理論化學原理與應(yīng)用

前言

化學是一門基礎(chǔ)學科，具有堅實的理論體系?；瘜W已經(jīng)發(fā)展成為實驗與理論并重的科學，理論化學可以更深刻地揭示實驗結(jié)果的本質(zhì)并闡述規(guī)律，在許多情況下，還可以對結(jié)構(gòu)與性能進行預(yù)測從而促進學科的發(fā)展。國家自然科學基金委員會在“十五”期間，設(shè)立了專項基金資助理論化學的發(fā)展，就是因為考慮到理論化學的重要性。理論化學在我國有很好的基礎(chǔ)，在唐敖慶院士和徐光憲院士的努力和帶領(lǐng)下，從20世紀50年代開始，長期開展基礎(chǔ)理論研究，取得了許多重要成果，培養(yǎng)了一大批學術(shù)骨干。近年來，隨著國家加大了對基礎(chǔ)研究的支持力度，化學在整體上進入了快速發(fā)展階段，在國際上的地位迅速提升。一批優(yōu)秀的青年學者從海外學成歸來，理論化學的發(fā)展也進入了一個新階段，無論是在基礎(chǔ)理論方法發(fā)展還是在計算化學的應(yīng)用方面都產(chǎn)生了一批在國際上很有影響力的研究成果。2005年10月，黎樂民先生邀請我參加了在桂林召開的第九屆全國量子化學大會。看到國內(nèi)一批青年學者在近年來快速成長，我深有感觸。因此，會議期間我與帥志剛和邵久書交談，詢問起組織出版一本理論化學研究進展專著的可能性。將近三年過去了，兩位學者花費了大量心血，組織撰寫的《理論化學原理與應(yīng)用》終于由科學出版社出版了。這是很值得慶賀的。參加編寫的十幾位科學家大都得到理論化學專項基金的資助，活躍在國際前沿研究領(lǐng)域。該書集中介紹了他們近年來所從事該研究領(lǐng)域的進展。從內(nèi)容來看，該書包括了量子化學的方法發(fā)展，化學動力學和統(tǒng)計力學的新進展，以及理論化學在功能材料、生命體系和催化過程的應(yīng)用。我相信該書的出版對國內(nèi)理論化學研究可以起到促進作用，因為該書不僅僅是優(yōu)秀研究工作的總結(jié)，更重要的是可以讓年輕的理論化學工作者特別是研究生、博士后和青年科研人員，通過閱讀該書，更有效、迅速地進入研究前沿，既可以從中學習到已有的理論工具，又對前沿方向有一定的把握。

內(nèi)容概要

理論化學建立于量子物理和統(tǒng)計力學的基礎(chǔ)上，它既是現(xiàn)代化學的基礎(chǔ)又是學科的前沿，具有重要挑戰(zhàn)性。任何一門自然科學都離不開深入的理論研究，否則就難以形成完整的學科體系。本書匯集了國內(nèi)多個研究機構(gòu)近20個理論化學研究小組近年來所取得的科研積累，詳細介紹了他們在理論化學研究中所取得的突出研究成果，并闡述了該領(lǐng)域的前沿發(fā)展趨勢。內(nèi)容包括電子結(jié)構(gòu)理論、動力學理論和分子光譜、非平衡統(tǒng)計理論、功能材料理論設(shè)計、催化理論以及生物酶催化等。    本書可供從事理論與計算化學、分子模擬、功能材料科學等領(lǐng)域的科研人員及研究生閱讀、參考。

作者簡介

帥志剛
江西鉛山人，清華大學化學系教授，博士生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域為理論化學、有機功能材料理論計算與模擬；主要是如何理論預(yù)測材料的性能，比如看到一個分子結(jié)構(gòu)，在不用實驗的前提下，預(yù)測它的發(fā)光效率。
學習簡歷：
1979.9-1983.7 中山大學物理系理學學士學位物理專業(yè)
1983.9-1986.7 暨南大學物理系、武漢大學物理系理學碩士學位固體物理專業(yè)
1986.9-1989.7 復(fù)旦大學物理系 理學博士學位理論物理專業(yè)
工作簡歷：
1989.8-1990.2 復(fù)旦大學物理系研究助理（孫鑫教授課題組）
1990.3-2001.12 比利時University of Mons-Hainaut, Laboratory of Chemistry for Novel Materials, 博士后、研究助理、研究員
2002.1-2008.4 中國科學院化學研究所有機固體實驗室，百人計劃、研究員、博士生導(dǎo)師
2008.5-至今清華大學化學系，百人計劃、教授、博士生導(dǎo)師
主要獲獎與榮譽：
2004 中國科學院百人計劃結(jié)題評估“優(yōu)秀”（前20%）
2004 國家杰出青年科學基金
2006 國家人事部等7部委“新世紀百千萬人才國家級人選”
2008 當選國際量子分子科學院(International Academy of Quantum Molecular Science)院士，成為繼我國著名量子化學家唐敖慶教授后，中國第二位當選的院士。
部分國際交流與合作：
1993.2-5：美國麻省理工學院化學系、休斯敦大學物理系 訪問學者，合作研究
1994.2-5：美國Los Alamos National Laboratory, 凝聚態(tài)與統(tǒng)計物理研究室，訪問學者
1995.9-11：印度Indian Institute of Science, Bangalore, 訪問學者，合作研究
1996.9-10：美國Carnegie-Mellon University 合作研究
2001.7-8：美國University of Arizona 訪問學者
主要學術(shù)兼職：
《中國科學：化學》編委
《Journal of Theoretical & Computational Chemistry》(World Scientific, Singapore)，Advisory Editor
《分子科學學報》編委
中國化學會副秘書長、理事、國際事務(wù)工作委員會主任
中國化學會理論化學專業(yè)委員會副主任
中國化學會有機固體專業(yè)委員會委員
北京大學兼職教授
東北師范大學客座教授
近期發(fā)表著作：
《理論化學原理與應(yīng)用》，帥志剛、邵久書等編著，第0（部分）、第4（部分）、6（部分）、14、15章，科學出版社，北京，2008
《分子科學前沿》第10章“理論化學”，帥志剛、邵久書，科學出版社，北京，2007
《功能材料化學進展》第8章“有機功能材料理論研究進展”，帥志剛，化學工業(yè)出版社，北京，2005

書籍目錄

序一序二主編者的話各章（節(jié)）編寫人員第0章　理論化學概論  　0.1　引言　  0.2　量子化學　  0.3　化學動力學和統(tǒng)計力學　  0.4　理論與計算化學應(yīng)用　  0.5　展望　  參考文獻第一篇　電子結(jié)構(gòu)理論　第1章  密度泛函理論及其數(shù)值方法    1.1　密度泛函理論基本概念  　  1.1.1　從波函數(shù)到電子密度    　1.1.2　Hohenberg-Kohn定理：多體理論  　  1.1.3　Kohn-Sham方程：有效單體理論    1.2　交換關(guān)聯(lián)能量泛函　    1.2.1　交換關(guān)聯(lián)穴　    1.2.2　LDA和GGA　    1.2.3　軌道泛函與非局域泛函　    1.2.4　自相互作用修正　    1.2.5　GW近似    1.3　含時密度泛函理論　    1.3.1　含時密度泛函理論基本概念　    1.3.2　線性響應(yīng)　    1.3.3　激發(fā)態(tài)能量和振子強度    1.4　密度泛函理論的擴展形式　　　1.4.1　強關(guān)聯(lián)密度泛函理論　    1.4.2　流密度泛函理論　　  1.4.3　相對論性密度泛函理論　　  1.4.4　密度泛函微擾理論　　  1.4.5　極化和介電常數(shù)　　1.5　離散方法　　  1.5.1　基組：從量子化學到固體能帶理論　　  1.5.2　格點：有限差分和有限元　　  1.5.3　小波方法　　1.6　線性標度計算方法　　  1.6.1  實現(xiàn)線性標度的目的和根據(jù)的基本原理　　  1.6.2  自洽場中的線性標度方法　  　1.6.3　描述分子物理特性的線性標度方法　　1.7　密度泛函理論的應(yīng)用　　  1.7.1　效率與精度　　  1.7.2　材料物性　　  1.7.3　弱作用體系　　  1.7.4　生物大分子　　  1.7.5　分子電子學　　  1.7.6　分子光譜　　  1.7.7　分子動力學　　參考文獻　第2章  相對論量子化學基本原理及相對論密度泛函理論　　2.1　引言　　  2.1.1　相對論效應(yīng)　　  2.1.2　Dirac方程與負能態(tài)問題　　2.2　相對論量子化學方法與變分原理　　  2.2.1　哈密頓　　  2.2.2　Dirac—Hartree-Fock（DHF）方法：極小極大變分原理　　  2.2.3　量子電動力學（QED）簡介　　2.3　矩陣表示　　  2.3.1  中心場本征函數(shù)　　  2.3.2　基函數(shù)：動能平衡條件　　  2.3.3　原子四旋量線性組合：“用原子合成分子”　　2.4　相對論密度泛函理論　　  2.4.1　Dirac-Kohn-Sham（DKS）方程　　  2.4.2　準四分量方法　　  2.4.3　新一代準相對論方法XQR　　  2.4.4　交換相關(guān)作用：開殼層體系　　……　第3章  概念密度泛函理論與浮動電荷分子力場　第4章　耦合簇方法的研究進展　第5章　多參考態(tài)組態(tài)相互作用　第6章  密度矩陣重整化群與半經(jīng)驗價鍵理論第二篇  化學動力學和光譜及統(tǒng)計力學　第7章  多原子分子振轉(zhuǎn)光譜的精確量子力學研究　第8章  分子反應(yīng)動力學的含時波包與非絕熱過程理論　第9章  實時和虛時量子演化半經(jīng)典近似　第10章  化學反應(yīng)速率常數(shù)的量子瞬子理論　第11章  量子耗散體系隨機描述方法　第12章  量子耗散動力學理論介紹　第13章  非平衡非線性化學動力學第三篇  理論與計算化學應(yīng)用　第14章  有機電子學材料的理論化學研究　第15章  有機分子非線性光吸收理論　第16章  酶的結(jié)構(gòu)及催化反應(yīng)機理　第17章  多相催化理論模擬：現(xiàn)代簇模型方法　第18章  高分子材料的理論研究：從單分子鏈到分子聚集體

章節(jié)摘錄

插圖：第0章 理論化學概論0.1 引言自然科學在西方也稱為精確科學。所謂精確科學，粗略地講就是可以進行定量研究的學問。人們通常通過實驗或推理計算進入各自的研究領(lǐng)域。眾所周知，物理學和化學是自然科學的兩個基本的領(lǐng)域，它們的分支學科物理化學和化學物理的內(nèi)涵和目標均有差異，但卻擔當緊密連接兩門主學科的橋梁。物理學探求不同事物和現(xiàn)象的內(nèi)在統(tǒng)一規(guī)律，而化學則揭示原子分子世界繽紛多彩的相異性根源；兩門主學科的立足點不同，思想方法也不同。換而言之，物理學和化學都追求精確性但聚焦于不同的層次上。物理學家宣稱量子電動力學理論預(yù)測的電子的磁矩和實驗測量值的偏差為10（-10）、理論的成功可謂令人嘆為觀止。那么化學研究又如何呢？化學家首先關(guān)心的是準確地合成出具有指定結(jié)構(gòu)的任何分子。一個著名的例子是化學家YoshitoKishi于1993年完成的?？舅谻（129）H（223）N（3）O（54）（palytoxin）的全合成。它由72個獨立的分子片段組成，由于每個分子片段可取2個不同構(gòu)型，因此共有2（72）或5×10（21）種可能的立體異構(gòu)體，而海葵毒素只是其中的一種，存在概率為10（-21）YoshitoKishi教授設(shè)計的合成路線竟能百分之百地得到該天然化合物，說明化學研究的精湛已達到美妙絕倫的境界。其背景之一應(yīng)歸功于量子力學的建立，派生出理論與計算化學的知識框架，促使化學家立足于原子、分子乃至電子結(jié)構(gòu)層次，去理解并掌握分子的結(jié)構(gòu)、性能和反應(yīng)動力學的規(guī)律，指導(dǎo)新物質(zhì)的合成和設(shè)計。本書的主題就是討論理論與計算化學的最新進展。它涉及的內(nèi)容包括三個方面：分子和凝聚（組裝）體系結(jié)構(gòu)、化學分子動力學和物質(zhì)性能。揭示自然的奧秘和利用自然規(guī)律以發(fā)展生產(chǎn)、改善生活是科學發(fā)展的動力。相對于其他基礎(chǔ)科學分支，化學更貼近人們的生活，它直接或間接地由人類物質(zhì)需求所推動?，F(xiàn)今，化學已成為一門核心、實用、創(chuàng)造性的基礎(chǔ)科學領(lǐng)域，它為人類認識世界和社會文明與進步做出了巨大的貢獻。在化學分支學科中，理論與計算化學的發(fā)展歷史相對較短，尚不足百年，但其影響顯著，且與日俱增。

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