Fizik, maddeyi, maddenin uzay-zaman içinde hareketini, enerji ve kuvvetleri inceleyen doğa bilimi. Fizik, Temel Bilimler'den biridir. Temel amacı evrenin işleyişini araştırmaktır. Fizik en eski bilim dallarından biridir. 16. yüzyıldan bu yana kendi sınırlarını çizmiş modern bir bilim olmasına karşın, Bilimsel Devrim'den önce iki bin sene boyunca felsefe, kimya, matematik ve biyolojinin belirli alt dalları ile eş anlamlı olarak kullanılmıştır. Buna karşın, matematiksel fizik ve kuantum kimyası gibi alanlardan dolayı fiziğin sınırlarını net olarak belirlemek güçtür.
Elektron dizilimi, atom fiziği ve kuantum kimyasında, bir atom ya da molekülün elektronlarının atomik ya da moleküler orbitallerdeki dağılımıdır. Örneğin Neon atomunun elektron dizilimi 1s2 2s2 2p6 olarak gösterilir.
Bant teorisi, bir katıdaki elektronların davranışını tanımlar. Bu teoriye göre katıda elektronlar tarafından doldurulacak sürekli enerji bantları ve elektronların bulunamayacağı enerji aralıkları bulunur. Teori elektriksel direnç ve optik absorpsiyon gibi birçok olayı açıklamada büyük yarar sağlar.
Kuantum mekaniği veya kuantum fiziği, atom altı parçacıkları inceleyen bir temel fizik dalıdır. Nicem mekaniği veya dalga mekaniği adlarıyla da anılır. Kuantum mekaniği, moleküllerin, atomların ve bunları meydana getiren elektron, proton, nötron, kuark, gluon gibi parçacıkların özelliklerini açıklamaya çalışır. Çalışma alanı, parçacıkların birbirleriyle ve ışık, x ışını, gama ışını gibi elektromanyetik ışınımlarla olan etkileşimlerini de kapsar.
Yoğun madde fiziği, maddenin yoğun hallerinin fiziksel özellikleriyle ilgilenen bir fizik dalıdır. Yoğun madde fizikçileri bu hallerin davranışını fizik kurallarını kullanarak anlamaya çalışır. Bunlar özellikle kuantum mekaniği kuralları, elektromanyetizma ve istatistiksel mekaniği içerir. En bilinen yoğun fazlar katı ve sıvılardır, harici yoğun fazlar ise düşük sıcaklıktaki bazı materyaller tarafından gösterilen üstünileten faz, atom kafeslerindeki dönüşlerin ferromanyetik ve antiferromanyetik fazları ve soğuk atom sistemlerinde bulunan Bose-Einstein yoğunlaşması. Araştırma için uygun sistemlerin ve fenomenlerin çeşitliliği yoğun madde fiziğini modern fiziğinin en aktif alanı yapıyor. Her 3 Amerikan fizikçiden biri kendini yoğun madde fizikçisi olarak tanımlıyor ve Yoğun Madde Fiziği Bölümü Amerikan Fizik Topluluğu’ndaki en geniş bölümdür. Bu alan kimya, malzeme bilimi ve nano teknoloji ile örtüşür ve atom fiziği ve biyofizikle de yakından ilgilidir. Teorik yoğun madde fiziği teorik parçacık ve nükleer fizikle önemli kavramlar paylaşır.
Kuantum Kimyası diğer adıyla Yeni Nicem, Kuantum mekaniğinin atom ve moleküllere uygulanması ile ilgilenen Kimya altdalıdır. Temel bir dal, yani saf Kimya olan Kuantum Mekaniği'nin bir uygulaması olduğundan uygulamalı Kimya dalı olarak değerlendirilebilir. Kuantum Kimyası'nda Schrödinger, Dirac, vb dalga denklemlerinin çözümüyle ilgilenilir. Ancak genellikle en çok tercih edilen, EM alan yokluğunda, spinsiz ve rölativistik olmayan Schrödinger denkleminin çözümüdür. Tek elektronlu sistemler dışında Schrödinger denklemi analitik olarak çözülemediğinden, çok elektronlu sistemler için nümerik çözümler yapılır. Kuantum Kimyası'nda bu nümerik çözümleri yapmak üzere çeşitli yöntemler vardır. Bunlar;
- Sıfırdan teorik yöntemler
- Yarı-ampirik yöntemler
- Yoğunluk fonksiyoneli yöntemleri
Deneysel verilerin kullanılmadığı, teorik ilkeler üzerine kurulu kuantum kimyasal hesaplamalara ab initio denir. Ab initio yönteminde genellikle karmaşık bir fonksiyonun daha basit fonksiyonlara indirgenmesi gibi matematiksel yaklaşımlar kullanılır.
Hesaplamalı fizik, fizik sorunlarını çözebilmek için sayısal algoritmaların üretilmesi ve gerçeklenmesini içerir. Genelde kuramsal fizikin bir alt dalı olarak değerlendirilir ancak bazen de kuramsal ve deneysel fizik arasında orta bir dal olarak da düşünülür.
Kuantum mekaniğine göre atomik orbital, elektronların atom çekirdeği etrafındaki konumunu ve dalga-benzeri özelliklerini tanımlayan bir matematiksel fonksiyondur. Elektronun atom çekirdeği etrafındaki belirli bir bölgede bulunma olasılığı bu fonksiyon aracılığı ile hesaplanabilir. Fizikte atomik, kimyada orbital olarak geçer.
Yoğunluk fonksiyonları teorisi ya da yoğunluk fonksiyoneli teorisi, 1927’de Thomas ve Fermi'nin birbirlerinden bağımsız olarak geliştirdikleri bir teoridir. Bu bilim insanlarının çalışmalarını temel alan Hohenberg ve Kohn teoremleri ve onun devamı olan Kohn–Sham teoremleri, yoğunluk fonksiyonu teorisinin temelini oluşturdu. Yoğunluk fonksiyoneli teorisi, hesapsal kuantum mekanik modelleme metodudur. Bu metot, fizik, kimya ve malzeme bilimlerinde, özel bir atomun, molekülün veya yoğunlaştırılmış fazın elektronik yapıyısını incelemede kullanılır. Bu teoride, çok elektronlu sistemlerin özellikleri, fonksiyonellerle tanımlanır.
Katı hal fiziğinde, bir katının elektron kuşak yapısı ; katıdaki bir elektronun sahip olabileceği enerji aralıkları ya da sahip olamayacağı enerji aralıkları olarak tanımlanır. Enerji bant teorisi bu bant ve bant boşluklarını atom veya moleküllerin büyük periyodik kafeslerindeki bir elektron için, izinli kuantum mekaniksel dalga fonksiyonlarını inceleyerek çıkarır. Bant teorisi katıların birçok fiziksel özelliklerini; örneğin elektriksel direnç ve optik soğurum gibi, açıklamak için başarılı bir biçimde kullanılmaktadır ve katı hal cihazları anlamanın temelini oluşturmaktadır.
Atomik, moleküler ve optik fizik, bir ya da birkaç atomun ölçeğinde, madde-madde ve ışık-madde etkileşimi çalışmadır ve enerji, birkaç elektron voltları etrafında ölçeklenir. Üç alanla yakından ilişkilidir. AMO teorisi, klasik, yarı klasik ve kuantum işlemlerini kapsar. Tipik olarak, teori ve emisyon uygulamaları, elektromanyetik yayılım ve emilme, spektroskopi analizi, lazer ve mazerlerin kuşağı ve genel olarak maddenin optik özellikleri, uyarılmış atom ve moleküllerden, bu kategorilere ayrılır.
John C. Slater, atomların, moleküllerin ve cisimlerin elektronik yapısı teorisine büyük katkılar yapmış önemli bir Amerikalı fizikçidir. Bu çalışma kimyanın yanı sıra fiziğin birçok dalında devam eden bir önem arz eder. Slater ayrıca mikrodalga elektroniğine de önemli katkılar yapmıştır. 1920'de Rochester Üniversitesi Fen Fakültesinden mezun olmuş, 1923'te Harvard’da fizik üzerine doktora yapmıştır; ardından Cambridge ve Copenhagen üniversitelerinde doktora sonrası çalışma yapmıştır. ABD'ye dönüşü ile birlikte Harvard Fizik Bölümüne katılmıştır.
Hesaplamalı kimya, kimya problemlerini çözmeye yardımcı olmak için bilgisayar simülasyonunu kullanan bir kimya dalıdır. Moleküllerin, katıların yapı ve özelliklerini hesaplamak için verimli bilgisayar programlarına dahil edilmiş teorik kimya yöntemlerini kullanır. Bu yöntemlerin kullanılmasının nedeni, hidrojen moleküler iyonu ile ilgili nispeten yeni sonuçlar dışında, kuantum çok-gövdeli(many-body) problemlerin analitik olarak çözülemez oluşudur. Hesaplama sonuçları normal olarak kimyasal deneylerle elde edilen bilgileri tamamlarken, bazı durumlarda gözlemlenmeyen kimyasal olayları da tahmin edebilmektedir. Yeni ilaç ve materyallerin tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Kuantum kimyası bilgisayar programları, kuantum kimyası metodlarını uygulamak için bilgisayarlı kimyada kullanılır. Çoğu program, Hartree-Fock (HF) ve bazı post Hartree-Fock yöntemlerini içerir ve ayrıca yoğunluk fonksiyonları teorisi (DFT), moleküler mekanik veya yarı-ampirik kuantum kimyası metotlarını da içerebilirler. Bahsi geçen programlar arasında açık kaynaklı ve ticari yazılımlar bulunur. Bunların çoğu büyüktür, çoğu zaman birkaç ayrı program içerir ve uzun yıllar boyunca geliştirilmiştir.
Spartan, Wavefunction'ın moleküler modelleme ve bilgisayarlı kimya uygulamasıdır. Moleküler mekanik, yarı-ampirik yöntemler, ab initio modeller, yoğunluklu fonksiyonel modeller, post Hartree-Fock modeller, G3 (MP2) ve T1 içeren termokimyasal tarifler için kodlar içerir.
Gaussian ilk kez Gauss 70 adında 1970 yılında Carnegie Mellon Üniversitesi'ndeki John Pople ve araştırma grubu tarafından yayınlanan genel amaçlı bilgisayarlı kimya yazılım paketi. 1970'ten beri sürekli olarak güncellendi. Programın güncel sürümü Gaussian 16'dır. Başlangıçta Quantum Chemistry Program Exchange aracılığıyla yayınlanan program, daha sonra Carnegie Mellon Üniversitesi'ne lisanslanmıştır ve 1987'den beri Gaussian, Inc. tarafından geliştirilmiştir.
Moleküler mekanik moleküler sistemleri modellemek için klasik mekaniği kullanır. Born-Oppenheimer yaklaşımının geçerli olduğu varsayılır ve tüm sistemlerin potansiyel enerjisi, kuvvet alanları kullanılarak nükleer koordinatların bir fonksiyonu olarak hesaplanır. Moleküler mekanik, boyutu birkaç atom büyüklüğünde olan sistemlerden tutun da milyonlarca atomdan oluşan büyük sistemlere kadar uygulanabilir.
Teorik ve hesaplamalı kimyada temel seti, Hartree Fock yöntemi veya yoğunluk fonksiyonel teorisinde kullanılan bir dizi fonksiyondur. Temel setleri Hartree Fock yöntemi veya yoğunluk fonksiyonel teorisindeki elektronik dalga fonksiyonunu temsil etmeyi amaçlarlar. Modelin kısmi diferansiyel denklemlerinin bilgisayarda verimli uygulanması amacı ile uygun cebirsel denklemlere dönüştürülmesinde kullanılırlar.
Atom fiziğinde, etkin nükleer yük, çok elektronlu bir atomda bir elektronun yaşadığı gerçek pozitif (nükleer) yük miktarıdır. "Etkili" terimi, negatif yüklü elektronların koruyucu etkisi, daha yüksek enerjili elektronların, iç katmanın itici etkisi nedeniyle çekirdeğin tam nükleer yükünü deneyimlemesini engellediği için kullanılır. Bir elektronun deneyimlediği etkin nükleer yüke çekirdek yükü de denir. Atomun oksidasyon sayısı ile nükleer yükün gücünü belirlemek mümkündür. Elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin çoğu, elektronik konfigürasyon temelinde açıklanabilir. İyonlaşma enerjilerinin davranışını düşününperiyodik tabloda. İyonizasyon potansiyelinin büyüklüğünün aşağıdaki faktörlere bağlı olduğu bilinmektedir:
- atomun boyutu;
- nükleer yük;
- İç kabukların eleme etkisi ve
- En dıştaki elektronun, içteki elektron tarafından kurulan yük bulutuna nüfuz etme derecesi.