Moleküldynamik
	von Dr. Wolfgang Quapp, Universität Leipzig
Gert D. Billing/ Kurt V. Mikkelsen: Advanced Molecular Dynamics and Chemical Kinetics. New York: John Wiley & Sons, Inc. 1997. 288 S., 198,00 DM. ISBN 0-471-12740-X.	Was passiert in Molekülen, wenn sie chemisch reagieren? Kann man die Vorgänge im Einzelnen verstehen, d.h. mit Formeln jeden Zwischenschritt exakt beschreiben? Seit dem Aufkommen der Quantenmechanik in den 20er Jahren dieses nun zuendegehenden Jahrhunderts werden derartige Ziele immer wieder formuliert: Wir wollen die Chemie verstehen, ausgehend von den 'ersten Prinzipien' der Quantentheorie. Das aus Vorlesungen und Sommerschulen der Autoren hervorgegangene vorliegende Buch ist ein schlüssiger, konsequent geradliniger Abriß der aktuellen Moleküldynamik. Aufbauend auf einigen ausführlichen Grundlagenbetrachtungen zur zweiten Quantisierung, zu effektiven Hamiltonoperatoren und semiklassischen Ansätzen werden alle gängigen Theorien der chemischen Kinetik und Moleküldynamik in einem Buch dargestellt. Dieser Anspruch ist ein Novum im gegenwärtigen, reichhaltigen Schrifttum auf diesem Gebiet (verfügbare Titelanzahl weit über 250), aber er stößt naturgemäß bei einem Umfang von nur 288 Seiten auch auf Grenzen! Im Einzelnen werden Energietransfer zu mehratomigen Molekülen und zu Festkörpern behandelt, Methoden zeitabhängiger selbstkonsistenter Felder (SCF) eingeführt, und die populären Werkzeuge der Wellenpaketpropagation und der Gittermethoden angedeutet. Nur kurz werden Potentialenergieflächen und die zugrunde liegende Born-Oppenheimer Näherung der Elektronenbewegung diskutiert. Ebenso nur kurz referiert werden Reaktionswegdefinition (genau eine Definition) und die variable Transitions-State-Theory. Ausführlicher ist die Fluß-Fluß Korrelationsmethode für chemische Reaktionen abgeleitet. Darauf aufbauend werden Phasenraum und stochastische Theorien diskutiert. In den Rahmen der zeitabhängigen Methoden paßt die Photodissoziation von Molekülen. Dichteoperatoren werden (sehr abstrakt) mittels Bewegungsgleichungen benutzt, um die Entwicklung molekularer Systeme zu beschreiben, die in ein Wärmebad eingebunden sind. Dies wird weitergetrieben zu kondensierten Phasen. Hyperpolarisierbarkeit und Magnetisierbarkeit gelöster Moleküle werden mit Response Methoden behandelt. Ebenfalls in Lösung werden schließlich noch Elektronen-Transfer-Reaktionen betrachtet und Kopplungselemente berechnet. Ladungstransfer und Protonentransfer-Reaktionen sind der Abschluß des Werkes. Der geneigte Leser wird sich fragen, wie ein derartiges Programm in einem handlichen Buche dargestellt sein kann? Eines ist von vorne herein klar: Ein Lehrbuch für den Anfänger ist es nicht, kann es nicht sein. (Dafür gibt es von den gleichen Autoren, auch bei Wiley, das Lehrbuch: Introduction to Molecular Dynamics and Chemical Kinetics, 138,-DM.) Aber der Spezialist wird sehr viele Ansätze finden, die ihm den Stand der gegenwärtigen Forschungsfront näher bringen. Die Monografie ist im guten Sinne eine Formelsammlung: Neben der puren Anzahl (etwa 1200 Formeln sind über 20 Kapitel verstreut) wird versucht, Herleitungen und Beweggründe für neue Definitionen zu geben. Daß dabei die Beispiele und übungen für den Leser (mit Lösungen im Anhang) auch nur überwiegend abstrakter Natur sind, scheint unausweichlich. Reale Moleküle kommen nur in einigen wenigen Aufgaben und in den Beispielen in den Schlusskapiteln, und in den reichlichen und aktuellen Literaturzitaten vor. Die Formeln selbst sind aber oft von ,verständlicher Kürze' der Leser muß im allgemeinen nicht befürchten, vom 'mathematischen Lindwurm' überwältigt zu werden. Die Autoren haben sich, im Gegenteil, an vielen Stellen bemüht, mathematische Durchsichtigkeit zu erreichen; didaktisches Geschick ist Ihnen nicht abzusprechen. Aber den Willen, sich durch einige Mathematik zu arbeiten, muß der Leser schon mitbringen. Einige kleine Ungenauigkeiten sollten in der nächsten Auflage bereinigt werden: Z.B. sollte das Konvergenzkriterium auf S. 70 ein Druckfehler sein? Dem Rezensenten scheint auch die Herleitung auf S. 74, Formeln 5.56 bis 5.58, nicht konsistent zu sein. Ebenso ist Formel 7.10 bei der Herleitung des Reaktionsweges nicht verständlich. Auf S. 108 oben sind nur 3N-7 Integrationsvariable zu verwenden. In 9.36 sollte s=t* sein. In der Integrationsvariablen in Formel 11.2 ist ein Druckfehler, und die Herleitung der Diracschen Deltafunktion in 11.4, als Lösung einer Übungsaufgabe im Anhang C68 bis C70, ist fehlerhaft. In 14.5 wird eine Klammer vermißt, und xo ist nicht zu erklären. Die Formel 14.19 ist eine einfache Doublette von 14.7. Die Formelnummern 15.21 und 15.23 sind schlicht überflüssig. In den Summen 17.8 und 17.9 ist der Summationsindex j irreführend. Der Schwerpunkt der Auswahl der Methoden liegt auf den zeitabhängigen Ansätzen - weil diese leicht zu computerisieren sind. Außerdem haben sie eine enge Verbindung zu semiklassischen Rechnungen. In der Arbeit des Wissenschaftlers werden derartige Methoden in Programmpaketen implementiert, die heutezutage schnell hunderttausend und mehr Programmzeilen umfassen können. Das vorliegende Buch enthält sich aber (bis auf einige kleine Andeutungen) dieser programmtechnischen Seite der Arbeit. Es liefert das mathematische Rüstzeug, den Startpunkt, die notwendigen Konzepte und Ideen. Wir sind aktuell Zeuge einer wichtigen Etappe in der Entwicklung der Chemie: Ausgefeilte Strahlexperimente und der Einsatz immer besser beherrschter Lasertechniken liefern eine große Datenflut für den Angriff auf das 'Herz' der chemischen Reaktionen, auf die Vorgänge im Innern von Molekülen, wenn diese sich ändern, auf den Energietransport, und letztlich die chemische Reaktivität. Die ungeheuere Komplexität der Daten zu deuten aber erfordert fundamentale Theorien, und eben auch ein breites Spektrum von Theorien der Moleküldynamik und chemischen Kinetik. Die Autoren sind selbst als aktive Wissenschaftler am Einsatz dieser Theorien wesentlich beteiligt. Ihr vorliegendes Buch ist ein interessanter Versuch einer Zusammenfassung dieses sehr aktiven Feldes der gegenwärtigen Forschung. Es ist kompetent und von beträchtlichem Tiefgang. Es kann allen theoretisch arbeitenden Chemikern und Physiko-Chemikern sehr empfohlen werden. Möglicherweise könnte sich auch ein naturwissenschaftlich interessierter Mathematiker durch Teile des Buches arbeiten und Anregungen finden. Der (deutsche) Preis des Buches ist allerdings etwas happig.