Introduction to Quantum Mechanics in Chemistry pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Prentice Hall

作者:Mark A. Ratner

出品人:

页数:305

译者:

出版时间:2000-05-18

价格:USD 140.60

装帧:Paperback

isbn号码:9780138954918

丛书系列:

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探秘量子化学的奥秘：聚焦基础与前沿应用 书名： 分子结构与光谱：量子化学的基石与应用 作者： [此处留空，或填入虚构作者名] 出版社： [此处留空，或填入虚构出版社名] --- 导言：超越经典视野的化学探索 本书旨在为读者提供一个全面、深入且严谨的量子化学基础框架，重点阐述如何运用量子力学的原理来理解和预测分子的电子结构、化学键的本质、以及分子与光（或其他形式的能量）的相互作用。我们深信，只有掌握了量子力学的基本工具，才能真正揭示化学反应的微观机制，并为新材料的设计与功能预测奠定坚实的理论基础。本书的内容规划旨在平衡理论的深度与应用的广度，确保读者不仅理解“是什么”，更能理解“为什么”以及“如何做”。 第一部分：量子力学的数学与物理基础 本部分是构建整个量子化学体系的基石。我们不会仅仅停留在引入波函数和薛定谔方程的层面，而是会深入探讨支撑这些概念的数学结构和物理直觉。 第一章：回顾经典物理学的局限与量子化的必然性 本章首先回顾了经典物理学（如牛顿力学和电磁学）在解释原子和分子现象（如黑体辐射、光电效应和原子光谱）时遭遇的根本性困难。通过普朗克对能量量子化的引入，爱因斯坦对光子的阐述，以及玻尔的早期原子模型，为引入更普适的量子理论做铺垫。重点讨论了波粒二象性的哲学和实验基础。 第二章：核心算符、本征值方程与希尔伯特空间 我们将严格定义量子力学中的核心数学工具：算符（Operators）。讨论动量、能量（哈密顿算符）、角动量等物理量的对应算符的数学形式。核心在于详尽阐述时间无关薛定谔方程 $hat{H}psi = Epsi$ 作为线性代数中的本征值问题。希尔伯特空间的概念将被引入，用以描述波函数 $psi$ 的完备性和正交性，这是理解线性组合原理和波函数叠加态的关键。 第三章：一维模型与量子力学的基本原理验证 为建立直观感受，本章详细分析了几个简化但关键的一维量子系统： 1. 自由粒子（Free Particle）： 理解波包的传播和群速度的概念。 2. 无限深势阱（Infinite Square Well）： 首次展示了能量的量子化现象，并强调了定态波函数必须满足的边界条件。 3. 有限深势阱（Finite Square Well）： 讨论了穿透效应（Tunneling Effect）的定性描述，并引入了零点能的概念。 4. 量子谐振子（Quantum Harmonic Oscillator）： 通过幂级数解法或升降算符法（着重介绍后者以展示其优雅性），推导出其能量与频率的精确关系，这对于理解分子振动至关重要。 第二部分：原子结构与多电子系统的精确处理 理解原子如何构成，是进入分子化学的必经之路。本部分侧重于电子在原子核周围的分布规律。 第四章：角动量与氢原子 本章是量子化学计算中最经典的部分。我们将分离运动方程，深入研究球坐标下的薛定谔方程。重点分析： 角动量算符的对易关系及其对物理可观测量的限制。 球谐函数（Spherical Harmonics）作为角向波函数的解，它们直接决定了磁量子数 $m_l$ 和轨道角动量量子数 $l$。 最终推导出主量子数 $n$，并精确解析氢原子能级 $E_n$，与实验观测结果完美契合。 第五章：泡利不相容原理与多电子原子的电子排布 当电子数量增加时，问题复杂度呈指数级增长。本章引入泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle），这是理解周期表中元素性质的决定性因素。讨论了自旋角动量（$hat{S}^2$ 和 $hat{S}_z$）的量子化，并引入了旋量（Spinors）的概念。本章将为后续的变分法和微扰法打下基础，以处理电子间的库仑排斥。 第六章：近似方法：变分法与微扰论 由于几乎所有多电子原子和分子都无法精确求解薛定谔方程，本章详细介绍两种最核心的近似方法： 1. 变分法（Variational Method）： 阐述其核心定理——任何试探波函数给出的能量期望值总是大于或等于真实基态能量。通过计算氦原子的基态能量，展示如何使用更优化的试探波函数来逼近真实解。 2. 时间无关微扰论（Time-Independent Perturbation Theory）： 适用于小扰动的情况。详细推导了一阶能量修正和一阶波函数修正的公式，并讨论其在理解化学反应中微小能量变化时的应用潜力。 第三部分：化学键的量子力学描述 本部分是将理论工具应用于分子系统的关键桥梁。 第七章：分子哈密顿量与电子结构理论的开端 首先建立分离分子哈密顿量的框架，将核运动与电子运动分离（即玻恩-奥本海默近似，Born-Oppenheimer Approximation）。着重分析了电子部分哈密顿量中包含的动能项、核-核排斥项、电子-核吸引项和电子-电子排斥项，解释了电子运动方程的复杂性。 第八章：价键理论（VB）与分子轨道理论（MO）的对比 本章对比性地介绍描述化学键的两个主要量子化学模型： 1. 价键理论（Valence Bond Theory）： 强调成键是原子轨道重叠的结果。引入杂化轨道（Hybridization）的概念，解释 $ ext{sp}^3, ext{sp}^2, ext{sp}$ 轨道的几何构型，并解释 $sigma$ 键和 $pi$ 键的形成。 2. 分子轨道理论（Molecular Orbital Theory）： 电子在整个分子中运动。重点讲解线性组合分子轨道（LCAO-MO）方法，包括成键轨道、反键轨道和非键轨道的生成。 第九章：从 LCAO-MO 到 Hartree-Fock 方法 本章将 LCAO-MO 方法系统化，导出骨架方程（Self-Consistent Field, SCF）。详细解释了Fock 算符的构建，其中引入了平均场近似（Mean Field Approximation）的概念，即每个电子的运动受到其他所有电子在平均场中的作用。理解了 Fock 矩阵元素中包含的动能、核吸引、库仑积分和交换积分（Exchange Integrals）的物理意义。 第四部分：分子光谱与动力学初探 量子化学不仅描述结构，也描述分子如何响应外部刺激。 第十章：分立能级与吸收光谱 本章讨论分子体系如何吸收光子并跃迁。从时间依赖薛定谔方程出发，利用费米黄金定则（Fermi's Golden Rule）导出跃迁速率。重点分析了电子跃迁（UV-Vis光谱）的量子选择定则，以及如何利用分子轨道理论的能量差来预测吸收波长。 第十一章：分子振动与转动能级 基于谐振子模型和刚性转子模型，推导了分立的振动能级 ($E_v$) 和转动能级 ($E_J$)。讨论了红外（IR）和微波光谱的原理，特别是理解偶极矩变化在红外吸收中的核心作用，以及转动光谱中对刚性假设的修正。 结语：展望与计算化学的未来 本书的最后部分将对所学知识进行总结，并简要介绍如何将这些解析方法转化为可操作的计算程序，例如简化的半经验方法（如 Hückel 方法在 $pi$ 电子体系中的应用），以及现代计算化学中密度泛函理论（DFT）的初步概念，为读者迈向更复杂的化学模拟做好准备。 --- 目标读者： 本书适用于物理化学、理论化学、无机化学及材料科学等领域的高年级本科生和研究生。需要具备微积分和基础线性代数知识。 本书特色： 强调概念的物理图像，同时提供严格的数学推导，力求在深度和清晰度之间取得最佳平衡。不侧重于软件使用，而专注于理论的建立与理解。

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