Theory and Applications of Computational Chemistry pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Dykstra, Clifford E. (EDT)/ Frenking, Gernot (EDT)/ Kim, Kwang S. (EDT)/ Scuseria, Gustavo E. (EDT)

出品人:

页数:1336

译者:

出版时间:2005-7

价格:$ 155.94

装帧:Pap

isbn号码:9780444519047

丛书系列:

图书标签:

• Computational Chemistry
• Theoretical Chemistry
• Quantum Chemistry
• Molecular Modeling
• Chemical Physics
• Algorithms
• Density Functional Theory
• Molecular Dynamics
• cheminformatics
• ab initio

书籍简介：计算化学理论与应用 书名： Computational Chemistry: Principles and Practice 作者： [此处填写虚构作者姓名，例如：Dr. Eleanor Vance & Professor Kenji Tanaka] 出版社： [此处填写虚构出版社名称，例如：Integrative Science Press] --- 内容概述 《计算化学：原理与实践》是一本旨在为读者提供坚实计算化学基础，并展示其在现代科学研究中广泛应用的综合性教材与参考手册。本书深入探讨了从基本的量子力学原理到复杂的分子模拟技术，内容组织清晰，逻辑严谨，力求在理论深度与实际操作之间取得完美的平衡。本书的编写目标是服务于高年级本科生、研究生以及在学术界和工业界从事计算化学、材料科学、药物发现等领域的研究人员。 本书摒弃了过于晦涩的纯数学推导，转而着重于物理图像的构建和算法背后的化学直觉，确保读者能够理解“为什么”使用特定的方法，以及“如何”有效地应用这些工具解决实际问题。 第一部分：理论基石——量子化学的数学与物理 本部分为后续的计算奠定坚实的理论基础。 第一章：分子系统的量子力学描述 本章首先回顾了薛定谔方程在化学问题中的核心地位。重点阐述了波函数的物理意义、算符代数以及角动量和自旋的量子力学处理。详细讨论了变分原理和微扰理论在求解电子结构问题中的作用。我们将引入原子单位制，并解释为什么在实际计算中，我们需要对复杂的体系进行恰当的近似。 第二章：电子结构方法的演进 本章系统地介绍了求解多电子体系电子结构的方法。从最基础的哈特里-福克 (Hartree-Fock, HF) 方法出发，详尽分析了其平均场近似的局限性。随后，本书深入探讨了如何超越HF方法来处理电子间的关联效应。这包括：组态相互作用 (CI) 方法的完整形式与截断形式（如CISD），微扰理论（如Møller-Plesset, MP2, MP3, MP4）的实际应用及收敛性问题。特别地，本章会用直观的图示解释“关联能”的物理含义。 第三章：密度泛函理论 (DFT) 的核心 DFT被视为现代计算化学的支柱之一，本章给予了充分的篇幅。我们从 Hohenberg-Kohn 定理出发，深入剖析了 Kohn-Sham (KS) 理论框架。本书将详尽分类和比较各种交换-关联 (Exchange-Correlation, XC) 泛函的性能，包括局域密度近似 (LDA)、广义梯度近似 (GGA, 如 PBE, BLYP)、以及混合泛函（如 B3LYP）。本书强调了泛函选择对化学反应能、几何结构和电子性质预测精度的关键影响。 第四章：基组理论与数值精度 本章聚焦于如何用有限的数学函数来近似无限维的希尔伯特空间。详细介绍了高斯型函数 (Gaussian Type Orbitals, GTOs) 的特性，并解释了斯莱特型函数 (STO) 与 GTOs 之间的关系。通过实例，读者将学会如何选择合适的基组（如STO-nG, Pople 集合, Dunning 的相关一致性集合 cc-pVnZ）以平衡计算成本和精度。此外，本章还探讨了标量相对论效应（如使用包含相对论效应的有效核势，ECP）在重原子计算中的重要性。 第二部分：动力学与模拟——从静态到时间依赖 本部分将理论方法应用于描述分子系统的动态行为。 第五章：分子力学 (Molecular Mechanics, MM) 与力场 在处理大尺度、长时程系统时，MM方法的优势无可替代。本章系统介绍了力场的核心概念，包括势能函数 (Potential Energy Function, PEF) 的构成——键合项（伸缩、弯曲、扭转）和非键合项（范德华力、静电作用）。我们详细分析了经典力场的发展历程，如 AMBER, CHARMM, OPLS 等，并讨论了参数化过程的挑战和局限性。 第六章：分子动力学 (Molecular Dynamics, MD) 模拟 本章讲解如何利用牛顿运动方程在力场框架下模拟分子的时空演化。重点介绍积分算法（如 Verlet 算法），以及如何处理边界条件（如周期性边界条件）。关键的模拟技术，如热浴和压力控制（如 Langevin 动力学、NPT 集合），以及如何精确采样相空间（如微正则系综 NVE）将得到深入阐述。本书会使用实际案例，指导读者如何分析 MD 轨迹数据，提取时间依赖的物理量。 第七章：蒙特卡洛 (Monte Carlo, MC) 方法 作为与 MD 互补的模拟工具，MC方法在本章得到详细讨论。我们将阐述 Metropolis 准则在采样构象空间中的核心作用。本书将探讨如何利用 MC 方法进行自由能微扰（FEP）和热力学积分（TI）的计算，以及在晶格模型和溶液模拟中的特殊应用。 第八章：高级采样技术与自由能计算 本章专注于解决 MD 和 MC 模拟中常见的“采样子空间”问题，即如何高效地探索能量势垒。详细介绍增强采样技术，包括 Umbrella Sampling（伞采样）、Replica Exchange MD（REMD，温敏交换）以及 Metadynamics（元动力学）。本章的重点在于自由能景观 (Free Energy Landscape) 的精确构建，这是理解化学反应机理和生物分子结合机制的关键。 第三部分：计算化学的应用前沿 本部分展示了前述理论和方法在解决实际科学问题中的威力。 第九章：反应机理与过渡态搜寻 本章专门探讨如何利用计算化学工具来定位和表征化学反应的过渡态 (Transition States, TS)。我们将介绍梯度优化与鞍点搜索算法（如同步转动梯度法, IRC），以及如何通过振动分析验证找到的结构是否是真正的过渡态。通过案例研究，读者将学习如何精确计算反应能垒和活化熵。 第十章：计算光谱学与性质预测 本章关注如何利用计算化学预测分子在实验光谱中的特征。详细介绍了激发态理论（如 TD-DFT）在预测紫外-可见吸收光谱中的应用。此外，本书还将讨论计算核磁共振 (NMR) 谱、红外 (IR) 谱，以及如何计算分子的电荷分布和偶极矩，这些是理解分子相互作用和反应活性的重要指标。 第十一章：从孤立分子到凝聚态：周期性体系 本章过渡到周期性固体和材料科学的应用。详细阐述晶体周期性边界条件下的电子结构计算（如平面波基组和赝势的使用）。应用DFT方法来预测晶体结构优化、能带结构、电子密度分布以及材料的宏观性质（如带隙、介电常数）。 第十二章：计算化学软件与工作流程 本章更具实践指导意义。本书不会侧重于某一特定软件的语法，而是提供一个通用的计算化学项目工作流程。内容包括：选择合适的理论方法和基组（“方法工程”）、建立高效的计算集群任务、以及至关重要的结果可视化与数据后处理。我们将讨论如何批判性地评估计算结果的可靠性（例如，不确定性量化和收敛性检验）。 --- 本书特色： 理论与实践的无缝衔接： 每个理论章节后都附有“实践指南”小节，引导读者如何将所学应用到实际的计算软件中。 批判性思维培养： 强调不同方法的优缺点和适用范围，鼓励读者对计算结果保持审慎和批判的态度。 丰富的案例研究： 案例涵盖了有机反应、催化、蛋白质-配体结合、新型功能材料设计等多个前沿领域。 《计算化学：原理与实践》旨在成为读者从理论学习者迈向独立计算科学家的关键桥梁。

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