理論化學(xué)原理與應(yīng)用

前言

化學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，具有堅(jiān)實(shí)的理論體系。化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為實(shí)驗(yàn)與理論并重的科學(xué)，理論化學(xué)可以更深刻地揭示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的本質(zhì)并闡述規(guī)律，在許多情況下，還可以對(duì)結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行預(yù)測(cè)從而促進(jìn)學(xué)科的發(fā)展。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)在“十五”期間，設(shè)立了專項(xiàng)基金資助理論化學(xué)的發(fā)展，就是因?yàn)榭紤]到理論化學(xué)的重要性。理論化學(xué)在我國(guó)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(jì)50年代開始，長(zhǎng)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(xué)術(shù)骨干。近年來(lái)，隨著國(guó)家加大了對(duì)基礎(chǔ)研究的支持力度，化學(xué)在整體上進(jìn)入了快速發(fā)展階段，在國(guó)際上的地位迅速提升。一批優(yōu)秀的青年學(xué)者從海外學(xué)成歸來(lái)，理論化學(xué)的發(fā)展也進(jìn)入了一個(gè)新階段，無(wú)論是在基礎(chǔ)理論方法發(fā)展還是在計(jì)算化學(xué)的應(yīng)用方面都產(chǎn)生了一批在國(guó)際上很有影響力的研究成果。2005年10月，黎樂民先生邀請(qǐng)我參加了在桂林召開的第九屆全國(guó)量子化學(xué)大會(huì)?？吹絿?guó)內(nèi)一批青年學(xué)者在近年來(lái)快速成長(zhǎng)，我深有感觸。因此，會(huì)議期間我與帥志剛和邵久書交談，詢問(wèn)起組織出版一本理論化學(xué)研究進(jìn)展專著的可能性。將近三年過(guò)去了，兩位學(xué)者花費(fèi)了大量心血，組織撰寫的《理論化學(xué)原理與應(yīng)用》終于由科學(xué)出版社出版了。這是很值得慶賀的。參加編寫的十幾位科學(xué)家大都得到理論化學(xué)專項(xiàng)基金的資助，活躍在國(guó)際前沿研究領(lǐng)域。該書集中介紹了他們近年來(lái)所從事該研究領(lǐng)域的進(jìn)展。從內(nèi)容來(lái)看，該書包括了量子化學(xué)的方法發(fā)展，化學(xué)動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的新進(jìn)展，以及理論化學(xué)在功能材料、生命體系和催化過(guò)程的應(yīng)用。我相信該書的出版對(duì)國(guó)內(nèi)理論化學(xué)研究可以起到促進(jìn)作用，因?yàn)樵摃粌H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(xué)工作者特別是研究生、博士后和青年科研人員，通過(guò)閱讀該書，更有效、迅速地進(jìn)入研究前沿，既可以從中學(xué)習(xí)到已有的理論工具，又對(duì)前沿方向有一定的把握。

內(nèi)容概要

理論化學(xué)建立于量子物理和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基礎(chǔ)上，它既是現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)又是學(xué)科的前沿，具有重要挑戰(zhàn)性。任何一門自然科學(xué)都離不開深入的理論研究，否則就難以形成完整的學(xué)科體系。本書匯集了國(guó)內(nèi)多個(gè)研究機(jī)構(gòu)近20個(gè)理論化學(xué)研究小組近年來(lái)所取得的科研積累，詳細(xì)介紹了他們?cè)诶碚摶瘜W(xué)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(shì)。內(nèi)容包括電子結(jié)構(gòu)理論、動(dòng)力學(xué)理論和分子光譜、非平衡統(tǒng)計(jì)理論、功能材料理論設(shè)計(jì)、催化理論以及生物酶催化等。    本書可供從事理論與計(jì)算化學(xué)、分子模擬、功能材料科學(xué)等領(lǐng)域的科研人員及研究生閱讀、參考。

作者簡(jiǎn)介

帥志剛
江西鉛山人，清華大學(xué)化學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域?yàn)槔碚摶瘜W(xué)、有機(jī)功能材料理論計(jì)算與模擬；主要是如何理論預(yù)測(cè)材料的性能，比如看到一個(gè)分子結(jié)構(gòu)，在不用實(shí)驗(yàn)的前提下，預(yù)測(cè)它的發(fā)光效率。
學(xué)習(xí)簡(jiǎn)歷：
1979.9-1983.7 中山大學(xué)物理系理學(xué)學(xué)士學(xué)位物理專業(yè)
1983.9-1986.7 暨南大學(xué)物理系、武漢大學(xué)物理系理學(xué)碩士學(xué)位固體物理專業(yè)
1986.9-1989.7 復(fù)旦大學(xué)物理系 理學(xué)博士學(xué)位理論物理專業(yè)
工作簡(jiǎn)歷：
1989.8-1990.2 復(fù)旦大學(xué)物理系研究助理（孫鑫教授課題組）
1990.3-2001.12 比利時(shí)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(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室，百人計(jì)劃、研究員、博士生導(dǎo)師
2008.5-至今清華大學(xué)化學(xué)系，百人計(jì)劃、教授、博士生導(dǎo)師
主要獲獎(jiǎng)與榮譽(yù)：
2004 中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃結(jié)題評(píng)估“優(yōu)秀”（前20%）
2004 國(guó)家杰出青年科學(xué)基金
2006 國(guó)家人事部等7部委“新世紀(jì)百千萬(wàn)人才國(guó)家級(jí)人選”
2008 當(dāng)選國(guó)際量子分子科學(xué)院(International Academy of Quantum Molecular Science)院士，成為繼我國(guó)著名量子化學(xué)家唐敖慶教授后，中國(guó)第二位當(dāng)選的院士。
部分國(guó)際交流與合作：
1993.2-5：美國(guó)麻省理工學(xué)院化學(xué)系、休斯敦大學(xué)物理系 訪問(wèn)學(xué)者，合作研究
1994.2-5：美國(guó)Los Alamos National Laboratory, 凝聚態(tài)與統(tǒng)計(jì)物理研究室，訪問(wèn)學(xué)者
1995.9-11：印度Indian Institute of Science, Bangalore, 訪問(wèn)學(xué)者，合作研究
1996.9-10：美國(guó)Carnegie-Mellon University 合作研究
2001.7-8：美國(guó)University of Arizona 訪問(wèn)學(xué)者
主要學(xué)術(shù)兼職：
《中國(guó)科學(xué)：化學(xué)》編委
《Journal of Theoretical & Computational Chemistry》(World Scientific, Singapore)，Advisory Editor
《分子科學(xué)學(xué)報(bào)》編委
中國(guó)化學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng)、理事、國(guó)際事務(wù)工作委員會(huì)主任
中國(guó)化學(xué)會(huì)理論化學(xué)專業(yè)委員會(huì)副主任
中國(guó)化學(xué)會(huì)有機(jī)固體專業(yè)委員會(huì)委員
北京大學(xué)兼職教授
東北師范大學(xué)客座教授
近期發(fā)表著作：
《理論化學(xué)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(xué)出版社，北京，2008
《分子科學(xué)前沿》第10章“理論化學(xué)”，帥志剛、邵久書，科學(xué)出版社，北京，2007
《功能材料化學(xué)進(jìn)展》第8章“有機(jī)功能材料理論研究進(jìn)展”，帥志剛，化學(xué)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(xué)概論  　0.1　引言　  0.2　量子化學(xué)　  0.3　化學(xué)動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)　  0.4　理論與計(jì)算化學(xué)應(yīng)用　  0.5　展望　  參考文獻(xiàn)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(shí)密度泛函理論　    1.3.1　含時(shí)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(qiáng)度    1.4　密度泛函理論的擴(kuò)展形式　　　1.4.1　強(qiáng)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(duì)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(xué)到固體能帶理論　　  1.5.2　格點(diǎn)：有限差分和有限元　　  1.5.3　小波方法　　1.6　線性標(biāo)度計(jì)算方法　　  1.6.1  實(shí)現(xiàn)線性標(biāo)度的目的和根據(jù)的基本原理　　  1.6.2  自洽場(chǎng)中的線性標(biāo)度方法　  　1.6.3　描述分子物理特性的線性標(biāo)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(xué)　　  1.7.6　分子光譜　　  1.7.7　分子動(dòng)力學(xué)　　參考文獻(xiàn)　第2章  相對(duì)論量子化學(xué)基本原理及相對(duì)論密度泛函理論　　2.1　引言　　  2.1.1　相對(duì)論效應(yīng)　　  2.1.2　Dirac方程與負(fù)能態(tài)問(wèn)題　　2.2　相對(duì)論量子化學(xué)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(dòng)力學(xué)（QED）簡(jiǎn)介　　2.3　矩陣表示　　  2.3.1  中心場(chǎng)本征函數(shù)　　  2.3.2　基函數(shù)：動(dòng)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(duì)論密度泛函理論　　  2.4.1　Dirac-Kohn-Sham（DKS）方程　　  2.4.2　準(zhǔn)四分量方法　　  2.4.3　新一代準(zhǔn)相對(duì)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(dòng)電荷分子力場(chǎng)　第4章　耦合簇方法的研究進(jìn)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(yàn)價(jià)鍵理論第二篇  化學(xué)動(dòng)力學(xué)和光譜及統(tǒng)計(jì)力學(xué)　第7章  多原子分子振轉(zhuǎn)光譜的精確量子力學(xué)研究　第8章  分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的含時(shí)波包與非絕熱過(guò)程理論　第9章  實(shí)時(shí)和虛時(shí)量子演化半經(jīng)典近似　第10章  化學(xué)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(jī)描述方法　第12章  量子耗散動(dòng)力學(xué)理論介紹　第13章  非平衡非線性化學(xué)動(dòng)力學(xué)第三篇  理論與計(jì)算化學(xué)應(yīng)用　第14章  有機(jī)電子學(xué)材料的理論化學(xué)研究　第15章  有機(jī)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(jī)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(xué)概論0.1 引言自然科學(xué)在西方也稱為精確科學(xué)。所謂精確科學(xué)，粗略地講就是可以進(jìn)行定量研究的學(xué)問(wèn)。人們通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)或推理計(jì)算進(jìn)入各自的研究領(lǐng)域。眾所周知，物理學(xué)和化學(xué)是自然科學(xué)的兩個(gè)基本的領(lǐng)域，它們的分支學(xué)科物理化學(xué)和化學(xué)物理的內(nèi)涵和目標(biāo)均有差異，但卻擔(dān)當(dāng)緊密連接兩門主學(xué)科的橋梁。物理學(xué)探求不同事物和現(xiàn)象的內(nèi)在統(tǒng)一規(guī)律，而化學(xué)則揭示原子分子世界繽紛多彩的相異性根源；兩門主學(xué)科的立足點(diǎn)不同，思想方法也不同。換而言之，物理學(xué)和化學(xué)都追求精確性但聚焦于不同的層次上。物理學(xué)家宣稱量子電動(dòng)力學(xué)理論預(yù)測(cè)的電子的磁矩和實(shí)驗(yàn)測(cè)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(xué)研究又如何呢？化學(xué)家首先關(guān)心的是準(zhǔn)確地合成出具有指定結(jié)構(gòu)的任何分子。一個(gè)著名的例子是化學(xué)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(gè)獨(dú)立的分子片段組成，由于每個(gè)分子片段可取2個(gè)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?？舅刂皇瞧渲械囊环N，存在概率為10（-21）YoshitoKishi教授設(shè)計(jì)的合成路線竟能百分之百地得到該天然化合物，說(shuō)明化學(xué)研究的精湛已達(dá)到美妙絕倫的境界。其背景之一應(yīng)歸功于量子力學(xué)的建立，派生出理論與計(jì)算化學(xué)的知識(shí)框架，促使化學(xué)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(dòng)力學(xué)的規(guī)律，指導(dǎo)新物質(zhì)的合成和設(shè)計(jì)。本書的主題就是討論理論與計(jì)算化學(xué)的最新進(jìn)展。它涉及的內(nèi)容包括三個(gè)方面：分子和凝聚（組裝）體系結(jié)構(gòu)、化學(xué)分子動(dòng)力學(xué)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(xué)發(fā)展的動(dòng)力。相對(duì)于其他基礎(chǔ)科學(xué)分支，化學(xué)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(dòng)?，F(xiàn)今，化學(xué)已成為一門核心、實(shí)用、創(chuàng)造性的基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，它為人類認(rèn)識(shí)世界和社會(huì)文明與進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)。在化學(xué)分支學(xué)科中，理論與計(jì)算化學(xué)的發(fā)展歷史相對(duì)較短，尚不足百年，但其影響顯著，且與日俱增。

編輯推薦

《理論化學(xué)原理與應(yīng)用》可供從事理論與計(jì)算化學(xué)、分子模擬、功能材料科學(xué)等領(lǐng)域的科研人員及研究生閱讀、參考。

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