Multi-Component Molecular Orbital Theory pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Udagawa, Taro/ Tachikawa, Masanori

出品人:

页数:60

译者:

出版时间:

价格:271.00 元

装帧:

isbn号码:9781604569346

丛书系列:

图书标签:

• Molecular Orbital Theory
• Quantum Chemistry
• Computational Chemistry
• Multi-Component
• Electronic Structure
• Chemical Physics
• Theoretical Chemistry
• Density Functional Theory
• Ab Initio Methods
• Molecular Modeling

深入探索量子化学的奥秘：从基础到前沿的量子化学计算方法 本书旨在为读者提供一个全面且深入的量子化学计算方法导论，重点关注从基础理论到实际应用的完整图景。我们将跳脱出特定理论框架的束缚，而是以一种更为普适的视角，系统地梳理各种量子化学方法的核心思想、数学原理、优缺点以及适用范围。通过理解这些计算方法的内在逻辑和发展脉络，读者将能够更灵活地选择和运用最适合自身研究需求的工具，从而在化学、材料科学、生物学等诸多领域取得突破。 第一部分：量子化学计算的基石——从基本概念到理论框架 在本部分，我们将首先回顾量子力学在化学研究中的核心地位，强调原子、分子轨道的概念，以及电子波函数的数学描述。随后，我们将深入探讨求解薛定谔方程的必要性，并介绍求解这一方程所面临的挑战。在此基础上，我们将引出近似方法的概念，阐述为何精确求解薛定谔方程在实际计算中几乎不可能，以及近似方法如何成为计算化学的核心。 原子与分子轨道理论的复习：我们将清晰地梳理原子轨道的概念，包括其数学形式、能量以及空间分布。接着，我们会重点介绍分子轨道理论，阐述线性组合原子轨道（LCAO）方法如何构建分子轨道，以及HOMO、LUMO等关键概念的物理意义。这一部分将为后续理解更复杂的计算方法奠定扎实的基础。 薛定谔方程与近似方法：我们将简要介绍定态薛定谔方程，并强调其在描述分子体系电子结构中的作用。然而，直接求解全电子体系的薛定谔方程是极其困难的，因此，我们将重点转向讨论各种近似方法的重要性。这些近似方法是计算化学得以发展的关键，它们通过简化问题，使得我们在有限的计算资源下能够获得有意义的结果。 Hartree-Fock方法：电子相关性的起点：我们将详细介绍Hartree-Fock（HF）方法。HF方法是许多更高级方法的基石，它基于单电子近似，将多电子问题分解为一系列单电子问题。我们将深入剖析HF方法的数学原理，包括Fock算符的构建，以及自洽场（SCF）迭代过程。同时，我们也会清晰地指出HF方法的主要局限性——忽略了电子之间的关联效应（电子相关性），并解释这一局限性对计算精度的影响。 第二部分：超越Hartree-Fock——引入电子相关性 电子相关性是描述多个电子之间相互作用的关键。HF方法在忽略电子相关性方面存在固有的不足，因此，发展能够有效处理电子相关性的方法至关重要。本部分将重点介绍几种重要的后-HF方法，它们通过不同的策略来近似处理电子相关性，从而获得更精确的分子性质预测。 Møller-Plesset微扰理论（MPn）：我们将详细介绍Møller-Plesset微扰理论，特别是MP2方法。MP2方法是在HF基态能量基础上，通过二阶微扰理论来计算电子相关能。我们将阐述其数学公式，并讨论其在计算能量、几何结构和振动频率等方面的优势，同时也会提及MPn方法的收敛性问题和计算成本。 组态相互作用（CI）方法：我们将介绍组态相互作用（CI）方法。CI方法通过将体系的总波函数表达为 Slater 行列式的线性组合来精确地（或近似地）处理电子相关性。我们将讨论全组态相互作用（Full CI）的理论精度和计算不可行性，以及截断CI（如CISD, CISDT）和限制性CI（CIPSI）等近似方法。CI方法在描述激发态和强关联体系方面具有独特优势。 耦合簇（CC）理论：我们将深入探讨耦合簇（CC）理论。CC理论是一种非常强大的后-HF方法，它通过指数算符来隐式地包含电子相关性，从而比CI方法在相同激励级别下更有效地处理电子相关性。我们将介绍CC理论的各种级别，如CCSD（单双激发耦合簇）、CCSD(T)（单双激发耦合簇加三激发近似）等，并阐述其在精确计算基态能量、反应能和化学键性质方面的卓越表现。我们将同时讨论CC方法的计算复杂度和成本。 第三部分：近似但高效——密度泛函理论（DFT）的崛起 密度泛函理论（DFT）是近年来在计算化学领域占据主导地位的方法之一。DFT理论的核心思想是用电子密度而非复杂的波函数来描述体系的能量，极大地降低了计算的复杂度。本部分将详细介绍DFT的理论基础，包括Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程，并重点讨论各种泛函的类型、优缺点以及在实际应用中的注意事项。 Hohenberg-Kohn定理与Kohn-Sham方程：我们将清晰地阐述Hohenberg-Kohn定理，解释为何电子密度能够唯一地确定体系的能量。随后，我们将介绍Kohn-Sham方程，它将多电子问题转化为一系列等效的单电子Kohn-Sham方程，并引入了交换-关联泛函的概念。 交换-关联泛函的分类与选择：我们将对各种类型的交换-关联泛函进行详细分类，包括LDA（局域密度近似）、GGA（广义梯度近似）、Meta-GGA以及混合泛函等。我们将讨论不同泛函的物理依据、计算精度以及在描述不同类型化学问题时的适用性。如何选择合适的泛函是进行准确DFT计算的关键。 DFT的优势与局限性：我们将系统地总结DFT方法的优势，包括其相对较低的计算成本、良好的精度以及广泛的适用性。同时，我们也必须认识到DFT的局限性，例如对范德华力、激子效应以及强关联体系的描述能力不足，以及“泛函囚徒”问题。 第四部分：处理特殊体系——方法的扩展与前沿 除了上述经典方法，我们还将介绍一些处理特殊化学问题的计算方法，以及量子化学计算的一些前沿发展方向，以期为读者提供更广阔的视野。 扩展Hückel方法与半经验方法：对于一些计算成本要求极低的体系，扩展Hückel方法和各种半经验方法（如AM1, PM3等）仍然具有一定的应用价值。我们将简要介绍这些方法的原理和适用范围，并强调其作为初步探索工具的重要性。 量化宏观体系：我们将探讨如何将量子化学计算方法扩展到宏观体系，例如采用嵌入方法（ONIOM, QM/MM）来研究与溶剂或生物大分子相互作用的分子体系。 激发态计算方法：我们将简要介绍几种用于计算分子激发态的方法，如时间相关Hartree-Fock（TDCHF）、时间相关密度泛函理论（TDDFT）以及激发态耦合簇（ECCS）方法，并阐述它们在研究光物理和光化学过程中的应用。 多体微扰理论与量子蒙特卡洛方法：我们将展望更高级的量子化学计算方法，如多体微扰理论（Green's function方法）以及量子蒙特卡洛（QMC）方法，并简要介绍它们在解决复杂电子结构问题上的潜力和挑战。 第五部分：从理论到实践——计算化学的工具与流程 本部分将侧重于计算化学的实践层面，介绍常用的计算软件，阐述标准的计算流程，并给出一些实际应用案例，帮助读者将理论知识转化为解决实际问题的能力。 常用量子化学计算软件简介：我们将简要介绍目前主流的量子化学计算软件，如Gaussian, VASP, NWChem, Q-Chem等，并概述它们各自的特点和优势。 标准的计算流程：我们将详细介绍一个典型的量子化学计算流程，包括输入文件构建、几何优化、频率计算、单点能计算、计算结果分析等关键步骤。 实际应用案例分析：我们将通过具体的化学反应机理研究、材料性质预测、光谱计算等案例，展示如何选择合适的方法，如何进行计算，以及如何解读和分析计算结果。 本书的编写目标是提供一套连贯且深入的量子化学计算方法体系。我们力求做到理论讲解清晰，数学推导严谨，同时兼顾实际操作的指导性。通过学习本书，读者不仅能掌握各种计算方法的原理，更能理解它们之间的联系与区别，从而在未来的研究中，能够游刃有余地运用计算化学这一强大工具，加速科学发现的进程。

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