分子模拟的原理和应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:世界图书出版公司

作者:A. R. Leach

出品人:

页数:744

译者:

出版时间:2003

价格:98.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787506259361

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《深入解析计算化学：从基础理论到前沿模拟》 导言：计算科学的时代浪潮 在当代科学研究的版图中，计算模拟已成为连接理论预测与实验验证的关键桥梁。它不仅是物理、化学、材料科学等基础学科研究的强大工具，更是推动药物设计、新能源开发、环境治理等应用领域突破性进展的核心驱动力。本书旨在系统、深入地探讨计算化学与计算物理领域的核心理论框架、主流算法的实现细节及其在解决复杂科学问题中的实际应用。我们力求构建一个从微观粒子运动规律到宏观系统性质预测的完整知识体系，为读者提供一个坚实的理论基础和广阔的实践视野。 第一部分：理论基石——量子力学的数学表达与近似方法 本部分聚焦于支撑所有分子模拟的量子力学基础。我们将从薛定谔方程出发，详细阐述如何用数学语言描述原子和分子的电子结构。 第一章：量子力学的基本原理回顾与发展 本章首先复习了波函数、算符、本征值和本征态等基本概念，并引入了角动量、自旋角动量等在多电子体系描述中的重要性。随后，重点讨论了变分原理和耦合级数理论（Coupled-Perturbed Theory），这些是后续精确计算方法的基础。我们还将探讨如何利用群论来简化和分类分子轨道，特别是对称性在简化计算中的决定性作用。 第二章：从原子到分子的电子结构计算 这是本书的核心理论章节之一。我们将深入剖析处理多电子体系的主要方法： Hartree-Fock (HF) 方法的严格推导： 详细阐述了自洽场（SCF）迭代过程的每一步，包括轨道构建、Fock矩阵的形成、电子排布的优化，直至达到能量极小值。对中心势场近似（Central Field Approximation）和电子自相互作用误差（Self-Interaction Error, SIE）进行批判性分析。 后-HF 方法的精度提升： 针对HF方法对电子关联描述的局限性，本章系统介绍了提高计算精度的关键技术： 1. 组态相互作用（Configuration Interaction, CI）： 从限域CI（CISD）到全CI的理论构造，并讨论了截断误差的来源。 2. 微扰理论（Møller-Plesset Perturbation Theory, MPn）： 重点讲解MP2方法的具体计算步骤和其在处理弱相互作用体系中的优势与不足。 3. 耦合簇理论（Coupled Cluster, CC）： 阐述指数算符的引入如何保证了体系的精确性和能量的“固有自然序”（Proper Order of Energy Convergence），特别关注CCSD和CCSD(T)的计算效率与精度平衡。 第三章：密度泛函理论（DFT）的构建与挑战 DFT已成为现代计算化学的主流工具。本章首先引入了 Hohenberg-Kohn 定理，确立了电子密度是决定体系基态性质的泛函这一核心观点。 泛函的分类与实现： 详细对比了局域密度近似（LDA）、广义梯度近似（GGA，如PBE, BLYP）、后GGA（meta-GGA）以及混合泛函（Hybrid Functionals）的数学形式和适用范围。重点探讨了如何通过引入 Hartree-Fock 交换来修正 Kohn-Sham 轨道的局域性问题。 处理长程相互作用： 阐述了弥散校正（Dispersion Corrections，如DFT-D3）的必要性，以及如何处理体系中的电荷转移和范德华力。 第二部分：分子动力学与蒙特卡洛模拟 在处理包含大量粒子、涉及时间演化或统计采样的宏观体系性质时，基于力场的模拟方法占据了主导地位。 第四章：分子力学与经典力场构建 本章从牛顿运动定律出发，定义了分子力场（Force Field）的概念，即势能函数 $V_{total}$ 的形式。 势能函数项的详细解析： 深入剖析了键伸缩振动项（Harmonic/Duffing）、键角弯曲项（三体相互作用）、二面角（扭转）项以及非键相互作用项（Lennard-Jones 6-12 和静电项）的具体数学形式。 力场的校准与应用： 讨论了如何利用实验数据和高精度量子化学计算对力场参数进行拟合和验证。涵盖了针对不同体系（如有机分子、生物大分子、无机晶体）的经典力场（如AMBER, CHARMM, OPLS-AA）的结构特点。 第五章：分子动力学（MD）模拟的时间积分与热力学采样 MD方法是研究动态过程的基石。本章侧重于算法的实现和热力学的连接。 积分算法： 详细推导和比较了 Verlet 算法及其速度 Verlet 变体，并介绍了隐式积分方法如预测-校正（Predictor-Corrector）算法。关键在于如何处理时间步长的选择和数值稳定性。 约束与集成热力学： 讲解如何使用 SHAKE/RATTLE 算法处理含氢原子的高频振动，以允许使用更长的时间步。重点阐述了微正则系综（NVE）、正则系综（NVT，使用 Langevin 动力学或 Nose-Hoover 恒温器）和等温等压系综（NPT，使用 Berendsen 或 Parrinello-Rahman 恒压器）的实现机制，以及如何从中提取宏观热力学量。 第六章：蒙特卡洛（MC）方法与统计力学采样 MC方法提供了一种不依赖时间演化的统计采样途径。 Metropolis 准则与采样效率： 详细解析了 Metropolis 算法的接受/拒绝准则，并讨论了如何设计有效的试探步（Move Set）以确保遍历性。 高级采样技术： 针对高能垒或复杂自由能地形，本章介绍了多重复制交换蒙特卡洛（Replica Exchange MC）和汪山（Wang-Landau）算法，这些技术极大地提高了对高维自由能面的探索能力。 第三部分：复杂体系的进阶模拟技术 本部分将理论和方法应用于更具挑战性的多尺度和多物理场问题。 第七章：电子与核的耦合——从头算分子动力学（AIMD） AIMD（或称 Born-Oppenheimer MD）是连接量子精度和动力学模拟的桥梁。本章聚焦于如何实时计算电子结构和 forces。 AIMD 的具体实现： 重点讨论了基于 Kohn-Sham DFT 的 AIMD（如结合 GTH 或 Pade 赝势）以及如何有效地在 MD 时间步内收敛 SCF 过程（如使用 Pulay 混合基组或 अगदी迭代）。 非绝热过程模拟： 探讨了如何处理电子态的跃迁，引入了半经典轨道方法（Ehrenfest Dynamics）和更精确的表面跳跃方法（Surface Hopping），用于模拟光化学反应和电子转移过程。 第八章：高效能计算与并行化策略 现代分子模拟对计算资源的需求巨大。本章关注如何优化算法以适应大规模并行计算环境。 并行计算基础： 回顾 MPI（Message Passing Interface）和 OpenMP 在处理原子和电子结构计算中的应用。 并行化的具体实现： 分析了 HF/DFT 计算中的 Fock 矩阵构建的并行性、二维（2D）或三维（3D）空间分解技术，以及分子动力学中的粒子间（Pairwise）相互作用的并行计算策略（如 FFT-based PME 泊松求解器）。 第九章：自由能计算与复杂反应路径探索 自由能是决定反应可行性的关键因素。本章介绍了几种强大的自由能计算范式。 增强采样与路径搜索： 详细阐述了伞形采样（Umbrella Sampling）和温蒂统计力学（WHAM/MBAR）结合使用的方法来重建自由能廓线。 反应路径探索： 介绍了如何识别过渡态（Transition State），包括梯度寻找法（如梯度期望 Nudged Elastic Band, NEB）和基于随机搜索的路径搜索算法（如 Metadynamics）。 结语：展望与前沿 本书最后将简要展望计算化学的未来方向，包括基于机器学习的势能面构建（Machine Learning Potentials, MLPs）、量子化学计算在材料科学中的新兴应用，以及与实验技术的更紧密结合。本书力求为读者提供一个全面、深入且具有前瞻性的计算模拟知识体系。

评分☆☆☆☆☆

此书绰号“黑宝书”，又被称作分子模拟领域的圣经，是计算化学与生物信息学领域的经典。内容丰富，章节架构合理，入门科普与参考工具两相宜。 　　分子模拟，早期溯源可以直追20世纪30年代，Andrews提出分子力学的基本思想；实际发扬广大，其实要到1980s。分子力学成为...  

评分☆☆☆☆☆

有没有更好的，新出版的，这本毕竟是2003年的，现在都9102年了。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。...

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此书绰号“黑宝书”，又被称作分子模拟领域的圣经，是计算化学与生物信息学领域的经典。内容丰富，章节架构合理，入门科普与参考工具两相宜。 　　分子模拟，早期溯源可以直追20世纪30年代，Andrews提出分子力学的基本思想；实际发扬广大，其实要到1980s。分子力学成为...  

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阅读这本书的过程，更像是一次深入到**计算化学研究前沿**的田野考察。它没有沉溺于对基础概念的重复叙述，而是迅速地将读者带入了当前研究热点。例如，在介绍**自由能计算方法**时，书中不仅详尽阐述了经典的PMF（自由能剖面）构建流程，还专门开辟了一章来讨论**增强采样技术**，如Metadynamics和Umbrella Sampling在解决采样不足问题上的最新进展。作者对这些前沿方法的描述，具有很强的实战指导意义，他不仅给出了理论公式，还深入分析了选择不同采样窗口或偏置势函数时可能遇到的收敛困难。更令人惊喜的是，书中还涉及到了**量子化学与分子力学（QM/MM）杂合方法**在酶催化反应模拟中的应用案例。这部分内容展现了作者对跨学科交叉领域的深刻理解，它说明了现代模拟已不再是单一理论的天下，而是需要多层次、多尺度方法的有机结合。这本书的野心不小，它试图为读者建立一个全面的、与时俱进的计算模拟知识框架，而不是仅仅停留在基础理论的复述上。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我拿到这本书时，心中是充满疑虑的，毕竟“原理与应用”的组合往往意味着内容会走向两个极端——要么是过于理论化，让人望而却步；要么是过于应用导向，缺乏对底层逻辑的深究。然而，这本书的结构安排巧妙地平衡了这一点。在探讨**分子动力学模拟**时，作者并没有止步于展示MD轨迹的生成过程，而是花了大量篇幅去剖析**力场参数化**的哲学困境。这部分内容写得极其深刻，它揭示了模拟的局限性：我们构建的模型，无论多么精妙，终究是对真实世界的简化和近似。这种坦诚的态度，对于一个严肃的研究者来说尤为重要。我特别欣赏作者在讨论**周期性边界条件**时所采取的视角，他不仅解释了为什么需要它来模拟块体材料，还细致地分析了该方法在处理液态或气态体系时可能引入的尺寸效应和伪影。这种对技术细节的批判性审视，让这本书的深度远远超越了一般的教科书。它更像是一本“方法论的辩证法”，引导读者不仅要学会“如何做”，更要思考“为什么这样做是合理的，以及何时它会失效”。读完这部分，我感觉自己对模拟结果的解释能力得到了质的提升。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计着实吸引人，那种深邃的蓝色调配上银色的文字，立刻让人联想到精密计算和微观世界的复杂性。我刚翻开第一章，就被作者那行云流水的叙述风格所折服。他似乎有一种魔力，能把那些原本枯燥的数学公式和物理概念，描绘得如同精彩的侦探小说一般引人入胜。尤其是在解释**量子力学基础**的部分，作者没有直接堆砌晦涩的波函数和哈密顿量，而是通过一系列形象的比喻，比如把电子比作在特定“轨道”上跳舞的精灵，瞬间就让概念变得具体可感。我印象最深的是对**蒙特卡洛方法**的阐述，那种通过随机抽样来逼近复杂系统真实行为的智慧，被刻画得淋漓尽致，仿佛我正亲手操作着计算机，观察粒子间的相互作用。这本书的价值不仅仅在于知识的传授，更在于培养读者一种**计算思维**。它让我开始思考，如何将现实世界中的化学反应、材料特性，抽象化为可计算的模型，这是一个从宏观直觉到微观洞察的巨大飞跃。对于任何想要深入理解计算化学核心思想的初学者而言，这本书无疑是最好的“领航员”，它提供的并非死板的教条，而是一套解决问题的思维工具箱，每一个工具都打磨得锃亮，随时准备应对挑战。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和插图设计，简直是学术著作中的一股清流。要知道，涉及到复杂的晶格结构、能量面扫描或者径向分布函数图，如果图示不清晰，读起来简直是种折磨。但在这本书里，几乎每一张图都是艺术品。特别是在讲解**能量最小化算法**时，作者用三维的等高线图清晰地标示出了势能面，然后用不同颜色的箭头演示了**梯度下降法**与**共轭梯度法**在寻找最低点时的路径差异。这种视觉化的表达方式，极大地减轻了大脑处理抽象概念的负担。流畅的文字与精准的图表完美结合，使得原本抽象的优化过程变得直观可见。此外，作者在引用文献时也做得非常出色，不是简单地罗列一堆看不懂的编号，而是将关键概念的起源和发展脉络清晰地串联起来，让你知道某个算法的历史背景和它在不同时间点上的改进。这种对知识脉络的梳理，让阅读过程充满了探索的乐趣，仿佛在跟着一位经验丰富的向导穿越计算物理的丛林，每到一个重要关口，他都会停下来，为你清晰地标注出前人的足迹和未来的方向。

评分☆☆☆☆☆

这本书的行文风格中蕴含着一种**严谨而又富有激情的学者气质**。我感受到作者对精确性的执着追求，比如在定义**配位数的波动**或**热力学积分**时，他对每一个符号的引入都做出了审慎的解释，确保读者不会因为一个看似微不足道的下标或上标而产生误解。然而，这种严谨并没有带来僵硬感，相反，在讨论特定应用案例时，作者的笔锋变得十分生动。比如在描述**晶体缺陷模拟**时，他模拟了材料内部空位移动对整体性质的影响，这种“透视”能力让人叹服。这种恰到好处的张弛有度的叙事，使得长时间的阅读也不会产生阅读疲劳。每一次当我感到理论有些吃力时，作者总能及时抛出一个具体的应用实例——也许是某个新型催化剂的活性位点分析，也许是聚合物链段的动力学行为——来重新锚定我的注意力。这本书成功地塑造了一种对话的氛围，让读者感觉自己不是被动地接受知识灌输，而是在与一位博学多识的导师进行一场深入而富有成效的学术探讨，受益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

深入浅出！

评分☆☆☆☆☆

一般一般，量化比较深入，力场方法略显肤浅。

评分☆☆☆☆☆

黑宝书，圣经，计算化学与生物信息学领域必读经典

评分☆☆☆☆☆

这本书很经典，也是分子模拟方面国内出版（含影印）最好的书

评分☆☆☆☆☆

一般一般，量化比较深入，力场方法略显肤浅。