計(jì)算化學(xué)

前言

　　在21世紀(jì)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(xué)院研究生教學(xué)叢書》——這套凝聚了中國科學(xué)院新老科學(xué)家、研究生導(dǎo)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(huì)在一定程度上緩解研究生教材不足的困難，對(duì)提高研究生教育質(zhì)量起著積極的推動(dòng)作用?！　?1世紀(jì)將是科學(xué)技術(shù)日新月異，迅猛發(fā)展的新世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)將成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最重要的資源和不竭的動(dòng)力，成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的首要推動(dòng)力量，世界各國之間綜合國力的競爭，實(shí)質(zhì)上是科技實(shí)力的競爭，而一個(gè)國家科技實(shí)力的決定因素是它所擁有的科技人才的數(shù)量和質(zhì)量，我國要想在2工世紀(jì)順利地實(shí)施“科教興國”和“可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)鄧小平同志規(guī)劃的第三步戰(zhàn)略目標(biāo)——把我國建設(shè)成中等發(fā)達(dá)國家，關(guān)鍵在于培養(yǎng)造就一支數(shù)量宏大、素質(zhì)優(yōu)良、結(jié)構(gòu)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(xiàng)十分繁重而光榮的戰(zhàn)略任務(wù)?！　≈袊茖W(xué)院作為我國自然科學(xué)與高新技術(shù)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(jiān)持走科研與教育相結(jié)合的道路，發(fā)揮了高級(jí)科技專家多、科研條件好、科研水平高的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合科研工作，積極培養(yǎng)研究生；在出成果的同時(shí)，為國家培養(yǎng)了數(shù)以萬計(jì)的研究生，當(dāng)前，中國科學(xué)院正在按照江澤民同志關(guān)于中國科學(xué)院要努力建設(shè)好“三個(gè)基地”的指示，在建設(shè)具有國際先進(jìn)水平的科學(xué)研究基地和促進(jìn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展基地的同時(shí)，加強(qiáng)研究生教育，努力建設(shè)好高級(jí)人才培養(yǎng)基地，在肩負(fù)起發(fā)展我國科學(xué)技術(shù)及促進(jìn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展重任的同時(shí)，為國家源源不斷地培養(yǎng)輸送大批高級(jí)科技人才。

內(nèi)容概要

計(jì)算化學(xué)是近年來飛速發(fā)展的一門學(xué)科，它主要以分子模擬為工具實(shí)現(xiàn)各種核心化學(xué)問題的計(jì)算，架起了理論化學(xué)和實(shí)驗(yàn)化學(xué)之間的橋梁。    本書在一個(gè)比較嚴(yán)格的理論框架中介紹了計(jì)算化學(xué)。全書分兩部分：基本原理篇和應(yīng)用篇，共11章?；驹砥ǖ?-6章）包括：體系的經(jīng)典力學(xué)描述，勢(shì)能面，分子動(dòng)力學(xué)方法，Monte Carlo模擬，相關(guān)函數(shù)和近平衡態(tài)的量子統(tǒng)計(jì)理論；應(yīng)用篇（第7-11章）包括：熱化學(xué)，輸運(yùn)性質(zhì)，分子光譜的模擬，固體材料和統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)在藥物、材料設(shè)計(jì)上的應(yīng)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(xué)模型。為了方便閱讀，本書備有附錄用來介紹重要的數(shù)學(xué)工具。    本書可作為化學(xué)、物理、材料科學(xué)、藥學(xué)、生命科學(xué)等有關(guān)專業(yè)領(lǐng)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(hào)說明緒言參考文獻(xiàn)基本原理篇　第1章  體系的經(jīng)典力學(xué)描述 　 1.1  基本概念 　 1.2  經(jīng)典力學(xué)　　　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(xiàn)　第2章  勢(shì)能面 　 2.1  Hohenberg-Kohn第一定理 　 2.2  分子結(jié)構(gòu)文件表達(dá)方法　　　2.2.1  直角坐標(biāo)表達(dá)法　　　2.2.2  內(nèi)坐標(biāo)法 　 2.3  勢(shì)能面及其特征 　 2.4  力場(chǎng)方法　　　2.4.1  力場(chǎng)方法的勢(shì)能表達(dá)形式　　　2.4.2  力場(chǎng)方法的本質(zhì)和改進(jìn) 　 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(shì)能面特征　　　2.6.2  勢(shì)能梯度的模方  參考文獻(xiàn)　第3章  分子動(dòng)力學(xué)方法 　 3.1　初等分子動(dòng)力學(xué)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(jī)動(dòng)力學(xué)模擬　　　3 2.1  Langovin方程及其形式解　　　3.2.2　隨機(jī)動(dòng)力學(xué)中的蛙跳法  　3.3　限制性和約束性分子動(dòng)力學(xué)模擬　　　3.3.1　限制性分子動(dòng)力學(xué)模擬.　　　3.3.2　約束性分子動(dòng)力學(xué)模擬——SHAKE法  　3.4　恒壓體系的模擬　　　3.4.1　標(biāo)度變換恒壓法　　　3.4.2  (NpH)系綜的恒壓擴(kuò)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(biāo)度恒溫法　　　3.5.2  Berendsen變標(biāo)度恒溫法.　　　3.5.3  Andersen熱浴法　　　3.5.4　恒溫?cái)U(kuò)展法——Nose動(dòng)力學(xué)　　　3.5.5　Hoover動(dòng)力學(xué)  　3.6　經(jīng)典力學(xué)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(jīng)典Liouville算符、力學(xué)量的時(shí)間演化　　　3.6.3　經(jīng)典演化算符、時(shí)間反演對(duì)稱性　　　3.6.4　Trotter定理和經(jīng)典演化算符的因子化 　 3.7　多重時(shí)間尺度積分的分子動(dòng)力學(xué)模擬 　 3.8　Hamilton體系的辛算法　　　3.8.1　Hamilton力學(xué)的辛結(jié)構(gòu).　　　3.8.2　正則變換的辛結(jié)構(gòu).　　　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(diǎn)辛格式　　　3.8.6　辛算法實(shí)例  　3.9　Poincae回歸定理與分子動(dòng)力學(xué)模擬　　　3.9.1　Poincare回歸定理　　……　第4章  Monte Carlo模擬　第5章  相關(guān)函數(shù)　第6章  近平衡態(tài)的量子統(tǒng)計(jì)理論應(yīng)用篇　第7章  熱化學(xué)　第8章  輸運(yùn)性質(zhì)　第9章  分子光譜的模擬　第10章  固體材料　第11章  統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)在藥物、材料設(shè)計(jì)上的應(yīng)用附錄索引

章節(jié)摘錄

　　第2章 勢(shì)能面　　“我們不說那些由基本原理推（導(dǎo)）不出來的話?！薄　　涀钥εd林教授的書《高等量子力學(xué)》，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(yán)格的量子理論的基礎(chǔ)上建立“結(jié)構(gòu)決定一切”的思想.明確了對(duì)于處于基態(tài)的化學(xué)體系，只要知道它們的核骨架即分子結(jié)構(gòu)，原則上就能以此為起點(diǎn)著手計(jì)算該體系的所有化學(xué)性質(zhì)，核骨架就是位形空間中心位形，由此引出勢(shì)能超曲面，簡稱勢(shì)能面，分析勢(shì)能面的幾何特點(diǎn)，尤其是其中的極小點(diǎn)（即構(gòu)象）和過渡態(tài)?！　⊥ǔ７肿幽M的第一步都是在計(jì)算機(jī)上采用各種分子設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建分子模型，接下來再進(jìn)行幾何優(yōu)化、構(gòu)象分析以期得到分子的基態(tài)結(jié)構(gòu)，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?！　?.1 HOhenberg－K0hn第一定理　　由很多個(gè)電子和不同種類的多個(gè)原子核構(gòu)成的體系稱為“多電子體系”，化學(xué)體系就其物質(zhì)的根本組成來說也是一種多電子體系，化學(xué)家在其為數(shù)不多的科學(xué)判據(jù)中，很久以來就有一條結(jié)論：分子結(jié)構(gòu)決定了分子的性質(zhì).這是化學(xué)家長期以來根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)歸納得到的經(jīng)驗(yàn)，從來也沒有被嚴(yán)格證明過，1964：年，加利福尼亞州大學(xué)的Walter Kohn教授和Hohenberg博士從SchrSdinger.方程出發(fā)“嚴(yán)格”地證明了它，構(gòu)成了Kohn榮獲1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(shì)能v（r）唯一地取決于體系的電子密度p（r）（只差一個(gè)無關(guān)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(jì)算化學(xué)：從理論化學(xué)到分子模擬》——這套凝聚了中國科學(xué)院新老科學(xué)家、研究生導(dǎo)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(huì)在一定程度上緩解研究生教材不足的困難，對(duì)提高研究生教育質(zhì)量起著積極的推動(dòng)作用。

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