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出版者:Royal Society of Chemistry

作者:D.O. Hayward

出品人:

页数:184

译者:

出版时间:2002

价格:£15.95

装帧:paperback

isbn号码:9780854046072

丛书系列:

图书标签:

量子力学
化学
物理化学
量子化学
化学物理
分子结构
光谱学
计算化学
化学键
原子物理

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具体描述

Designed to provide chemistry undergraduates with a basic understanding of the principles of quantum mechanics, this text assumes some knowledge of chemical bonding and a familiarity with the qualitative aspects of molecular orbitals in molecules such as butadiene and benzene. Thus it is intended to follow a basic course in organic and/or inorganic chemistry. The approach is rather different from that adopted in most books on quantum chemistry in that the Schrodinger wave equation is introduced at a fairly late stage, after students have become familiar with the application of de Broglie-type wavefunctions to free particles and particles in a box. Likewise, the Hamiltonian operator and the concept of eigenfunctions and eigenvalues are not introduced until the last two chapters of the book, where approximate solutions to the wave equation for many-electron atoms and molecules are discussed. In this way, students receive a gradual introduction to the basic concepts of quantum mechanics

《量子化学手册》导论这是一本为初学者和有经验的研究者量身打造的实用指南，旨在深入浅出地阐释量子力学在化学领域的核心应用。本书的目标是赋予读者理解和运用量子化学工具解决实际化学问题的能力，而非仅仅停留在理论层面。我们相信，掌握量子化学原理，如同掌握一门理解物质微观本质的语言，是现代化学研究者不可或缺的技能。第一部分：量子化学的基础理论本部分将为你构建坚实的量子化学理论基石。我们将从量子力学的基本假设出发，逐步引入波函数、薛定谔方程及其在描述原子和分子体系中的重要性。 1.1 量子力学基本原理回顾波粒二象性与德布罗意关系：深入探讨微观粒子兼具波和粒子的特性，以及物质波的波长与动量之间的关系。我们将通过对电子衍射等实验现象的分析，直观理解这一核心概念。不确定性原理：阐释海森堡不确定性原理，强调测量过程中对粒子位置和动量等共轭量同时进行精确测量的内在限制。我们将通过具体的例子，例如单缝衍射实验，来体会不确定性原理的实际意义。量子态与波函数：定义量子态以及描述量子态的波函数。我们将探讨波函数的统计学解释，即波函数模平方的物理意义——在空间某点发现粒子的概率密度。算符与可观测量：介绍量子力学中的算符概念，以及算符与物理可观测量之间的对应关系。我们将重点讲解动量算符、能量算符（哈密顿算符）等，并说明本征值方程的意义，即测量特定可观测量时可能获得的值。基矢与展开定理：引入线性代数在量子力学中的应用，阐述完备基矢的概念，以及任何量子态都可以表示为基矢的线性组合。这将为后续讨论电子轨道和分子轨道打下基础。 1.2 薛定谔方程及其意义时间无关薛定谔方程：重点讲解时间无关薛定谔方程 $hat{H}psi = Epsi$，将其视为描述微观体系（如原子、分子）在稳态下的能量和波函数的核心方程。我们将分析哈密顿算符的构成，并解释其在能量本征值方程中的作用。全同粒子原理与泡利不相容原理：阐述全同粒子（如电子）在量子力学中的特殊性质，以及泡利不相容原理如何限制了全同费米子的量子态。这将是理解原子电子构型和分子轨道填充的关键。近似方法：认识到精确求解薛定谔方程对于多电子体系的困难性，介绍常用的近似方法，如变分法、微扰法，以及它们在求解复杂量子体系中的应用。 1.3 电子和原子结构氢原子模型：从最简单的氢原子入手，详细推导其薛定谔方程的解，得到量子数 ($n, l, m_l$) 的意义，以及由此产生的能级、角动量和轨道形状。我们将可视化不同量子数对应的原子轨道（s, p, d, f）。多电子原子：讨论多电子原子中电子之间的相互作用（库仑斥力），以及如何通过屏蔽效应和有效核电荷来近似处理。介绍斯莱特行列式（Slater determinant）用于描述多电子波函数，并解释其满足全同粒子和泡利不相容原理的性质。电子组态与光谱：将量子力学原理与实验观察相结合，解释原子光谱产生的原因。我们将讨论电子跃迁、能量吸收和发射，并与实际光谱数据建立联系。第二部分：分子结构与化学键的量子化学描述本部分将深入探索量子力学如何解释化学键的本质，预测分子的几何形状，并理解分子内的电子分布。 2.1 分子轨道理论近似与基本概念：介绍分子轨道（MO）理论的基本思想，即原子轨道（AO）线性组合形成分子轨道。我们将重点讲解线性组合原子轨道（LCAO-MO）方法。键形成与成键/反键轨道：详细阐述两个原子轨道组合形成一个成键分子轨道和一个反键分子轨道的过程。我们将分析成键轨道能量降低，具有键性质，而反键轨道能量升高，削弱键性质。 HOMO和LUMO：定义最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占分子轨道（LUMO），并阐述它们在理解分子的化学反应性、氧化还原性质和光谱性质中的关键作用。 HOMO-LUMO能隙：讨论HOMO-LUMO能隙的大小与分子稳定性和反应活性的关系，以及它与吸收光谱的联系。 2.2 键的性质与分子几何键级与键长：利用分子轨道理论计算键级，并将其与实验测定的键长和键强度关联起来。共振：探讨共振结构如何用分子轨道理论来描述，以及共振对分子稳定性的贡献。分子轨道图的绘制与分析：引导读者如何为不同分子绘制分子轨道图，并从中推断分子的键性质、磁性质（顺磁性/抗磁性）和基态电子排布。 VSEPR理论的量子化学解释：尝试从电子云的空间排布出发，为价层电子对互斥理论（VSEPR）提供更深层次的量子力学解释，理解不同几何构型下的能量最优化。 2.3 电子相关性与近似方法多体问题与电子相关性：讨论多电子体系中电子之间的库仑斥力是导致精确计算困难的主要原因。 Hartree-Fock（HF）方法：详细介绍Hartree-Fock方法的核心思想——平均场近似，以及其迭代求解过程。我们将分析HF方法的优点和局限性，包括其忽略了电子相关性。后-Hartree-Fock方法：简要介绍克服HF方法不足的更高级理论，如组态相互作用（CI）、耦合簇（CC）理论和密度泛函理论（DFT）。重点阐述DFT的基本原理，即通过电子密度而非波函数来描述体系性质，以及其在实际应用中的强大优势。第三部分：量子化学在实际化学问题中的应用本部分将聚焦于如何运用量子化学的理论和方法来解决具体的化学问题，涵盖反应机理、光谱分析、材料设计等方面。 3.1 反应机理与过渡态理论反应路径的能量扫描：介绍如何通过计算反应路径上不同几何构型的能量，来确定反应的活化能和能量变化。过渡态的寻找与表征：讲解如何使用量子化学计算来定位反应的过渡态，并通过计算其振动频率来验证其过渡态性质（虚频）。协同反应与Woodward-Hoffmann规则：结合分子轨道对称性守恒原理，解释为何某些协同反应（如Diels-Alder反应）可以高效发生，并如何运用Woodward-Hoffmann规则进行预测。自由基反应机理：讨论如何利用自旋多重度等概念，结合量子化学计算来研究自由基的形成、反应和稳定性。 3.2 光谱分析的量子化学基础紫外-可见吸收光谱：阐述紫外-可见光谱与分子中电子跃迁的关系，特别是HOMO-LUMO跃迁。我们将解释共轭体系如何导致吸收波长红移。红外光谱（IR）与拉曼光谱：探讨分子振动模式与红外和拉曼光谱的对应关系，并说明如何通过计算分子振动频率来指认官能团和分析分子结构。核磁共振（NMR）光谱：介绍NMR信号的产生机制，包括化学位移、自旋-偶合等，并解释如何利用计算化学来预测和解释NMR谱图，例如计算化学位移张量。荧光与磷光：解释荧光和磷光的物理过程，以及它们与分子电子结构和激发态性质的关系。 3.3 材料设计与性质预测电子材料：探讨如何利用量子化学计算来设计具有特定导电性、半导体性质或超导性质的材料。我们将关注能带结构、电荷传输等。催化剂设计：解释如何通过计算研究催化剂表面的吸附过程、反应能垒，来优化催化剂的活性和选择性。药物分子设计：介绍量子化学在药物分子设计中的作用，包括预测分子的活性、毒性、代谢过程，以及如何通过结构优化来提高药物疗效。光谱性质预测：针对有机发光二极管（OLED）等领域，讲解如何计算分子的发光波长、效率和色度，为材料筛选提供依据。第四部分：计算量子化学工具与实践本部分将介绍常用的计算量子化学软件，并提供实际操作指南，帮助读者将理论知识转化为实践能力。 4.1 常用量子化学计算软件介绍 Gaussian, ORCA, NWChem, GAMESS等：简要介绍这些主流计算软件的特点、优势和适用范围。输入文件格式与关键字：讲解如何构建计算任务的输入文件，理解常用关键字的含义，例如基组的选择、理论方法的设定、任务类型（能量计算、几何优化、频率计算等）。 4.2 计算流程与结果分析几何优化：详细介绍如何进行分子几何优化，以找到能量最低的构象。频率计算：阐述频率计算的重要性，用于确认计算得到的结构是否为能量极小点（无虚频）或过渡态（一个虚频），以及计算热力学参数。单点能计算：介绍如何进行单点能计算，以获取特定构型的能量值。反应能与活化能计算：说明如何通过多个单点能或优化结构的能量差来计算反应能和活化能。可视化工具：介绍利用如 Avogadro, VMD, Molden 等软件可视化分子结构、轨道、电荷分布等计算结果的方法。 4.3 常见计算错误与疑难解答基组选择的影响：探讨不同基组对计算精度和计算时间的影响，以及如何选择合适的基组。理论方法的选择：分析不同理论方法（从HF到高精度方法）的优缺点，以及如何根据问题需求选择合适的理论方法。计算结果的合理性判断：提供判断计算结果是否合理的通用原则和技巧。结论本书旨在为读者打开量子化学的殿堂之门，使之能够自信地运用这一强大的工具来探索和理解化学世界的奥秘。我们鼓励读者在理论学习的基础上，积极动手进行计算实践，将所学知识应用于解决实际的化学问题，从而在科研或学习中取得更大的突破。掌握量子化学，就是掌握理解分子世界运作规律的金钥匙。