量子力学

量子力学

一

计算方法

⏹分子力学: MM

⏹半经验方法: MNDO、CNDO …

⏹从头计算方法(ab initio methods): HF、post-SCF ( MP2、CI、CCSD、CASSCF…)

⏹密度泛函理论: DFT

⏹量子力学与分子力学结合: QM/MM；◌◌◌

量子力学的重要性

⏹从1925年之后，几乎所有的二十世纪的物质文明都是从相对论和量子力学这两个物理基础科学的发展衍生的。原子构造、分子构造、核能、激光、半导体、超导体、Ｘ光、超级计算器……假如没有狭义相对论和量子力学，这一切都不会有。相对论和量子力学作为物理学的基础，已成为现代精密科学的两大柱石。二者的结合，不仅使物理学本身日新月异，而且也使物理学以外的其它自然科学改变了面貌。

量子化学与其它学科的交叉

⏹物理化学: 计算热分子的力

学性质、动力学性质、光谱

性质、固体的化学成键性质

等.－量子电化学；量子反

应动力学；…

⏹有机化学: 预测异构体的相

对稳定性、反应中间体性质、

反应机理与谱学性质(NMR,

ESR…) 等。―量子有机化

学.

分析化学: 实验光谱的解析

等.

无机化学: 过渡金属化合物的

成键的性质的解析等。

―量子无机化学.

生物化学: 活性中心结构、

结构环境效应、酶与底物相

互作用等。―量子生物化学.

随着计算量子化学方法与计

算机科学的发展, 本世纪可

望在复杂体系的精确量子化

学计算研究方面取得较大进

展.

量子化学(Quantum Chemistry)

量子化学是用量子力学原理研究原子、分子和晶体的电子层结构、化学键理论、分子间作用力、化学反应理论、各种光谱、波谱和电子能谱的理论, 以及无机和有机化合物、生物大分子和各种功能材料的结构和性能关系的科学.

量子力学在化学中应用

⏹量子化学现在已广泛地应用在化学、生物化学以及分子物理的各个分支学科中。不仅用于解释观察的实验结果，补充实验条件达不到因而不能观察的一些实验结果，而且还被用于预见分子的结构、过渡态和反应途径；预见分子的电学、磁学和光学性质；应用于从Ｘ射线到ＮＭＲ等光谱中，以及大分子、晶体和溶液中分子间的相互作用。

量子力学在药物设计中应用

⏹20世纪60年代开始运用量子化学（Quantum Chemistry）企图从电子水平研究药物作用的原理。随着其本身不断完善和计算机技术的发展，量子化学已成为研究药物分子结构和性质的最重要方法之一。

理论简介

⏹1900年Planck提出量子假设⏹能量不连续的概念与经典⏹物理学是完全不相容的！

⏹普朗克本人也有很多的困⏹惑和彷徨· · · ·

⏹1918 Nobel

“我当时打算将基本作用量子h归并到

经典理论范畴中去，但这个常数对所有这

种企图的回答都是无情的”

“企图使基本作用量子与经典理论调和

起来的这种徒劳无功的打算，我持续了

很多年，它使我付出了巨大的精力”

普朗克（1858_1947）1905年，爱因斯坦引进光

量子的概念，并给出了光

子的能量、动量与辐射的

频率和波长的关系，成功

地解释了光电效应。

1907年，爱因斯坦提出固

体的振动能量是量子化的，

解释了低温下固体比热问

题。

电流计

理论简介

⏹1905年Einstein提出光量子假说，直接推动了量子力学的产生与发展

⏹1921 Nobel 光(波)具有粒子性，

德布罗意假设

那么实物粒子也应具有波动性。

实物粒子具有波动性吗?

L.V. de Broglie

（法，1892-1986）

从自然界的对称性出发,

认为:

既然光(波)具有粒子性，

1924.11.29.

德布洛意把题为“量子理论的研究”

的博士论文提交巴黎大学。

粒子的波动性

理论简介

⏹de Broglie的物质波理论量子力学理论体系是1923~1927

这一阶段建立起来的。矩阵力学

和波动力学两个等价的理论几乎

同时提出。量子力学在旧的量子

论基础上建立了起来。以玻恩、

海森伯为代表建立了矩阵力学，

以薛定谔、德布罗意建立了波动

力学。

玻恩对波函数的统计诠释

⏹要描述微观粒子的运动，应该用一个函数（称为波函数），它必须能把“颗粒性”与“可叠加性”统一起来

理论简介

⏹1926年玻恩首次提出

波函数的几率解释

⏹1954 Nobel Prize

理论简介

⏹1925到1926年，Heisenberg和

Schrödinger最终建立了量子力学，解决了原子物理、光谱等基本问题，取得了巨大成功奥地利物理学家薛定谔

（Schrodinger 1887-1961）

量子力学找微观粒子在

不同条件下的波函数，

就是：求不同条件下

薛定谔方程的解。

1933年薛定谔获

诺贝尔物理奖。

提出量子力学中最基本的方程。

量子力学研究化学问题

⏹1885年根据埃格斯特

朗发表的精确氢原子

光谱实验数据，推出

了一个经验公式，能

非常精确地代表光谱

系。

巴耳末

6562Å4340Å

4860Å玻尔（原子）模型：

1913年玻尔把量子论

推广到原子系统。

（1）定态条件：电子绕核作

圆周运动，但不辐射能量

（经典轨道+定态）。

（2）当原子从某一能量状态

跃迁到另一能量状态时

服从频率条件

卢瑟福---玻尔。

（3）角动量量子化条件。

理论简介

⏹Bohr运用量子理论和核式结构模型解决了氢原子光谱之谜

量子化学的产生

⏹1927年海特勒和伦敦用量子力

学基本原理讨论氢分子结构问

题，说明了两个氢原子能够结

合成一个稳定的氢分子的原因，

并且利用相当近似的计算方法，

算出其结合能。由此，使人们

认识到可以用量子力学原理讨

论分子结构问题，从而逐渐形

成了量子化学这一分支学科。

⏹应用量子力学原理研究了两个

氢原子组成氢分子的化学键本

质

海特勒

泡利不相容原理：不可能有两个或两个

以上的电子处在同一量子状态，即原子中的

电子不可能有完全相同的四个量子数。

但是，泡利不相容原理反映

的这种电子状态的严格的

排斥性的物理本质是什么？

至今尚不清楚。

理论简介

⏹泡利的“不相容原理”又给量子力学抹上了灿烂的一笔。

⏹(W．Pauli,奥地利人1900—1958)

⏹1945年诺贝尔物理奖