量子化学

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.
理论形式
• 分子轨道理论
Molecular Orbital Theory, MO
=h/mv = h/p
1927年Heisenberg测不准原理： xp ħ / 2
(1.1）
(1.2)
1. 3 Schrö dinger 方程
(1) 含时Schroedinger方程
The Time-Dependent Schroedinger Equation （单粒子、一维情况：m，x）
(1.3)
(2)
定态Schroedinger方程
The Time-Independent Schroedinger Equation
假定： V与时间无关，且 (x,t) = f(t) (x) (1.4)
( x, t ) df (t ) 2 ( x, t ) d 2 ( x) ( x), f (t ) 2 2 t dt x dx
1.2 量子力学发展简况
经典力学的困难?
(1) 黑体辐射 １９００年Max Planck量子论：ε ＝ h (h = 6.6 10-27 erg .sec) (2) 光电效应 H. Hertz, 1888; J. J. Thomson, 1896 观测 到了光电子与入射光的频率，光电流与光强度的关系。
量子化学
H E
厦门大学

参考书目
• 1 Quantum Chemistry, Ira N. Levine.Fifth Edition, 2000
• 2 《量子化学》-基本原理和从头计算法(上，中，下) 徐光宪、黎乐民，科学出版社，2001.
• 3 《量子化学基础》，刘若庄等编，科学出版社， 1983. • 4《量子有机化学》，朱永，韩世纲，朱平仇，上海 科学技术出版社，1983. • 5 《群论在化学中的应用》，F. A. Cotton, 科学出版社， 1987.
• 价键理论 Valence Bond Theory, VB
• 密度泛函 Density Functional Theory, DFT
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…)
一维Schroediຫໍສະໝຸດ Baiduger方程
( x, t ) 2 2 ( x, t ) V ( x, t ) ( x , t ) 2 i t 2m x
其中: ħ = h/2π; (x,t) 为 波 函 数 (wave function / state function), 描述体系的状态(量子态), |(x,t)|2dx表示t时刻, 在x－x + dx 间找到粒子 的几率，即，量子力学基本假设 I (Postulate I) ； V(x, t) 为体系的位能函数。
1905 年Einstein 光子学说：
Ephoton ＝ h ; h = W + 1/2 mv2
(3)
原子的线状光谱及其规律
1913年Bohr量子论，提出了原子量子能级、轨道的概念。 Quantization of energy; Orbital (stationary state); = E/h, ... 1923 年 de Broglie 关系式：
• 第十二章 现代计算量子化学计算方法与应用简 介
量子化学
• 第一章Schrödinger 方程
– 1.1 量子化学概论 – 1.2 量子力学发展简况 – 1.3 Schroedinger 方程 – 1.4 复数 (Complex number)
1.1 量子化学概论
• 量子化学的建立 • 量子力学 ( 矩阵力学与波动力学）建立 1923-27年。 • 1927 年 Heitler 和 London 用量子力学研 究氢分子，提出了共价键的理论基础。
6《量子化学》，唐敖庆等，科学出版社，1982.
7 Modern Quantum Chemistry-Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, A. Szabo, N. S. Ostlund. 8 Methods of Electronic Structure Theory, H. F. Schaefer III. 9《量子力学》，曾谨言，科学出版社，1984. 10 The Principles of Quantum Mechanics, Dirac (1958，有中译本). 11 《线性代数》/《微分方程》 P. Q. M.
• 密度泛函理论: DFT
• 量子力学与分子力学结合: QM/MM；ּ ּ ּ
量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
• 第一章 Schrö dinger 方程
• 第二章 简单量子力学体系
• 第三章 矩阵与算符 • 第四章 角动量与自旋 • 第五章 原子结构 • 第六章 分子的对称性与对称群
• 第七章 简单分子轨道理论 • 第八章 共轭分子的结构与性能 • 第九章 自洽场分子轨道法简介 • 第十章 配位场理论 • 第十一章 分子光谱学原理