异形体之间的相互转变(如石墨与金刚石的转变)。相变主要又分为平衡相变和非平衡相变。在平衡相变中,当多相存在达成平衡时，各相间相互转化，旧相消失，新相产生,均与温度、压力、浓度等因素有极为密切的关系。早期的相变理论，主要研究平衡态，而且只研究始态和末态的宏观变化很少注意其微观机制。近30年来，才把这种研究从宏观推向徽观，从静态推向动态，从平衡态推向非平衡态。耗散结构理论和协同学，逐步定量地揭示了这过程的机制和原因，并提出用数学方法来描述这-过程，这些理论方法为物理化学相变的深人研究提供了武器。

    威尔逊曾提出“重整化群”的理论方法用来描述物理化学中复杂相变的过程。这一理论克服了描述有复杂因素相互作用的系统相变的困难，为相变的研究提供了种新的理论方法。

    当代，对于突变现象进行数学描述最引人注目的理论方法，首推法国数学家勒内·托姆(Rene Thom)创立的突变理论。

    勒内·托姆是一位享有盛名的数学家，曾荣获国际数学的最高奖一一菲尔兹奖。1972年托姆出版了《结构稳定性和形态发生学》一书，系统地阐明了他的突变理论。他证明，系统发生相变时，当控制因子(参数)不超过5个时，总共可以有11种突变类型:当因子的个数不超过4个时,则共有7种突变类型，即折叠型尖顶型、燕尾型、蝴蝶型、双曲脐型、椭圆脐型和抛物脐型等。数学的突变理论的诞生，为物理化学和其他学科描述复杂系统的突变过程，提供了一个有力的辩证辅助工具.同时也为人们提供了一种富有 开拓性的思想方法引起科学家的浓厚兴趣。例如，这种理论方法可以用于处理化学耗散和化学振荡的问题。数学中的突变论和分支点理论，为我们研究复杂的化学问题提供了新的方法。

    用系统方法研究化学是一个新领域，涉及的问题既展现出光明的前途，又有一定困难。因此，不提出一个具体的研究模式和方法，难以说清楚。