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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Olivucci, Massimo 编

出品人:

页数:368

译者:

出版时间:2005-11

价格:$ 282.50

装帧:HRD

isbn号码:9780444521101

丛书系列:

图书标签:

• 光化学
• 计算化学
• 量子化学
• 分子物理
• 光谱学
• 电子结构
• 激发态
• 化学反应动力学
• 分子模拟
• 理论化学

《量子化学与分子光谱学：从基础原理到前沿应用》 图书简介 全面、深入地探讨量子化学计算的理论基石与分子光谱学的实验技术，构建连接微观结构与宏观性质的桥梁。 本书旨在为化学、物理学、材料科学及相关领域的研究人员、高年级本科生和研究生提供一个全面且深入的知识体系，覆盖从量子力学基本原理出发，到复杂分子体系计算模拟，再到各种光谱技术在结构解析和动力学研究中的应用。我们致力于以严谨的理论推导、清晰的逻辑结构和丰富的实例，阐明这些工具如何精确地揭示物质的本质属性。 --- 第一部分：量子化学计算的理论基石 本部分聚焦于描述分子体系电子行为的核心理论框架，是所有高级计算方法的基础。 第一章：薛定谔方程与近似方法 详细阐述定态与含时薛定谔方程在分子体系中的应用。重点讨论Born-Oppenheimer近似的物理意义和局限性，以及如何通过对电子和核运动的解耦来实现分子哈密顿量的构建。深入解析有限元和有限差分方法的数学基础，为后续的数值求解奠定基础。 第二章：基组理论与电子结构表示 系统介绍用于构造分子轨道波函数的数学函数集——基组。对比分析高斯型函数（Gaussian Type Orbitals, GTOs）和斯莱特型函数（Slater Type Orbitals, STOs）的优缺点，详细探讨从最小基组到完全一致原子轨道（STO-NG, Dunning基组系列）的演进过程。引入原子轨道线性组合成分子轨道（LCAO-MO）原理，并对电子自洽场（Self-Consistent Field, SCF）理论进行彻底的数学推导，包括Hartree-Fock（HF）方程的推导、迭代过程的收敛性分析以及电子能量的准确表达。 第三章：后Hartree-Fock方法与电子相关性 认识到HF方法未能充分描述电子间的关联效应，本章深入探讨如何修正这些系统性的误差。详细介绍微扰理论（Perturbation Theory）在电子结构计算中的应用，特别是二阶微扰理论（MP2）的细节，包括其计算成本与精度之间的平衡。随后，系统阐述耦合簇理论（Coupled Cluster, CC）的原理，从CCSD到CCSD(T)的层次结构，强调其作为“金标准”的地位及其对电子相关能的精确捕获机制。 第四章：密度泛函理论（DFT）的深入解析 密度泛函理论是现代计算化学中最主流的方法之一。本章从 Hohenberg-Kohn 定理出发，阐述能量作为电子密度的泛函这一革命性观点。详尽分析 Kohn-Sham 理论，并对交换关联泛函的演变历史进行梳理，包括局域密度近似（LDA）、广义梯度近似（GGA，如B88, PBE）以及后来的混合泛函（如B3LYP, PBE0）的结构与适用性。讨论泛函的适用性陷阱与基准测试的重要性。 --- 第二部分：分子动力学与激发态模拟 本部分拓展至时间依赖性问题，涵盖分子在实际环境中的运动轨迹以及光与物质相互作用的电子激发过程。 第五章：从静态到动态：分子动力学模拟 介绍如何将牛顿运动方程应用于原子核的模拟。详细阐述力场（Force Field）的概念，对比分析分子力学（MM）与量子力学（QM）在描述原子间相互作用时的区别。重点讲解基于量子化学的分子动力学（QM/MM）方法，特别是在酶催化和复杂溶液体系中的应用。讨论时间积分算法（如Verlet算法）的选择和热浴耦合技术（如Nosé-Hoover热浴）对模拟结果可靠性的影响。 第六章：激发态理论与时间依赖性计算 解析光吸收和发射的微观机制。本章详细介绍时间依赖性密度泛函理论（TD-DFT）的建立，包括激发态能量的计算、振子强度（Oscillator Strength）的确定，以及如何通过TD-DFT预测紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱。此外，还探讨了激发态的非绝热动力学模拟，例如利用表面跳跃（Surface Hopping）方法来描述电子态之间的交叉和能量耗散过程。 --- 第三部分：分子光谱学的实验技术与关联分析 本部分转向实验层面，探讨如何利用各种先进的光谱技术获取分子结构、电子态和动力学信息，并将这些实验数据与理论计算结果进行对比验证。 第七章：振动光谱学：红外与拉曼散射 系统介绍分子振动模式的量子力学描述，包括简谐振动与非简谐振动。详述傅里叶变换红外光谱（FTIR）的工作原理，重点讲解吸收强度与偶极矩导数的关系。深入分析拉曼散射的原理，包括瑞利散射与拉曼效应的量子化描述，以及强度与分子极化率导数的关系。结合量子化学计算，解释峰位（频率）和相对强度的预测与实验值的契合度。 第八章：电子能谱学：光电子能谱与吸收/发射 专注于探测分子电子结构的能级信息。详细阐述X射线光电子能谱（XPS）和紫外光电子能谱（UPS）的物理基础，讲解如何通过这些技术确定原子价层和核心层的结合能，以及如何将其与计算得到的轨道能量（如Koopmans定理）进行关联。同时，回顾第七章中讨论的吸收光谱，并增加对荧光和磷光发射光谱的分析，探讨单线态与三线态寿命的理论模型。 第九章：核磁共振（NMR）谱学的理论基础与计算校正 核磁共振是结构确定的强大工具。本章从原子核的磁矩和外加磁场相互作用出发，推导NMR化学位移的理论表达式。重点介绍化学位移张量（Chemical Shift Tensor）的计算方法，包括使用各种相对论和非相对论的近似。讨论自旋-自旋耦合常数（J-coupling）的计算，并展示如何利用计算化学方法（如GIAO/CSGT方法）对实验数据进行高精度的校正和位移归属。 --- 第四部分：高级计算策略与实际应用案例 本部分关注解决大型复杂体系的计算策略，并提供跨学科的应用实例。 第十章：多尺度模拟：从QM到MM的无缝连接 探讨在处理生物大分子或材料界面时，如何合理地划分计算区域。详细介绍QM/MM方法在活性位点分析中的实施细节，包括电荷传递、势能面的构建和截断误差的处理。讨论如何将量子化学计算的结果（如电荷分布、偶极矩）映射到分子力学模型中，以提高宏观模拟的准确性。 第十一章：计算催化与反应机理研究 将前述所有理论工具应用于有机和无机催化过程的解析。重点讲解如何定位过渡态（Transition State, TS），如何计算反应能垒和活化自由能。通过对反应坐标（Reaction Coordinate）的扫描，揭示反应路径的微观细节，并利用谱学预测（如预测反应中间体的NMR或红外特征）来证实机理的合理性。 第十二章：材料科学中的电子结构计算 将计算化学拓展到周期性系统，介绍晶体结构与能带理论的基础。阐述平面波基组与实空间基组在处理固体体系中的适用性。分析能带结构图（Band Structure Plot）的物理意义，解释绝缘体、半导体和导体的判据。讨论计算的缺陷态和掺杂效应对材料光电性能的影响，并结合光学性质的计算来指导新材料的设计。 --- 本书特色： 理论的深度与广度兼备： 理论推导详尽，覆盖从基础HF到高级CC/DFT的完整谱系。 计算与实验的紧密结合： 每一理论章节后均有对应光谱学实验技术的分析，强调理论预测与实验观测的相互印证。 面向实际问题： 丰富的案例分析聚焦于催化、生物分子相互作用和材料设计等前沿领域。 数学严谨性： 在不牺牲可读性的前提下，保持了对核心数学公式的准确阐述，确保读者能掌握计算方法的本质。 本书是致力于掌握现代计算化学和光谱学分析技术的科研人员不可或缺的参考手册。

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