基礎(chǔ)量子化學(xué)與應(yīng)用

前言

　　自1997年，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院開(kāi)始進(jìn)行面向21世紀(jì)的化學(xué)教育改革試點(diǎn)，首先參考了國(guó)內(nèi)外高校的先進(jìn)化學(xué)教育方案，設(shè)計(jì)了一套創(chuàng)新的教學(xué)計(jì)劃和課程體系，優(yōu)化的化學(xué)課程設(shè)置體例如下?！　〈髮W(xué)本科一年級(jí)第一門(mén)啟蒙課程“化學(xué)概論”，即國(guó)際高校通行的General Chemistry，過(guò)去此課程名稱(chēng)錯(cuò)譯為“普通化學(xué)”，在當(dāng)前改革大潮之際，應(yīng)及時(shí)加以糾正。經(jīng)征求教育部高教司的同意，正式定名為“化學(xué)概論”。這門(mén)課程的教學(xué)目的是：以概論的形式向?qū)W生講授化學(xué)學(xué)科的科學(xué)屬性，它在科學(xué)體系中的地位及其與其他相關(guān)學(xué)科的關(guān)系，它在人類(lèi)社會(huì)中對(duì)人類(lèi)生活與生產(chǎn)的作用與意義；本學(xué)科的發(fā)展歷程和它在當(dāng)代的發(fā)展形勢(shì)，特別是它的分支學(xué)科與邊緣交叉學(xué)科在進(jìn)入新世紀(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，它對(duì)支持人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中的重要作用；本學(xué)科的教學(xué)計(jì)劃和培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)學(xué)生的要求等等。本課程是一門(mén)學(xué)科概貌的引論課，是高中化學(xué)與大學(xué)化學(xué)溝通的橋梁課，既是通才教育課，又是素質(zhì)教育課，同時(shí)也是本門(mén)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)講授課，教書(shū)育人，多種任務(wù)并舉。采用的主教材是申泮文主編的《近代化學(xué)導(dǎo)論》（高等教育出版社，2002）。

內(nèi)容概要

　　《基礎(chǔ)量子化學(xué)與應(yīng)用》共13章，分二三個(gè)部分，第1～5章為基本原理及定性部分；第6～10章為定量部分；第11～13章為專(zhuān)題。在化學(xué)鍵理論中討論了共價(jià)鍵、配價(jià)鍵、金屬鍵的多種模型，對(duì)獲Nobel獎(jiǎng)的“前線(xiàn)軌道理論、量子化學(xué)計(jì)算方法中的從頭計(jì)算法和密度泛函法”作了重點(diǎn)介紹，同時(shí)也介紹了IR、uV、NMR、EsR等光譜的基礎(chǔ)。書(shū)中安排了應(yīng)用Gaussian程序的上機(jī)計(jì)算內(nèi)容，還討論了化學(xué)反應(yīng)速率、固體量子化學(xué)及分子工程學(xué)中量子化學(xué)的作用?！　　痘A(chǔ)量子化學(xué)與應(yīng)用》可作為高等學(xué)?；瘜W(xué)、化工專(zhuān)業(yè)本科高年級(jí)學(xué)生及非物理化學(xué)研究生的教材，也可作為相關(guān)々業(yè)學(xué)生及技術(shù)人員的參考書(shū)。

作者簡(jiǎn)介

　　劉靖疆，1934年生于天津。1955年畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)系。長(zhǎng)期以來(lái)從事結(jié)構(gòu)化學(xué)和應(yīng)用量子化學(xué)方面的教學(xué)和科研工作。為全國(guó)科學(xué)大會(huì)集體獎(jiǎng)技術(shù)骨干；還曾獲得部級(jí)科技二等獎(jiǎng)，譯著各一部，論文五十余篇?，F(xiàn)為南開(kāi)大學(xué)教授。

書(shū)籍目錄

第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)一、基本假設(shè)1.假設(shè)I——狀態(tài)函數(shù)和概率2.假設(shè)Ⅱ——力學(xué)量與線(xiàn)性Hermite算符3.假設(shè)Ⅲ——本征態(tài)和本征值4.假設(shè)Ⅳ——平均值5.假設(shè)V——態(tài)隨時(shí)間變化的Schrodinger方程6.示例二、算符1.算符的相等2.算符的加法和乘法3.算符的對(duì)易4.線(xiàn)性算符5.算符的本征值與本征函數(shù)6.Hermite算符三、力學(xué)量同時(shí)具有確定值的條件四、不確定性原理五、Pauli原理六、Hellmann-Feyman定理七、維里定理八、簡(jiǎn)單體系的精確解1.一維空間的自由粒子2.一維方勢(shì)阱3.一維諧振子4.粒子在有心力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)5.雙原子分子的轉(zhuǎn)動(dòng)6.小結(jié)九、Dirac符號(hào)1.內(nèi)積2.共軛線(xiàn)性算子3.單位算子4.矩陣元5.態(tài)及矩陣元的時(shí)間變率第二章 變分法與Hiickel分子軌道法一、變分法1.原理2.氦原子基態(tài)二、線(xiàn)性變分法三、HMO的基本原理1.假定2.舉例3.雜原子的引入四、具有重復(fù)單元分子的HMO——差分方程法1.多烯烴2.環(huán)多烯烴3.環(huán)烯烴的芳香性五、體系的處理1.LCB0近似2.LCA0方法第三章 定態(tài)微擾法與微擾分子軌道法一、定態(tài)微擾理論1.無(wú)簡(jiǎn)并情況下的一級(jí)微擾2.無(wú)簡(jiǎn)并情況下的二級(jí)微擾3.簡(jiǎn)并情況下的微擾4.類(lèi)氦離子的基態(tài)5.氫原子的Stark效應(yīng)二、PMO法1.庫(kù)侖積分β的改變對(duì)分子軌道的影響2.共振積分β的改變對(duì)分子軌道的影響三、PMO關(guān)于芳香性的討論四、廣義微擾理論1.分子間的一級(jí)微擾2.分子間的二級(jí)微擾3.廣義微擾理論第四章 化學(xué)鍵理論一、化學(xué)鍵二、共價(jià)鍵理論1．共價(jià)鍵的兩種模型2．價(jià)鍵理論3．分子軌道和定域化σ鍵4．共價(jià)的新定義與nxcπ格式5．價(jià)鍵理論與分子軌道理論在全組態(tài)意義下的統(tǒng)三、配價(jià)鍵理論1．晶體場(chǎng)理論2．分子軌道理論3．應(yīng)用示例：對(duì)稱(chēng)禁阻反應(yīng)的解禁四、金屬鍵理論1．自由電子理論2．價(jià)鍵理論五、分子力學(xué)1．分子力場(chǎng)2．分子間作用力場(chǎng)3．近期開(kāi)發(fā)出的力場(chǎng)第五章 前線(xiàn)軌道理論一、前線(xiàn)軌道理論概述1．原始的前線(xiàn)軌道理論2．前線(xiàn)軌道的相互作用3．應(yīng)用示例二、游離基反應(yīng)的前線(xiàn)軌道理論1．親核和親電游離基2．氫和鹵原子的奪取3．向雙鍵的加成反應(yīng)三、光化學(xué)反應(yīng)的前線(xiàn)軌道理論1．光化學(xué)反應(yīng)的前線(xiàn)軌道相互作用2．光化芳香取代反應(yīng)3．烯烴的二聚4．胸腺嘧啶的光致二聚四、微擾理論結(jié)果1．估算反應(yīng)性的前線(xiàn)軌道方程2．離子反應(yīng)3．雙烯加成的定向選擇性五、FMo的應(yīng)用范圍六、相互作用前線(xiàn)軌道第六章 群論簡(jiǎn)介一、群論基礎(chǔ)1．定義2．乘法表3．基在群元素作用下的變換二，群表示理論與特征標(biāo)1．群的矩陣表示2．不可約表示與可約表示3．特征標(biāo)三、對(duì)稱(chēng)匹配函數(shù)1．波函數(shù)作為不可約表示的基2．投影算符3．對(duì)稱(chēng)匹配函數(shù)的構(gòu)造四、久期行列式的簡(jiǎn)化1．積分值的判斷2．久期行列式的簡(jiǎn)化五、關(guān)于群的補(bǔ)充知識(shí)1．群元素的類(lèi)2．子群3．廣義正交定理4．有關(guān)不可約表示的幾個(gè)規(guī)則5．直積表示六、晶體場(chǎng)中中心原子的能級(jí)分裂1．原子軌道構(gòu)成三維旋轉(zhuǎn)群不可約表示基2．晶體場(chǎng)中的能級(jí)分裂七、分子振動(dòng)1．簡(jiǎn)正坐標(biāo)2．分子振動(dòng)可約表示特征標(biāo)；（R）的計(jì)算及分析3．對(duì)稱(chēng)坐標(biāo)的生成4．利用簡(jiǎn)并度判斷結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性八、位置群與商群l_位置群分析2．商群分析九、置換群1．置換與置換群2．輪換和對(duì)換3．共軛類(lèi)與分割4．Young表5．基函數(shù)附錄化學(xué)上重要對(duì)稱(chēng)群的特征標(biāo)表第七章 角動(dòng)量一、角動(dòng)量一般理論1．軌道角動(dòng)量算符2．軌道角動(dòng)量的對(duì)易關(guān)系二、原子的中心場(chǎng)近似三、自旋角動(dòng)量1．實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)2．自旋算符和自旋波函數(shù)3．自旋多重態(tài)4．自旋算符與波函數(shù)的矩陣表示四、角動(dòng)量耦合五、自旋一軌道相互作用六、自由的復(fù)雜原子1．組態(tài)及譜項(xiàng)2．波函數(shù)3．電子相互作用七、配體場(chǎng)中的離子1．弱場(chǎng)情況2．強(qiáng)場(chǎng)情況八、核自旋耦合與NMR1．兩個(gè)自旋1/2等同核的體系2．兩個(gè)自旋1/2非等同核的體系九、核與電子自旋耦合及ESR1．超精細(xì)分裂2．有機(jī)π自由基的ESR第八章 量子化學(xué)計(jì)算方法一、原子軌道線(xiàn)性組合的分子軌道法1．Hartree-Fock-Roothaan方程2．從頭計(jì)算法3．模型勢(shì)方法4．經(jīng)驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)方法二、密度泛函理論1．泛函與變分知識(shí)準(zhǔn)備2．Thomas-Fermi模型3．Hohenberg-Kohn引理4．：Hohenberg-Kohn定理5．Kohn-Sham方案6．廣義梯度近似7．離散變分的密度泛函理論8．應(yīng)用示例三、Xa方法1．方法概要2．應(yīng)用示例四、電子相關(guān)性1．組態(tài)相互作用法2．Mller-Plesset微擾法3．密度函數(shù)方法五、大分子體系的量子化學(xué)計(jì)算方法進(jìn)展1．定域分子軌道法2．線(xiàn)性標(biāo)度半經(jīng)驗(yàn)量子化學(xué)方法上機(jī)實(shí)習(xí)1．標(biāo)準(zhǔn)幾何模型2．計(jì)算題第九章 含時(shí)微擾與光譜躍遷一、含時(shí)微擾二、Einstein吸收和發(fā)射系數(shù)三、躍遷矩四、氫原子的選擇定則五、簡(jiǎn)諧振子的選擇定則六、多原子分子的電子光譜1．Fran：k-Condon原理2．多原子分子電子光譜概況3．電荷轉(zhuǎn)移躍遷七、躍遷概率的群論討論1．原則表述2．電子光譜3．振動(dòng)光譜八、旋光性與圓二色性譜第十章 量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)概述一、三種統(tǒng)計(jì)系綜二、三種統(tǒng)計(jì)法1．Bose-Einstein統(tǒng)計(jì)法2．Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì)法3．Maxwell-Boltzmann統(tǒng)計(jì)法4．理想氣體的：Boltzmann統(tǒng)計(jì)三、應(yīng)用示例1．橡膠的高彈性2．金屬中自由電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn)3．光的黑體輻射4．固體熱容5．超導(dǎo)電性與超流動(dòng)性第十一章 化學(xué)反應(yīng)速率一、過(guò)渡狀態(tài)理論1．基本假定2．Eyring公式3．幾點(diǎn)討論和發(fā)展二、勢(shì)能面1．若干實(shí)例2．幾個(gè)基本概念3．溶劑效應(yīng)三、內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)四、微觀(guān)反應(yīng)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果1．紅外化學(xué)發(fā)光法2．激光誘導(dǎo)熒光法3．交叉分子束五、分子的碰撞截面1．反應(yīng)碰撞截面2．勢(shì)能線(xiàn)膺相交與魚(yú)叉機(jī)理3．反應(yīng)截面與速率常數(shù)六、反應(yīng)散射的量子理論1．散射矩陣2．Lippmann-Schwinger方程3．Born近似4．重疊法第十二章 固體量子化學(xué)一、空間群二、倒易晶格1．晶格周期性2．倒易晶格具有晶格同樣的點(diǎn)群3．Brillouin區(qū)三、Bloch函數(shù)1．Bmrn-vonKarmann循環(huán)邊界條件2．平移對(duì)稱(chēng)性3．Bloch函數(shù)四、時(shí)間反演與Kramers簡(jiǎn)并五、能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度l_能帶結(jié)構(gòu)2．態(tài)密度六、固體量子化學(xué)計(jì)算方法1．晶體軌道法2．分子簇法1．簡(jiǎn)正坐標(biāo)表示的經(jīng)典Htamilton2．Hamilton算符的二次量子化表示3．粒子數(shù)表象八、電子一聲子相互作用與電阻九、離子晶體的鐵磁性十、低維固體及其電性質(zhì)1．Peierls不穩(wěn)定性2．孤子十一、高溫超導(dǎo)體1．AxC602．氧化物超導(dǎo)體第十三章 量子化學(xué)與分子力學(xué)在分子設(shè)計(jì)及分子工程學(xué)中的應(yīng)用一、藥物設(shè)計(jì)1．間接藥物設(shè)計(jì)2．直接藥物設(shè)計(jì)3．成功例證二、非線(xiàn)性光學(xué)材料1．無(wú)機(jī)倍頻晶體2．有機(jī)非線(xiàn)性光學(xué)材料三、超硬材料的設(shè)計(jì)與合成四、高能密度材料的理論探索1．氮原子簇2．（CH）8-nNn型化合物3．環(huán)五甲撐五硝胺4．多異氰基立方烷五、緩蝕劑1．緩蝕機(jī)理探討2．新緩蝕劑的設(shè)計(jì)與合成六、麝香香氣的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1．麝香香氣化合物的結(jié)構(gòu)類(lèi)型2．麝香香氣產(chǎn)生的分子作用模型3．硝基麝香的作用模型七、電致發(fā)光材料附錄1．基本常數(shù)及換算因子2．Gaussian98程序使用簡(jiǎn)介

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