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出版者:科学出版社

作者:徐光宪

出品人:

页数:450

译者:

出版时间:2007

价格:55.00元

装帧:

isbn号码:9787030192134

丛书系列:量子化学 基本原理和从头计算法 第2版

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物质的深层构造：经典物理学的边界与微观世界的奇异图景 本书导读： 本书旨在带领读者深入探索物质世界最基础的构成与相互作用规律，它并非关注于我们日常可见宏观现象的经典描述，而是聚焦于原子、分子以及更微小粒子层面那些遵循着与宏观世界截然不同的奇特规则的领域。我们将穿越经典物理学的成熟地带，步入一个充满概率、叠加态和量子跃迁的迷人新境地。 第一部分：经典物理学的黄昏与微观世界的呼唤 在十九世纪末，物理学界普遍认为我们对自然界的理解已接近完整。牛顿的力学体系、麦克斯韦的电磁学理论，共同构建了一个确定、可预测的宏伟蓝图。然而，一系列新兴的实验现象如同不和谐的音符，开始动摇这一坚固的结构。 一、黑体辐射的悖论：能量的离散化 我们首先探讨了黑体辐射问题。一个理想化的物体（黑体）在不同温度下发出的电磁波谱，用经典的热力学理论去预测，必然会导致“紫外灾难”——即理论预测在短波长区域能量应趋于无穷大，这与实验观测到的平滑衰减曲线完全不符。 普朗克天才般地提出，能量的辐射与吸收并非连续变化的，而是以一份份最小的、不可再分的能量子的形式进行的，其能量与频率成正比：$E = h u$。这里的 $h$ 即为普朗克常数，标志着我们正式踏入了“量子”的门槛。本书将详述普朗克最初的假设如何从一个“权宜之计”演变为颠覆性的物理学基础。 二、光电效应的抉择：粒子性的回归 紧接着，我们分析了光电效应。实验表明，电子从金属表面逸出的能量只取决于光的频率，而与光的强度无关。爱因斯坦运用普朗克的能量量子概念，将光解释为由具有特定能量（光子）的粒子流构成。只有单个光子携带的能量达到某个阈值，才能“敲击”出电子。这种解释有力地证实了光的粒子性，与十九世纪末主流的光的波动性理论形成了鲜明的对比和深刻的矛盾。本书将详细剖析这一历史性的转折点。 三、原子的稳定之谜与玻尔模型的兴衰 卢瑟福的原子核式模型成功揭示了原子的结构，但根据经典电磁学理论，绕核运动的电子会不断辐射能量，并最终螺旋坠入原子核，这无法解释原子光谱的离散性——为什么原子只在特定的、不连续的频率上发射或吸收光？ 丹麦物理学家尼尔斯·玻尔引入了量子化假设来解决这一问题：电子只能在特定的、分立的“定态”轨道上运动，只有当电子在两个定态间跃迁时，才会发射或吸收能量恰好等于能级差的光子。本书将深入剖析玻尔模型的巨大成功（成功解释了氢原子光谱）及其局限性（无法解释更复杂的原子结构和光谱的精细结构）。 第二部分：矩阵、波函数与概率的王国 玻尔模型是通往现代量子理论的桥梁，但它本质上仍是“半经典”的。真正的现代量子力学在二十世纪二十年代中叶以两种等价的形式诞生，它们彻底抛弃了经典轨道图景。 四、海森堡的矩阵力学：运算与对易性 维尔纳·海森堡提出的矩阵力学是现代量子力学的第一个完整表述。它不再试图描述电子的经典轨道，而是专注于描述可直接观测的物理量（如能量、角动量）之间的数学关系。观测量被抽象为数学上的矩阵，物理量之间的乘法不再满足交换律，即著名的对易关系： $$[A, B] = AB - BA eq 0$$ 本书将详细介绍矩阵代数的运算规则如何映射到微观世界的物理实在中，并引出量子力学中最核心的限制之一。 五、薛定谔的波动力学：概率的波函数 紧随其后，埃尔温·薛定谔基于德布罗意提出的物质波概念（即微观粒子同时具有波动性），构建了著名的波动力学。他提出了核心的薛定谔方程，描述了粒子波函数 $Psi(r, t)$ 随时间演化的规律： $$ihbar frac{partial}{partial t} Psi = hat{H}Psi$$ 本书将重点阐述马克斯·玻恩对波函数的诠释：波函数的模方 $|Psi|^2$ 代表了在特定位置找到该粒子的概率密度。我们不再确定粒子在哪里，只能计算它“可能”在哪里。这是从确定性物理学向概率性物理学的根本性转变。 六、不确定性原理：观测的内在限制 矩阵力学和波动力学在数学上是等价的，它们共同导出了物理学中最深刻的限制之一——海森堡不确定性原理。该原理指出，我们不可能同时精确测量粒子的某些共轭量，例如位置 ($Delta x$) 和动量 ($Delta p$)，它们的不确定性存在一个乘积下限： $$Delta x Delta p geq frac{hbar}{2}$$ 本书将探讨这并非源于测量工具的精度限制，而是微观粒子固有的、内在的属性。观测行为本身不可避免地会扰动被观测的系统，从而决定了我们能获取信息的极限。 第三部分：量子理论的结构与多体系统的复杂性 一旦确立了核心数学框架，物理学家便开始用它来描述更复杂的现实问题，例如原子内部的电子排布和分子间的结合。 七、角动量与自旋的量子化 原子内部的电子不仅有能量的量子化，其角动量也必须是量子化的，并受到特定的量子数支配。更令人费解的是，电子被发现具有一种内在的、不依赖于其轨道运动的属性——自旋。自旋角动量也是量子化的，并且是半整数倍（如 $pm frac{1}{2}hbar$），这纯粹是量子世界的产物。本书将介绍斯特恩-革拉赫实验如何揭示了自旋的实在性。 八、泡利不相容原理与元素周期表的构建 对于多电子原子，薛定谔方程的复杂性急剧增加。沃尔夫冈·泡利引入了至关重要的不相容原理：在任何一个原子中，没有两个电子可以拥有完全相同的四个量子数（主量子数 $n$, 角量子数 $l$, 磁量子数 $m_l$, 自旋量子数 $m_s$）。 本书将详述该原理如何解释了电子的排布规则，是构建元素周期表、决定所有化学元素性质的根本性定律。没有它，原子将坍缩，化学反应将不复存在。 九、从原子到分子：电子的共享与化学键 本书的最后部分将目光投向化学领域。当两个或多个原子相互靠近形成分子时，它们的电子波函数会发生重叠和耦合。价键理论和分子轨道理论正是应用量子力学来描述电子如何在原子核之间“共享”或“离域化”的。我们将分析共价键的本质——它并非经典意义上的“粘合剂”，而是通过波函数叠加所达成的能量最低、最稳定的电子分布状态。理解分子键的性质（如键能、键长、分子几何形状）完全依赖于对电子波函数的精确求解。 总结： 本书通过对二十世纪初一系列关键实验的重述和现代量子理论三大支柱——能量量子化、波粒二象性、以及概率诠释——的系统梳理，向读者展示了物质世界在微观层面上是如何运作的。它揭示了一个深刻的真理：我们所生活的宏观世界不过是建立在这些奇异、反直觉的微观规则之上所涌现出的稳定表象。阅读本书，将为您理解从半导体到生命起源的现代科学奠定坚实的基础。

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坦白说，我买这本书之前，对“量子”这个词只有模糊的敬畏感，觉得它离我的日常生活太遥远了。然而，这本书的叙事方式极其引人入胜，它没有一上来就扔下一堆专业术语砸晕读者，而是从一个非常接地气的问题入手——为什么不同的物质会有不同的颜色？接着，作者便非常自然地引入了原子能级和电子跃迁的概念，用极其生动的比喻解释了能量的“不连续性”。阅读过程中，我忍不住会停下来，思考生活中的一些现象，比如为什么肥皂泡会泛出彩虹般的光泽？这本书给了我一个清晰的框架去理解这些日常的“魔术”。它的章节组织逻辑性极强，每深入一层，都会对前文的知识进行巩固和扩展，就像搭积木一样，稳固而有序地构建起整个理论体系。我特别欣赏作者对“近似”和“模型”的探讨，这体现了一种科学的谦逊，承认了我们对世界的理解总是在不断完善中，这比那种宣称给出“最终答案”的书籍要实在得多。这本书让我对科学的敬畏，更多地转变成了对人类求知精神的赞叹。

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这本书的封面设计简直是一场视觉盛宴，深邃的靛蓝色背景上点缀着闪烁的星云状图案，中央是几个用着极细线条勾勒出的分子结构图，既神秘又充满智慧感。我原本以为这会是一本晦涩难懂的教科书，但翻开扉页后，那种扑面而来的学术气息却被作者精妙的排版和插图设计大大削弱了。那些复杂的数学公式被巧妙地安置在专门的方框内，并配有清晰的注释，告诉你它们在物理世界中究竟代表着什么。阅读体验非常流畅，作者似乎非常擅长将抽象的概念“可视化”，比如，当讲到薛定谔方程的解如何对应于电子的概率云时，书里附带的那些三维立体图示，简直如同艺术品一般，让我这个初学者也能大致领会到那种“概率波”的美感。更让我惊喜的是，它不仅仅停留在理论层面，还穿插了许多历史小故事，讲述了早期科学家们是如何一步步摸索出这些基本原理的，这让整个阅读过程充满了探索的乐趣，而不是单纯的知识灌输。我常常在深夜里，泡上一杯热茶，沉浸在这种既严谨又富有人文关怀的学术氛围中，感觉自己仿佛站在了科学探索的最前沿。

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这本书的装帧质量和细节处理，简直是业内典范。纸张的克重选择恰到好处，既保证了墨迹不会透印到下一页，又减轻了整本书的重量，便于携带。最让我感到贴心的是，作者在关键概念的定义和重要公式的引用旁，都设计了颜色略浅的“侧边栏注释”。这些注释内容五花八门，有的解释了某个术语在不同化学分支中的细微差别，有的则指出了当前理论的局限性。这使得阅读过程非常具有交互性，感觉就像有一位经验丰富的导师在旁边随时为你答疑解惑，而不是冷冰冰地面对书本。此外，书后附带的术语表详尽得令人发指，几乎涵盖了书中出现的所有专业名词的缩写及其全称，这对于经常需要查阅的老读者来说，无疑是省去了大量翻书查找的麻烦。这种对细节的极致追求，极大地提升了整体的使用价值。

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这本书的难度曲线设置得非常巧妙，前半部分读起来像一本高质量的科普读物，引人入胜，几乎没有阅读障碍。但随着章节的推进，尤其是在涉及到更深层次的轨道对称性和群论基础时，我明显感觉到了挑战。作者在这里展现出了极高的专业素养，他没有回避这些硬核内容，而是选择了一种“逐步渗透”的策略。他会先给出直观的物理图像，然后才引入背后的数学工具，并且在关键的公式推导后，会立刻用一个现实中的化学例子来“锚定”这些抽象的计算结果。我不得不承认，有些涉及矩阵对角化的部分，我需要放慢速度，甚至借助了外部的参考资料来辅助理解。但这正是这本书的价值所在——它既能满足想了解概念的普通读者，也为真正想钻研进去的学生提供了足够的深度和严谨性。它不是一本“速成”手册，而是一部需要耐心咀嚼、反复品味的学术著作，每一次重读都能发现新的领悟。

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与其他同类书籍相比，这本书在“跨学科连接”方面做得尤其出色。它从不孤立地看待化学问题，而是频繁地与物理学中的波函数、电子衍射，乃至计算机科学中的数值模拟方法建立联系。我特别喜欢其中关于“计算化学”的那几章，作者详细介绍了如何利用高性能计算来预测分子的结构和反应路径，这让古老的化学学科焕发出与现代科技紧密结合的生命力。这本书的视野非常开阔，它让你明白，我们今天所学的知识，并非终点，而是未来更多发现的起点。它成功地激发了我去探索量子力学在材料科学、药物设计等前沿领域的应用。读完后，我感觉自己的知识结构被重新梳理和强化了，不再是零散的知识点，而是一个逻辑自洽、互相支撑的知识网络。这本书不仅是关于“是什么”，更重要的是关于“为什么”和“能做什么”。

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最没有勇气对完的书，我承认，我放弃了。。。

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智商硬伤

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致青春，上册还能懂

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期末复习资料。。。