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'''量子化学'''（りょうしかがく、{{lang-en-short|quantum chemistry}}）とは[[理論化学]]（[[物理化学]]）の一分野で、[[量子力学]]の諸原理を[[化学]]の諸問題に適用し、[[原子]]と[[電子]]の振る舞いから[[分子構造]]や[[物性]]あるいは[[化学反応|反応性]]を理論的に説明づける学問分野である。

== 研究対象 ==
量子化学はその黎明期において、[[分子構造]]と[[化学結合]]の成り立ちについて理論的解明と分子構造に起因する分光学的物性の理解に重要な寄与を与えている。実際の分子を量子化学で理解することは、多数の[[電子]]と[[原子核]]とから構成される[[多体問題]]の[[波動方程式]]の解を求めることに相当する。[[計算化学]]が発達していない当時としては、量子化学の学問領域を展開する為に、分子構造モデルを簡素化する多種多様の近似法が模索された。また波動方程式の解を求める場面においても、[[摂動論]]と[[変分法]]による近似を利用した。したがって当時の量子化学は定性的な予測をするのにとどまっていた。とは言うものの、量子化学によりそれまでは理論的説明付けが困難であった、[[分光学|分子分光学]]の[[紫外可視分光法|電子スペクトル]]、[[振動スペクトル]]、[[回転スペクトル]]、[[核磁気共鳴|核磁気共鳴スペクトル]]などの性質と分子構造と関連付け、[[共有結合]]や[[分子間力]]の原理の解明、[[フロンティア軌道理論]]を代表とする半定性的な化学反応の理解など、他の化学分野への貢献は大きなものがあった。

[[1980年代]]以降の急速な[[コンピュータ]]の処理速度の増大と[[情報工学|計算機科学]]の発展とは[[計算化学]]にも波及し、変分法より発展した[[第一原理計算]]法により精密な解を求めることを可能にした。近年においては量子化学により化学結合と分子の微細構造との関連、分子間相互作用や励起状態の解明、反応のポテンシャルエネルギー面を予測することで化学反応の特性を予測するなど定量的な予測が可能になった。同時に量子化学の適用対象も簡単なモデル化した分子だけではなく、実際の[[有機化合物]]、[[錯体]]化合物、[[高分子]]・生体関連物質、固体表面での[[界面化学]]の解析など多種多様の化学分野に及んでいる。

== 歴史 ==
その発展の歴史を、量子力学の発展の歴史と切り離して述べることはできない。なぜなら化学は原子・分子といったミクロな粒子を取り扱う学問であり、そのような粒子を取り扱うことができる学問として量子力学が誕生したからである。

[[1926年]]に[[エルヴィン・シュレーディンガー]]が[[シュレーディンガー方程式]]を発表すると、翌[[1927年]]に[[ヴァルター・ハイトラー]]と[[フリッツ・ロンドン]]らはそれを[[水素分子]]へ適用し[[共有結合]]の説明に成功した<ref>Heitler, W. and London, F., Zeit. Physik, 44, 455 (1927).</ref>。この[[ハイトラー-ロンドン理論]]はその後[[ジョン・スレーター]]と[[ライナス・ポーリング]]らによって[[原子価結合法]]（valence bond, VB法）へと発展する。

[[化学結合]]を取り扱う別の方法として、[[フリードリッヒ・フント]]と[[ロバート・マリケン]]らにより[[分子軌道法]]（molecular orbital, MO法）が生み出された。

VB法とMO法を改良したものには、それぞれ{{仮リンク|一般化原子価結合法|en|Generalized valence bond}}（GVB法）と[[配置間相互作用|配置間相互作用法]]（CI法）が知られている。これらの改良した形式では、VB法はMO法を、MO法はVB法を陰に含んでいる。したがって真の波動関数に対する近似として、両者はスタート地点が異なるものの、相補的といえる関係になっている。ただし計算精度と扱いの簡便さから、現在ではVB法よりもMO法がよく用いられる。

== 基本的な問題 ==
量子化学者にとっての基本的な問題は、自分が研究対象としている[[系]]を記述する[[ハミルトニアン]]の[[エネルギー固有値|固有値]]と[[固有関数]]([[波動関数]])を手に入れることである。しかし、これはそのままの形では解くことが難しい。そこで考え出されたのが、[[ハートリー-フォック方程式]]であり、その後の分子軌道法は大きく発展することとなる。[[密度汎関数理論|簡約密度関数]]によるアプローチも試みられている。

== ポール・ディラックの言葉 ==
{{Cquote|「物理の大部分と化学の全体を数学的に取り扱うために必要な基本的法則は完全にわかっている。これらの法則を適用すると複雑すぎて解くことのできない方程式に行き着いてしまうことだけが困難なのである。」<br/>
"The fundamental laws necessary for the mathematical treatment of large parts
of physics and the whole chemistry are thus fully known, and the difficulty lies
only in the fact that application of these laws leads to equations that are
too complex to be solved."|4=[[ポール・ディラック]]、1929年<ref>Proc. Roy. Soc. （London）, '''A123''', 714 （1929）</ref>}}

== 計算化学の誕生 ==
近年の計算機の速度の向上によって、[[計算化学]]という新しい学問分野をも生み出した。

== 脚注 ==
{{Reflist}}

== 参考文献 ==
* 原田 義也, 「量子化学(上)(下)」, 裳華房, (2007).

== 関連項目 ==
{{ウィキポータルリンク|化学|[[File:Nuvola apps edu science.svg|32px|ウィキポータル 化学]]}}
* [[原子価結合法]]（VB法）
* [[分子軌道法]]（MO法）
* [[量子化学的手法]]
* [[第一原理計算]]
* [[分子軌道]]
* [[原子軌道]]

{{化学}}

{{DEFAULTSORT:りようしかかく}}
[[Category:量子化学|*]]