Fundamentals of Quantum Chemistry pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Academic Pr

作者:House, James E.

出品人:

页数:291

译者:

出版时间:2003-9

价格:$ 79.04

装帧:Pap

isbn号码:9780123567710

丛书系列:

图书标签:

• 量子化学
• 化学物理
• 分子结构
• 量子力学
• 计算化学
• 光谱学
• 化学键
• 分子性质
• 从头算
• 密度泛函理论

量子化学基础：穿越原子与分子的微观世界 本书将带您进入物质的最深层结构，探索原子和分子行为背后的基本原理。 --- 导言：迈向量子实在 人类对物质本质的探索从未停止。从亚里士多德的“四元素说”到道尔顿的原子理论，再到卢瑟福和玻尔的模型，我们对世界的理解不断深入。然而，经典物理学在解释微观现象时遭遇了无法逾越的障碍——电子的轨道、能量的离散性、以及化学键的形成机制，都指向了一个更深层次的理论框架：量子力学。 本书旨在为读者构建一个扎实且直观的量子化学基础。我们不会仅仅停留在数学公式的堆砌，而是将物理图像与严谨的数学描述相结合，引导读者理解如何用量子的语言来描述和预测化学现象。我们将从最基本的概念入手，逐步过渡到复杂多电子系统的处理，为理解现代化学、材料科学乃至生物物理学打下坚实的基础。 第一部分：从经典到量子的飞跃 本部分是构建量子化学思维的基石。我们将回顾经典物理学的局限性，并引入那些彻底改变我们对自然界认识的革命性概念。 1. 能量的量子化与光的本质 我们将从黑体辐射、光电效应和原子光谱的解析开始。这些现象无一例外地指向一个核心结论：能量不是连续的，而是以“量子”的形式存在的。爱因斯坦的光子概念是如何诞生的？普朗克常数 $h$ 扮演了何种关键角色？我们将详细探讨这些早期实验如何为量子理论铺平了道路。 2. 粒子与波的二象性 德布罗意（de Broglie）提出了一个颠覆性的假设：既然光具有粒子性，那么物质粒子（如电子）是否也具有波动性？我们将介绍物质波的概念，探讨如何通过电子衍射实验来证实电子的波动特性。这种波粒二象性是理解电子在原子和分子中如何“存在”的关键。 3. 薛定谔方程：量子世界的牛顿第二定律 对于一个遵循量子规则的系统，我们需要一个描述其时间演化的基本方程。这就是薛定谔方程。我们将分两部分介绍： 定态薛定谔方程：它描述了系统的定态（能量确定的状态），其解 $Psi$（波函数）包含了系统所有可观测信息。我们将探讨如何求解简谐振子、一维无限深势阱等简单模型，以熟悉波函数的性质（归一化、正交性）。 含时薛定谔方程：它描述了系统波函数随时间如何变化，是量子动力学的核心。 4. 波函数、算符与测量 在量子力学中，波函数 $Psi$ 究竟代表什么？我们将深入探讨玻恩（Born）对波函数的概率解释——$|Psi|^2$ 代表在特定位置找到粒子的概率密度。随后，我们将介绍量子力学中的观测体系：算符。每一个可观测的物理量（如动量、能量、角动量）都对应一个特定的线性厄米算符。本章将详细阐述本征值方程 ($hat{A}Psi = aPsi$) 的意义，解释测量过程是如何“将概率坍缩”为确定值的。 第二部分：原子结构与周期性 在掌握了薛定谔方程的求解方法后，我们便能将理论应用于真正的化学实体——原子。 5. 氢原子：量子力学的第一个胜利 氢原子（一个质子，一个电子）是唯一一个可以精确求解的、具有解析解的多电子系统。我们将完整地推导三维球坐标系下的薛定谔方程，并展示其解是如何自然地导出四个量子数的： 主量子数 ($n$)：决定能级。 角量子数 ($l$)：决定轨道的形状（$s, p, d, f$）。 磁量子数 ($m_l$)：决定空间取向。 自旋量子数 ($m_s$)：描述电子内在的角动量（自旋）。 我们将详细分析 $s, p, d$ 轨道在空间中的具体形态，以及它们与原子光谱中谱线关系的深刻联系。 6. 多电子原子与泡利不相容原理 当我们试图描述氦原子及更重的元素时，仅仅求解薛定谔方程是不够的，电子间的相互作用（库仑排斥）使得问题复杂化。这时，必须引入关键的对称性要求——泡利不相容原理。该原理规定了电子的波函数必须是反对称的，直接解释了电子的排布规则（ Aufbau 原则）。 7. 电子排布、能级图与元素周期性 利用泡利原理和洪特规则（Hund's Rule），我们将系统地构建起元素周期表。我们将探讨不同元素的价层电子排布如何决定了元素的化学性质、电离能、电子亲和能以及电负性等宏观性质。周期性不再是经验性的观察，而是量子力学对称性的必然结果。 第三部分：分子结构与化学键的量子描述 化学的本质在于键的形成与断裂。本部分将把量子概念扩展到分子体系。 8. 电子的定域化：价键理论（VB Theory） 价键理论是理解化学键的经典且直观的方法。我们将介绍： 成键的量子基础：电子的定域化、轨道重叠的概念。 杂化轨道理论：解释 $ ext{sp}^3, ext{sp}^2, ext{sp}$ 杂化如何解释 $ ext{CH}_4, ext{C}_2 ext{H}_4, ext{C}_2 ext{H}_2$ 等分子的精确几何构型。 $sigma$ 键与 $pi$ 键：区分和描述单键、双键和三键的形成机制。 9. 分子的整体描述：分子轨道理论（MO Theory） 尽管价键理论很有效，但它在处理离域电子（如苯环中的电子）和激发态时显得力不从心。分子轨道理论提供了一个更彻底的描述，它将电子视为在整个分子中运动的。 LCAO 近似：线性组合原子轨道法是构建分子轨道的实用工具。我们将学习如何通过波函数的叠加来形成成键轨道（能量降低）和反键轨道（能量升高）。 双原子分子：详细分析 $ ext{H}_2$ 和 $ ext{O}_2$ 的分子轨道图，解释键级（Bond Order）的概念及其与稳定性的关系。特别是，我们将用 MO 理论解释氧分子是顺磁性的这一重要事实。 Hückel 近似：我们将简要介绍 Hückel 理论，用于处理大共轭体系（如烯烃和芳香族化合物）的 $pi$ 电子体系。 10. 分子对称性与群论的初步应用 分子的对称性决定了其能级简并性和光谱活性。本章将引入化学中不可或缺的工具——群论。我们将定义点群、不可约表示等基本概念，并展示如何利用对称性来简化薛定谔方程的求解，以及预测哪些分子振动模式具有红外或拉曼活性。 结语：量子化学的广阔前景 本书的旅程结束于对化学键的深刻理解。然而，量子化学的应用远不止于此。通过这些基础，读者将能够进一步探索：更精确的从头算（Ab Initio）方法、密度泛函理论（DFT）在计算化学中的实际应用、分子光谱的详细解释、以及这些原理在催化、药物设计和材料科学中的前沿应用。 量子化学不是终点，它是理解和预测物质世界行为的强大钥匙。掌握这些基础，您就站在了现代科学的最前沿。

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