量子化学研究进展及应用1103-re3
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学与物理学在原子、分子水平上会师，两学
科的界限趋于模糊
© 2005 NENU 化学学院
量子化学从二十世纪30年代初的理论奠 基到90年代末在计算技术与应用上的成熟， 经历了漫长的将近七十年 这是几代杰出理论化学家不懈努力的结 果，并得益与计算机和计算技术的巨大进步 1998年诺贝尔化学奖的颁布是计算量子 化学在化学和整个自然科学中的重要地位被 确立和获得普遍承认的重要标志
获国 家 自 然 科 学 二 等 奖 。 其 《物 质 结 构》 一 书 在 长 达 四 分 之 一 世 纪 的 时 期 内 是 该 课 程 在 全 国 唯 一 的 统 编 教 材， 被 授 予 国 家 优 秀 教 材 特 等 奖。
© 2005 NENU
化学学院
量子化学的进展
中国老一辈的量子化学家
•
Pople 最辉煌的贡献是 Gaussian 程序
颁奖文件称:
The creation, constant improvement, and the extension of the functionality of GAUSSIAN is an outstanding achievement. It is the example for the success of the field and its impact on chemistry and neighboring fields like physics, astrophysics, biochemistry, material sciences, etc. GAUSSIAN is today used by thousands of scientists all over the world .
量子化学进展及其应用
单
位：东北师范大学 教授
讲 座 人：苏忠民
© 2005 NENU
化学学院
讲座内容
讲座内容
化学学科的地位 化学学科的分类 量子化学的进展 量子化学计算及其应用 苏忠民组研究成果
© 2005 NENU
化学学院
化学学科地位 The Central,Useful,and Creative Science
© 2005 NENU
化学学院
量子化学的进展
中国老一辈的量子化学家
徐光宪先生
• • • • 提 分 稀 其 提 出 了 原 子 价 的 新 概 子 的 周 期 律 、 同 系 土 化 合 物 的 电 子 结 “串 级 萃 取 理 论” , 高 到 国 际 先 进 水 平 念 线 构 把 nxcπ 结 构 规 则 性 规 律 的 量 子 化 学 基 础 特 征 我 国 稀 土 萃 取 分 离 工 艺
来自百度文库© 2005 NENU 化学学院
瑞典皇家科学院10月13日宣布将1998年度 诺贝尔化学奖授予两位年迈的量子化学家 Kohn和Pople, 表彰他们在开拓用于分子 性质及其参与化学过程研究的理论和方法
上的杰出贡献。
© 2005 NENU
化学学院
John Pople’s Contributions
1066 963
656
494
723
2001
2002
2003
2004
2005
量子化学计算常用关键词SCI检索而得
© 2005 NENU 化学学院
清华大学
研究方向：量子化学，计算化学，分子光谱学，分子摸拟和分子工程， 生物医学材料与材料微观结构设计，分子信息学 代表作：
4,5-Dimethylthio-4'-[2-(9-anthryloxy)ethylthio]tetrathiafulvalene, a Highly Selective and Sensitive Chemiluminescence Probe for Singlet Oxygen
© 2005 NENU 化学学院
氟化学 药物化学 高分子化学 高分子材料：科学与工程 胶体与表面化学 核化学与技术 商业开发与管理 碳水化合物化学 燃料化学 橡胶
化学学科分类
结构化学 量子化学 晶体化学 纳米化学 胶体和界面化学 宏观反应动力学 微观反应动力学 化学热力学 高分子化学与物理 电化学 溶液化学 催化化学 波谱学 材料化学 超分子物理化学 激光化学
theory can work together in the exploration of 纯实验科学了！
the properties of molecular systems. Chemistry is no longer a purely experimental science.
© 2005 NENU 化学学院
10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
9054 9513 9828
7774
8052
2001
2002
2003
2004
2005
化学学院
量子化学计算常用关键词SCI检索而得
© 2005 NENU
量子化学的进展
2005年JACS上发表的相关文章
首次在形式理论的水平上解 释了化学键本质，开创了量 子化学分支学科
实验值
量子力学为在原子－分子水平上揭示化学
问题的本质奠定了牢固的理论基础。因为，
化学反应基本过程是伴随着反应体系原子核
的重排而发生的电子运动状态的改变，这些
微观运动均服从薛定谔方程。
量子力学的统一理论 (United theory) 使化
工程治金学
物理学
计算机科学
© 2005 NENU
化学学院
化学学科地位 化学领域有多大？
人类的每项活动都用到一 些由化学提供或加工的物 质，同时在许多活动中也 包含着化学变化
1995年一年，化学家创造 了100万种以上的新化合物
工业化学家在为化学工业之外的许多领域进行工作
© 2005 NENU 化学学院
© 2005 NENU 化学学院
量子化学的进展
量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用 量子力学的基本原理和方法，研究化学问题的 一门基础科学。
量子化学的发展历史可分两个阶段
创建时期(1927年到 20世纪50年代末)
20世纪60年代以后
价键理论(鲍林),分子轨 道理论(马利肯)和配位 场理论(贝特)
60年代 ---- 在配位场理论和分子轨道理论等 领域取得了较快的进展 80年代 ---- 各种量子化学计算程序着手建立， 计算机大量使用，量子化学得到很 大的发展，并且向实用方面普及 近年来 ---- 在国家自然科学基金委员会的大力 支持下，我国的量子化学研究在将 量子化学计算应用于解决实际的化 学问题上应该说在许多方面取得了 国际先进水平的成果。
© 2005 NENU 化学学院
量子化学的进展
中国老一辈的量子化学家
著名中国理论化学研究的开拓者唐敖庆教授 对中国的量化事业做出了巨大贡献:
• 不足道提出计算复杂分子旋转能量变化规律“势能函数公式” • 对高分子缩聚、交联与固化、同聚、共聚及裂解等反应逐一进行深 入研究，形成的明显特色高分子反应统计理论体系 • 创造性地发展完善了配位场理论及其研究方法 • 与江元生共同着手分子轨道图形理论的系统研究,提出了本征多项式 的计算、分子轨道系统计算、对称性约化三条定理
化学学科分类
从美国化学会的分会看化学学科分类
小型化学企业 工业与工程化学 化学史 化学教育 化学文献 化学技术员 化学和法律 化学保健与安全 化学毒物学 分析化学 计算化学 无机化学 专业联谊会 生物化学 生物化学技术 石油化学 地质化学 有机化学 农业与食品化学 农药 纤维素，造纸与纺织品 环境化学 肥料与土壤化学 物理化学
１９５７年获得中国科学院颁发的自然科学三等奖 １９８２年获国家自然科学一等奖 １９８７年，获得国家自然科学一等奖 共发表学术论文２６０多篇；与其研究集体合作出版《配位场理论（方法、 英文版）》、《分子轨道图式理论（中、英文版）》、《高分子反应统计理 论》、《量子化学》、《应用量子化学》、《约化密度矩阵引论》、《配位 场理论方法补编（中、英文版）》、《微观反应动态学》等８部学术专著。
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
表面 催化 分子设计 光电磁 分子动力学 NLO
理论方法
量子化学计算常用关键词SCI检索而得
© 2005 NENU 化学学院
量子化学的进展
近五年来, 中国所发表的有 关理论研究的SCI文章统计
1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
Porphyrins with Four Monodisperse Oligofluorene Arms as Efficient Red Light-Emitting Materials
J. Am. Chem. Soc. (2004), 126, 11543-11548
瑞典皇家科学院颁奖文件评价:
John Pople has developed quantum
chemistry into a tool that can be used by the
general chemist and has thereby brought
化学不再是一门 chemistry into a new era where experiment and
© 2005 NENU
化学学院
量子化学的进展
材料设计 物理 化学 数学 药物学
纳米材料 无机陶瓷 光电材料 材料分子设计 超导功能高分子在机材料 分子生物学 电子材料
生物学
药物筛选 构效关系
环境科学
大气污染 环境监测
© 2005 NENU
化学学院
量子化学的进展 1949年10月---- 逐步开展系统地广泛地研究
邓从豪先生 •建议用一种势函数对双原子分子振动光谱进行研究 •HMO理论研究 还有其它一些量子化学家如孙家钟、张乾二、刘若庄、江 元生、黎乐民等,在艰苦的条件下都作出了许多重要的工 作，并为我国培养了大批的年轻学术骨干。
© 2005 NENU
化学学院
量子化学的进展
近五年来, 国际上所发表的有关 理论研究的SCI文章统计
Ronald Breslow
20世纪的化学取得辉煌的成就， 化学仍是一门中心科学
---中科院院士著名化学家徐光宪
© 2005 NENU
化学学院
化学学科地位 化学与很多其他科学领域有关
电子学 农业 生物学
环境科学
化学
药学
我们认为化学 在人类由古代穴 居人的野蛮生活 进化到现在这样 一个世界的变化 中起了“中心” 的作用
© 2005 NENU 化学学院
（瑞典皇家科学院在Web上发表的新闻公告）
© 2005 NENU
化学学院
Walter Kohn’s Contributions
瑞典皇家科学院颁奖文件评价:
Walter Kohn’s theoretical work has formed the basis for simplifying the mathematics in descriptions of the bonding of atoms, the density-functional theory (DFT). The simplicity of the method makes it possible to study very large molecules.
© 2005 NENU
化学学院
量子化学的进展
量子化学的研究结果在其他化学分支学科的直接应用， 导致了量子化学对这些学科的渗透，并建立了一些边缘学 科，主要有量子有机化学、量子无机化学、量子生物和药 物化学、表面吸附和催化中的量子理论、分子间相互作用 的量子化学理论和分子反应动力学的量子理论等。 其它化学许多分支学科也已使用量子化学的概念、方 法和结论。例如分子轨道的概念已得到普遍应用。绝对反 应速率理论和分子轨道对称守恒原理，都是量子化学应用 到化学反应动力学所取得的成就。 今后，量子化学在其他化学分支学科的研究方面将发 挥更大的作用，如催化与表面化学、原子簇化学、分子动 态学、生物与药物大分子化学等方面。
量子化学计算方法的研究，出 现了严格计算的从头算方法、 半经验计算的全略微分重叠和 间略微分重叠等方法
© 2005 NENU 化学学院
1927年Heitler和London用变分法求解了氢分
子的波函数
E
R0 / a0 计算值 实验值
1.518
RAB/a0
解离能 / eV 3.14 4.48
1.518 1.401
科的界限趋于模糊
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量子化学从二十世纪30年代初的理论奠 基到90年代末在计算技术与应用上的成熟， 经历了漫长的将近七十年 这是几代杰出理论化学家不懈努力的结 果，并得益与计算机和计算技术的巨大进步 1998年诺贝尔化学奖的颁布是计算量子 化学在化学和整个自然科学中的重要地位被 确立和获得普遍承认的重要标志
获国 家 自 然 科 学 二 等 奖 。 其 《物 质 结 构》 一 书 在 长 达 四 分 之 一 世 纪 的 时 期 内 是 该 课 程 在 全 国 唯 一 的 统 编 教 材， 被 授 予 国 家 优 秀 教 材 特 等 奖。
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量子化学的进展
中国老一辈的量子化学家
•
Pople 最辉煌的贡献是 Gaussian 程序
颁奖文件称:
The creation, constant improvement, and the extension of the functionality of GAUSSIAN is an outstanding achievement. It is the example for the success of the field and its impact on chemistry and neighboring fields like physics, astrophysics, biochemistry, material sciences, etc. GAUSSIAN is today used by thousands of scientists all over the world .
量子化学进展及其应用
单
位：东北师范大学 教授
讲 座 人：苏忠民
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讲座内容
讲座内容
化学学科的地位 化学学科的分类 量子化学的进展 量子化学计算及其应用 苏忠民组研究成果
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化学学科地位 The Central,Useful,and Creative Science
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量子化学的进展
中国老一辈的量子化学家
徐光宪先生
• • • • 提 分 稀 其 提 出 了 原 子 价 的 新 概 子 的 周 期 律 、 同 系 土 化 合 物 的 电 子 结 “串 级 萃 取 理 论” , 高 到 国 际 先 进 水 平 念 线 构 把 nxcπ 结 构 规 则 性 规 律 的 量 子 化 学 基 础 特 征 我 国 稀 土 萃 取 分 离 工 艺
来自百度文库© 2005 NENU 化学学院
瑞典皇家科学院10月13日宣布将1998年度 诺贝尔化学奖授予两位年迈的量子化学家 Kohn和Pople, 表彰他们在开拓用于分子 性质及其参与化学过程研究的理论和方法
上的杰出贡献。
© 2005 NENU
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John Pople’s Contributions
1066 963
656
494
723
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2005
量子化学计算常用关键词SCI检索而得
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清华大学
研究方向：量子化学，计算化学，分子光谱学，分子摸拟和分子工程， 生物医学材料与材料微观结构设计，分子信息学 代表作：
4,5-Dimethylthio-4'-[2-(9-anthryloxy)ethylthio]tetrathiafulvalene, a Highly Selective and Sensitive Chemiluminescence Probe for Singlet Oxygen
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氟化学 药物化学 高分子化学 高分子材料：科学与工程 胶体与表面化学 核化学与技术 商业开发与管理 碳水化合物化学 燃料化学 橡胶
化学学科分类
结构化学 量子化学 晶体化学 纳米化学 胶体和界面化学 宏观反应动力学 微观反应动力学 化学热力学 高分子化学与物理 电化学 溶液化学 催化化学 波谱学 材料化学 超分子物理化学 激光化学
theory can work together in the exploration of 纯实验科学了！
the properties of molecular systems. Chemistry is no longer a purely experimental science.
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10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
9054 9513 9828
7774
8052
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量子化学的进展
2005年JACS上发表的相关文章
首次在形式理论的水平上解 释了化学键本质，开创了量 子化学分支学科
实验值
量子力学为在原子－分子水平上揭示化学
问题的本质奠定了牢固的理论基础。因为，
化学反应基本过程是伴随着反应体系原子核
的重排而发生的电子运动状态的改变，这些
微观运动均服从薛定谔方程。
量子力学的统一理论 (United theory) 使化
工程治金学
物理学
计算机科学
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化学学科地位 化学领域有多大？
人类的每项活动都用到一 些由化学提供或加工的物 质，同时在许多活动中也 包含着化学变化
1995年一年，化学家创造 了100万种以上的新化合物
工业化学家在为化学工业之外的许多领域进行工作
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量子化学的进展
量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用 量子力学的基本原理和方法，研究化学问题的 一门基础科学。
量子化学的发展历史可分两个阶段
创建时期(1927年到 20世纪50年代末)
20世纪60年代以后
价键理论(鲍林),分子轨 道理论(马利肯)和配位 场理论(贝特)
60年代 ---- 在配位场理论和分子轨道理论等 领域取得了较快的进展 80年代 ---- 各种量子化学计算程序着手建立， 计算机大量使用，量子化学得到很 大的发展，并且向实用方面普及 近年来 ---- 在国家自然科学基金委员会的大力 支持下，我国的量子化学研究在将 量子化学计算应用于解决实际的化 学问题上应该说在许多方面取得了 国际先进水平的成果。
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量子化学的进展
中国老一辈的量子化学家
著名中国理论化学研究的开拓者唐敖庆教授 对中国的量化事业做出了巨大贡献:
• 不足道提出计算复杂分子旋转能量变化规律“势能函数公式” • 对高分子缩聚、交联与固化、同聚、共聚及裂解等反应逐一进行深 入研究，形成的明显特色高分子反应统计理论体系 • 创造性地发展完善了配位场理论及其研究方法 • 与江元生共同着手分子轨道图形理论的系统研究,提出了本征多项式 的计算、分子轨道系统计算、对称性约化三条定理
化学学科分类
从美国化学会的分会看化学学科分类
小型化学企业 工业与工程化学 化学史 化学教育 化学文献 化学技术员 化学和法律 化学保健与安全 化学毒物学 分析化学 计算化学 无机化学 专业联谊会 生物化学 生物化学技术 石油化学 地质化学 有机化学 农业与食品化学 农药 纤维素，造纸与纺织品 环境化学 肥料与土壤化学 物理化学
１９５７年获得中国科学院颁发的自然科学三等奖 １９８２年获国家自然科学一等奖 １９８７年，获得国家自然科学一等奖 共发表学术论文２６０多篇；与其研究集体合作出版《配位场理论（方法、 英文版）》、《分子轨道图式理论（中、英文版）》、《高分子反应统计理 论》、《量子化学》、《应用量子化学》、《约化密度矩阵引论》、《配位 场理论方法补编（中、英文版）》、《微观反应动态学》等８部学术专著。
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
表面 催化 分子设计 光电磁 分子动力学 NLO
理论方法
量子化学计算常用关键词SCI检索而得
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量子化学的进展
近五年来, 中国所发表的有 关理论研究的SCI文章统计
1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
Porphyrins with Four Monodisperse Oligofluorene Arms as Efficient Red Light-Emitting Materials
J. Am. Chem. Soc. (2004), 126, 11543-11548
瑞典皇家科学院颁奖文件评价:
John Pople has developed quantum
chemistry into a tool that can be used by the
general chemist and has thereby brought
化学不再是一门 chemistry into a new era where experiment and
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量子化学的进展
材料设计 物理 化学 数学 药物学
纳米材料 无机陶瓷 光电材料 材料分子设计 超导功能高分子在机材料 分子生物学 电子材料
生物学
药物筛选 构效关系
环境科学
大气污染 环境监测
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量子化学的进展 1949年10月---- 逐步开展系统地广泛地研究
邓从豪先生 •建议用一种势函数对双原子分子振动光谱进行研究 •HMO理论研究 还有其它一些量子化学家如孙家钟、张乾二、刘若庄、江 元生、黎乐民等,在艰苦的条件下都作出了许多重要的工 作，并为我国培养了大批的年轻学术骨干。
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量子化学的进展
近五年来, 国际上所发表的有关 理论研究的SCI文章统计
Ronald Breslow
20世纪的化学取得辉煌的成就， 化学仍是一门中心科学
---中科院院士著名化学家徐光宪
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化学学科地位 化学与很多其他科学领域有关
电子学 农业 生物学
环境科学
化学
药学
我们认为化学 在人类由古代穴 居人的野蛮生活 进化到现在这样 一个世界的变化 中起了“中心” 的作用
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（瑞典皇家科学院在Web上发表的新闻公告）
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Walter Kohn’s Contributions
瑞典皇家科学院颁奖文件评价:
Walter Kohn’s theoretical work has formed the basis for simplifying the mathematics in descriptions of the bonding of atoms, the density-functional theory (DFT). The simplicity of the method makes it possible to study very large molecules.
© 2005 NENU
化学学院
量子化学的进展
量子化学的研究结果在其他化学分支学科的直接应用， 导致了量子化学对这些学科的渗透，并建立了一些边缘学 科，主要有量子有机化学、量子无机化学、量子生物和药 物化学、表面吸附和催化中的量子理论、分子间相互作用 的量子化学理论和分子反应动力学的量子理论等。 其它化学许多分支学科也已使用量子化学的概念、方 法和结论。例如分子轨道的概念已得到普遍应用。绝对反 应速率理论和分子轨道对称守恒原理，都是量子化学应用 到化学反应动力学所取得的成就。 今后，量子化学在其他化学分支学科的研究方面将发 挥更大的作用，如催化与表面化学、原子簇化学、分子动 态学、生物与药物大分子化学等方面。
量子化学计算方法的研究，出 现了严格计算的从头算方法、 半经验计算的全略微分重叠和 间略微分重叠等方法
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1927年Heitler和London用变分法求解了氢分
子的波函数
E
R0 / a0 计算值 实验值
1.518
RAB/a0
解离能 / eV 3.14 4.48
1.518 1.401