計算化學

前言

　　在21世紀曙光初露，中國科技、教育面臨重大改革和蓬勃發(fā)展之際，《中國科學院研究生教學叢書》——這套凝聚了中國科學院新老科學家、研究生導師們多年心血的研究生教材面世了，相信這套叢書的出版，會在一定程度上緩解研究生教材不足的困難，對提高研究生教育質量起著積極的推動作用。　　21世紀將是科學技術日新月異，迅猛發(fā)展的新世紀，科學技術將成為經濟發(fā)展的最重要的資源和不竭的動力，成為經濟和社會發(fā)展的首要推動力量，世界各國之間綜合國力的競爭，實質上是科技實力的競爭，而一個國家科技實力的決定因素是它所擁有的科技人才的數(shù)量和質量，我國要想在2工世紀順利地實施“科教興國”和“可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略，實現(xiàn)鄧小平同志規(guī)劃的第三步戰(zhàn)略目標——把我國建設成中等發(fā)達國家，關鍵在于培養(yǎng)造就一支數(shù)量宏大、素質優(yōu)良、結構合理、有能力參與國際競爭與合作的科技大軍，這是擺在我國高等教育面前的一項十分繁重而光榮的戰(zhàn)略任務?！　≈袊茖W院作為我國自然科學與高新技術的綜合研究與發(fā)展中心，在建院之初就明確了出成果出人才并舉的辦院宗旨，長期堅持走科研與教育相結合的道路，發(fā)揮了高級科技專家多、科研條件好、科研水平高的優(yōu)勢，結合科研工作，積極培養(yǎng)研究生；在出成果的同時，為國家培養(yǎng)了數(shù)以萬計的研究生，當前，中國科學院正在按照江澤民同志關于中國科學院要努力建設好“三個基地”的指示，在建設具有國際先進水平的科學研究基地和促進高新技術產業(yè)發(fā)展基地的同時，加強研究生教育，努力建設好高級人才培養(yǎng)基地，在肩負起發(fā)展我國科學技術及促進高新技術產業(yè)發(fā)展重任的同時，為國家源源不斷地培養(yǎng)輸送大批高級科技人才。

內容概要

計算化學是近年來飛速發(fā)展的一門學科，它主要以分子模擬為工具實現(xiàn)各種核心化學問題的計算，架起了理論化學和實驗化學之間的橋梁。    本書在一個比較嚴格的理論框架中介紹了計算化學。全書分兩部分：基本原理篇和應用篇，共11章?；驹砥ǖ?-6章）包括：體系的經典力學描述，勢能面，分子動力學方法，Monte Carlo模擬，相關函數(shù)和近平衡態(tài)的量子統(tǒng)計理論；應用篇（第7-11章）包括：熱化學，輸運性質，分子光譜的模擬，固體材料和統(tǒng)計數(shù)學在藥物、材料設計上的應用。本書盡量介紹具有物理意義的方法，不得已才采用單純的數(shù)學模型。為了方便閱讀，本書備有附錄用來介紹重要的數(shù)學工具。    本書可作為化學、物理、材料科學、藥學、生命科學等有關專業(yè)領域高校教師、科研人員的參考書和研究生教材。

書籍目錄

序前言符號說明緒言參考文獻基本原理篇　第1章  體系的經典力學描述 　 1.1  基本概念 　 1.2  經典力學　　　1.2.1  最小作用量原理和Lagrange方程　　　1.2.2  Hamilton E則方程　　　1.2.3  最小作用量原理與：Hamilton正則方程　　　1.2.4  Hamilton—Jacobi方程  參考文獻　第2章  勢能面 　 2.1  Hohenberg-Kohn第一定理 　 2.2  分子結構文件表達方法　　　2.2.1  直角坐標表達法　　　2.2.2  內坐標法 　 2.3  勢能面及其特征 　 2.4  力場方法　　　2.4.1  力場方法的勢能表達形式　　　2.4.2  力場方法的本質和改進 　 2.5  能量極小化　　　2.5.1  單純形法　　　2.5.2  最速下降法　　　2.5.3  共軛梯度法　　　2.5.4  Newton-Raphson法  　2.6  尋找過渡態(tài)　　　2.6.1  過渡態(tài)附近的勢能面特征　　　2.6.2  勢能梯度的模方  參考文獻　第3章  分子動力學方法 　 3.1　初等分子動力學原理　　　3.1.1　Verlet法　　　3.1.2　蛙跳法　　　3.1.3　速度Verlet法　　　3.1.4　位置Verlet法　　　3.1.5　Beeman法　　　3.1.6　Gear法.  　3.2　隨機動力學模擬　　　3 2.1  Langovin方程及其形式解　　　3.2.2　隨機動力學中的蛙跳法  　3.3　限制性和約束性分子動力學模擬　　　3.3.1　限制性分子動力學模擬.　　　3.3.2　約束性分子動力學模擬——SHAKE法  　3.4　恒壓體系的模擬　　　3.4.1　標度變換恒壓法　　　3.4.2  (NpH)系綜的恒壓擴展法(Andersen法）　　　3.4.3  晶胞可變的(NpH)系綜的模擬——Parrinello-Rahman法  　3.5　恒溫體系的模擬　　　3.5.1  Woodcock變標度恒溫法　　　3.5.2  Berendsen變標度恒溫法.　　　3.5.3  Andersen熱浴法　　　3.5.4　恒溫擴展法——Nose動力學　　　3.5.5　Hoover動力學  　3.6　經典力學及其算符方法　　　3.6.1　概率密度分布函數(shù)、Liouville方程　　　3.6.2　經典Liouville算符、力學量的時間演化　　　3.6.3　經典演化算符、時間反演對稱性　　　3.6.4　Trotter定理和經典演化算符的因子化 　 3.7　多重時間尺度積分的分子動力學模擬 　 3.8　Hamilton體系的辛算法　　　3.8.1　Hamilton力學的辛結構.　　　3.8.2　正則變換的辛結構.　　　3.8.3　線性Hamilton體系　　　3.8.4  線性Hamilton體系的基于Pade逼近的辛格式　　　3.8.5　非線性Hamilton體系的Euler中點辛格式　　　3.8.6　辛算法實例  　3.9　Poincae回歸定理與分子動力學模擬　　　3.9.1　Poincare回歸定理　　……　第4章  Monte Carlo模擬　第5章  相關函數(shù)　第6章  近平衡態(tài)的量子統(tǒng)計理論應用篇　第7章  熱化學　第8章  輸運性質　第9章  分子光譜的模擬　第10章  固體材料　第11章  統(tǒng)計數(shù)學在藥物、材料設計上的應用附錄索引

章節(jié)摘錄

　　第2章 勢能面　　“我們不說那些由基本原理推（導）不出來的話?！薄　　涀钥εd林教授的書《高等量子力學》，高等教育出版社1999年版，第80頁　　本章從介紹Hohenberg－Kohn第一定理開始，在嚴格的量子理論的基礎上建立“結構決定一切”的思想.明確了對于處于基態(tài)的化學體系，只要知道它們的核骨架即分子結構，原則上就能以此為起點著手計算該體系的所有化學性質，核骨架就是位形空間中心位形，由此引出勢能超曲面，簡稱勢能面，分析勢能面的幾何特點，尤其是其中的極小點（即構象）和過渡態(tài)。　　通常分子模擬的第一步都是在計算機上采用各種分子設計軟件構建分子模型，接下來再進行幾何優(yōu)化、構象分析以期得到分子的基態(tài)結構，為此本章再介紹幾種能量優(yōu)化的方法：單純形法、最速下降法、共軛梯度法、Newton－Raphson法以及尋找過渡態(tài)的幾種方法。　　2.1 HOhenberg－K0hn第一定理　　由很多個電子和不同種類的多個原子核構成的體系稱為“多電子體系”，化學體系就其物質的根本組成來說也是一種多電子體系，化學家在其為數(shù)不多的科學判據中，很久以來就有一條結論：分子結構決定了分子的性質.這是化學家長期以來根據實驗事實歸納得到的經驗，從來也沒有被嚴格證明過，1964：年，加利福尼亞州大學的Walter Kohn教授和Hohenberg博士從SchrSdinger.方程出發(fā)“嚴格”地證明了它，構成了Kohn榮獲1998年諾貝爾化學獎的部分成就?！　ohenberg－Kohn第一定理　多電子體系若其基態(tài)是非簡并的，則該基態(tài)體系中核與電子的相互作用勢能v（r）唯一地取決于體系的電子密度p（r）（只差一個無關緊要的常數(shù)）　　證明　顯然，體系核骨架的幾何形狀決定了v（r），從SchrSdinger方程出發(fā)，用反證法求證如下。

編輯推薦

　　《計算化學：從理論化學到分子模擬》——這套凝聚了中國科學院新老科學家、研究生導師們多年心血的研究生教材面世了，相信這套叢書的出版，會在一定程度上緩解研究生教材不足的困難，對提高研究生教育質量起著積極的推動作用。

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