化學與物理學的比較

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瑪麗·居禮是唯一一位獲得諾貝爾化學獎和物理學獎的人。

化學物理學都是科學當中研究物質的分支,兩者的分別在於其研究範圍和方法。化學家和物理學家受不同的訓練,而他們縱然會在同一團隊工作,但肩負起不同的責任。在一些同時牽涉化學和物理學的項目,兩者的分別不甚明顯,例如:物理化學化學物理學量子力學原子核物理學核化學材料科學光譜學固態物理學晶體學奈米科技

研究範圍[編輯]

在研究有關地球上常見物質、由電子構成的物質及由質子和中子構成的原子核時,物理學和化學可能會重疊。然而,從另一角度來講,化學又與一些其他形式的物質無關,例如夸克、μ子、τ子、暗物質,它們並不參與物質的轉換,也不能在通常的地麵條件下觀察到。

雖然掌控物質行為的基本定律在化學與物理學中都適用,但這兩門學科卻是完全不同的。物理是從宏觀角度(整個宇宙)到微觀角度(亞原子粒子)來觀察自然的。所有可觀測的自然(或人為)現象都會遵從物理學中研究的最基本原則。[1][2]

物理學研究物理現象中的基本原則、自然界的基本力,以及空間與時間。物理學也會研究能解釋物質與能量的基本原則,並從最基本原則出發,研究原子物質的方方面面。

化學則注重於物質相互反應及能量轉化的方式(如熱與光)。[3][4] 物質的變化(化學反應)及合成是化學的中心,並由此引出諸如有機官能團、化學反應速率定律的概念。化學也在宏觀角度研究物質的性質(例如天體化學)及物質的反應(例如工業化學),但通常解釋與預測又要回歸到底層的原子結構,這相對於其他科學更著重於分子識別的方式及其轉換機制。

化學並非物理學的一門子學科,因為化學無論在研究方法、著重點(研究範圍),還是在其研究者的訓練上都與物理學存在差異。在化學或物理學中習得的知識既可被直接應用(作為應用科學),也可用於加深我們對自然某些方面的了解。

研究方法[編輯]

雖然物理學與化學都與物質和能量的互動有關,這兩門學科在研究方法上卻有所不同。在物理學中,往往不關心某種具體的物質,而關心不同材料的共同性質。[5][6] 例如,在光學中,材料用各自的折射率來描述,擁有相同折射率的材料也會有相同的性質。而化學則注重於樣本中存在什麼成分,並探索改變分子結構會如何改變其活性和物理性質。[7]

理論在這兩門學科中擔當的角色也不同。物理學可被分為實驗物理和理論物理。歷史上,理論物理已準確預測過當時尚不能實驗證明的現象。[8] 在化學中,理論則起到回顧的作用:總結實驗數據,並預測相似實驗的結果。[9] 然而,隨著化學中計算方法的進步,如今已經可以在沒有實驗數據的情況下預測一種假想的化合物是否穩定。

訓練[編輯]

在常見的物理專業本科課程中,物理學的子學科和數學被列為必修課程。因為關於物質、空間與時間的微分方程(如牛頓運動定律和麥克斯韋電磁學方程組)描述了物理的核心,因此學生必須熟悉微分方程。而在常見的化學專業本科課程中,了解並應用描述化學鍵和分子結構的模型,以及實驗課才是重點。重點還包括分析方法,及化學變化的公式與方程式。學生要學習數學、物理、化學,通常還要學習生物化學。在這兩個專業的課程中,有很大一部分的重疊區域(微積分、基礎物理、量子力學、熱力學)。不過,物理學更加注重基礎理論(及深入的數學解釋),而化學則側重於使用分子模型來結合理論中最重要的數學定義。兩個專業的實驗技能可能不同,學生可能需要不同的技術,這取決於課程及院校(例如,學化學的學生在實驗室里可能更多會與玻璃儀器打交道,進行蒸餾、提純,抑或接觸一些色譜-光譜儀器,而學物理的學生可能更多會用到雷射與非線性光學技術,或是一些複雜的電路)。

化學與物理學的相關職業[編輯]

據美國勞工統計局統計,截至2010年5月,共有80,000名化學家及17,000名物理學家在美國工作。[10]此外,21,000名化學家及13,500名物理學家在中學任教。化學是僅有的一門擁有產業的科學,許多化學家在這一行中工作,負責研發、生產、訓練或管理。其他雇用化學家的行業包括石油、醫藥及食品行業。雖然物理學沒有自己的產業,但是許多產業是由物理研究發展而來,如半導體及電子產業。物理學家在一些科學之外的領域也能找到工作,如金融,因為他們會給複雜的系統創造模型。[11]

化學與物理學交界的領域[編輯]

化學與物理學並無明確界限,化學家與物理學家在下列領域中合作開展研究。

參考[編輯]

  1. ^ American Physical Society. 
  2. ^ Institute of Physics. 
  3. ^ International Union of Pure and Applied Chemistry. 
  4. ^ American Chemical Society. 
  5. ^ Braid, Donald. "Doing good physics": Narrative and innovation in research. JOURNAL OF FOLKLORE RESEARCH. 2006, 43 (2): 149–. doi:10.1353/jfr.2006.0012. 
  6. ^ Manogue, Corinne A.; Cerny, L; Gire, E; Mountcastle, DB; Price, E; van Zee, EH. Upper-Division Activities That Foster "Thinking Like A Physicist". 2010 PHYSICS EDUCATION RESEARCH CONFERENCE. AIP Conference Proceedings. 2010, 1289. doi:10.1063/1.3515242. 
  7. ^ Bensaude-Vincent, Bernadette. The Chemists' Style of Thinking. BERICHTE ZUR WISSENSCHAFTSGESCHICHTE. Dec 2009, 32 (4): 365–378. doi:10.1002/bewi.200901385. 
  8. ^ Lanczos, Cornelius. ALBERT EINSTEIN AND THE ROLE OF THEORY IN CONTEMPORARY PHYSICS. American Scientist. 1959, 47 (1). JSTOR 27827245. 
  9. ^ Hoffmann, Roald. Theory in Chemistry (PDF). Chem. Eng. News. 1974, 52 (30): 19–38 [3 November 2011]. doi:10.1021/cen-v052n030.p019. [永久失效連結]
  10. ^ Bureau of Labor Statistics. United States Department of Labor. 
  11. ^ Careers outside of science. Institute of Physics. [3 November 2011].