计算机化学与分子设计PPT课件
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1938 1945 1949 1954
1957
Planck Einstein Bohr de Broglie Heisenberg Schrödinger Dirac Fermi Pauli Yukawa Born Bothe T.D. Lee C.N. Yang
1962 1963 1965
1967 1969 1972 1979
对廿世纪人类科技和物质文明进步产 生巨大影响。其中，量子力学的影响更为 直接和广泛。
12
量子力学是演绎法最成wenku.baidu.com的实例
• Heisenberg、Schrödinger、Dirac、Born等于
1925~1926创建
• 30年代初由von Neumann完成形式理论体系
量子力学的建立未依据任何实验事实或经 验规律。它用少数几条基本假定作为公理，由 此出发，通过严格的逻辑演绎，迅速地建成一 个自洽、完备、严密的理论体系
数学与物理化学的交叉使有关的数学知 识在其他各化学分支亦得以应用
现代化学前沿问题
讲座
1
二十世纪八十年代以来，先进的分析 仪器的应用、量子化学计算方法的进展和 计算机技术的飞速发展，对化学科学的发 展产生了冲击性的影响。其研究内容、方 法、乃至学科的结构和性质都在发生深刻 的变化。
长期以来，化学一直被科学界公认为 一门纯实验科学。其理由要追溯到人类认 识自然的两种科学方法。
量子力学引入化学，促进量子化学、量子统 计力学形成 Einstein-Bose、Fermi-Dirac两种统计理论 Hückel分子轨道理论（1932） Roothaan方程（1952） 计算量子化学发展
19
• 化学科学的体系和结构发生深刻变化
对象： 宏观现象 微观本质 方法学： 描述、归纳 演绎、推理 理论层次：定性 定量
14
• 历70余年，量子力学经受物质
世界不同领域 (原子、分子、 各种凝聚态、基本粒子、宇宙 物质等) 实验事实的检验，其 正确性无一例外。任何唯象理 论无法与之同日而语。
15
• 用完备的形式理论体系—统一理
论—解释和预测不同科学领域的实 验结果。量子力学的“第一原理” (First Principle) 计算（从头算）只
• 化学与物理学的界限在模糊，在理论上趋
于统一
• 化学各分支学科的交叉；与其他学科相互
渗透
带动生物、材料科学进入分子水平
与化学相关的新领域不断涌现
20
• 化学及交叉学科的发展促进了数学向
化学的渗透
众多的数学工具应用于物理化学领域： 矩阵代数 复变函数 数理方程 数理统计 数值方法 群论 不可约张量法 李代数 非线性数学 模糊数学 分型理论与方法
恩格斯
6
• 恩格斯的论断反映了19世纪中叶
自然科学各学科的“成熟程度”。 表明各学科研究对象 物质运动 形式与规律 其复杂程度的差异
• 然而，百年来科技的发展使各学
科的“成熟程度”发生了巨大变 化
7
8
• 无机、有机化学在19世纪率先建立
元冶素金周、期建表材奠工定业无推机动化了学无基机础 经药典物价、键染理料论、、酿苯酒结工构业奠推定动有了机有化机学基础
2
⑴ 归纳法 ( F. Bacon, 1561-1626 )
数据拟合
设计实验
实验数据
唯象理论 检验
“预测”
⑵ 演绎法 ( R. Decartes, 1596-1650 )
公理假设
模型 形式理论
二次形式化、 近似、计算 和模拟
预测
实验 检验
3
归纳法(Reduction)与演绎法(Deduction)的比较
13
基本运动方程 — Schrödinger方程
• 微观粒子或体系的性质由状态波函数 唯一
确定， 服从Schrödinger方程
Schrödinger方程：
i
t
Hˆ
Hamilton算符：
Hˆ
N i1
2
2 i
i2
U
(r1,
r2
,,
rN
;
t
)
• 在10-13 m的微观层次，方程放之四海而皆准 • 方程建立容易，困难在于求解
采用5 个基本物理常数：0、e、h、
c、k 而不依赖任何经验参数即可正 确预测微观体系的状态和性质
16
• 20世纪人类光彩夺目的科技成
就大都与量子力学有关。量子 理论不仅有力地促进了社会的 物质文明改观，且改变了人类 的思维方式
17
• 量子力学的辉煌使理论物理学家18次共25人荣
获诺贝尔物理奖
1919 1921 1922 1929 1932 1933
9
• 物理化学在20世纪初形成。旨在揭示化学
反应的普遍规律 — 反应进行的方向、程 度和速度…
Gibbs 化学热力学
Arrhenius 化学动力学
反应速率常数：
k
A eEa RT
10
• 物理化学的建立使化学科学开始拥有了理
论。高等数学首次派上了用场 — 虽然仅是 一阶的常、偏微分方程而已（以后在经典 统计热力学中用到了概率论）
• 经典物理化学的理论是唯象的，是有限的
地球空间内宏观化学反应规律的经验总结
• 30年代量子化学和量子统计力学分支的形
成使化学科学开始与演绎法“沾上了边”。 但在80年代前进展十分缓慢
11
上世纪初理论物理两项重大突破
⑴ Einstein广义和狭义相对论（1905） ⑵ 量子力学的创建（1925~1926）
归纳法 演绎法
依据
目标
实验事实
经验公式、规律 唯象理论
正确普适的 公理和假设
形式理论
数学工具
较简单
较高级、 复杂
• 迄80年代，归纳法是多数化学家采用的唯一科
学方法；演绎法在化学界从未得到普遍承认
• 原因：①对象复杂；②习惯观念
4
运用数学的多 少是一门科学成熟 程度的标志。
马克思
5
数学的应用：在刚体 力学中是绝对的，在气体 力学中是近似的，在液体 力学中就已经比较困难了； 在物理学中是试验性的和 相对的；在化学中是最简 单的一次方程式；在生物 学中等于零。
Landau Wigner Tomonaga Schwinger Feyman Bethe Gell-Mann Cooper Weinberg Salam Glashow
近20年理论物理领域未见再获
奖。表明物理学科的高度成18 熟
量子力学的建立和发展促进了：
现代化学键理论奠基（1930） Pauling是杰出代表 Slater、Mulliken、Hund、Heitler-London分 别作出贡献
1957
Planck Einstein Bohr de Broglie Heisenberg Schrödinger Dirac Fermi Pauli Yukawa Born Bothe T.D. Lee C.N. Yang
1962 1963 1965
1967 1969 1972 1979
对廿世纪人类科技和物质文明进步产 生巨大影响。其中，量子力学的影响更为 直接和广泛。
12
量子力学是演绎法最成wenku.baidu.com的实例
• Heisenberg、Schrödinger、Dirac、Born等于
1925~1926创建
• 30年代初由von Neumann完成形式理论体系
量子力学的建立未依据任何实验事实或经 验规律。它用少数几条基本假定作为公理，由 此出发，通过严格的逻辑演绎，迅速地建成一 个自洽、完备、严密的理论体系
数学与物理化学的交叉使有关的数学知 识在其他各化学分支亦得以应用
现代化学前沿问题
讲座
1
二十世纪八十年代以来，先进的分析 仪器的应用、量子化学计算方法的进展和 计算机技术的飞速发展，对化学科学的发 展产生了冲击性的影响。其研究内容、方 法、乃至学科的结构和性质都在发生深刻 的变化。
长期以来，化学一直被科学界公认为 一门纯实验科学。其理由要追溯到人类认 识自然的两种科学方法。
量子力学引入化学，促进量子化学、量子统 计力学形成 Einstein-Bose、Fermi-Dirac两种统计理论 Hückel分子轨道理论（1932） Roothaan方程（1952） 计算量子化学发展
19
• 化学科学的体系和结构发生深刻变化
对象： 宏观现象 微观本质 方法学： 描述、归纳 演绎、推理 理论层次：定性 定量
14
• 历70余年，量子力学经受物质
世界不同领域 (原子、分子、 各种凝聚态、基本粒子、宇宙 物质等) 实验事实的检验，其 正确性无一例外。任何唯象理 论无法与之同日而语。
15
• 用完备的形式理论体系—统一理
论—解释和预测不同科学领域的实 验结果。量子力学的“第一原理” (First Principle) 计算（从头算）只
• 化学与物理学的界限在模糊，在理论上趋
于统一
• 化学各分支学科的交叉；与其他学科相互
渗透
带动生物、材料科学进入分子水平
与化学相关的新领域不断涌现
20
• 化学及交叉学科的发展促进了数学向
化学的渗透
众多的数学工具应用于物理化学领域： 矩阵代数 复变函数 数理方程 数理统计 数值方法 群论 不可约张量法 李代数 非线性数学 模糊数学 分型理论与方法
恩格斯
6
• 恩格斯的论断反映了19世纪中叶
自然科学各学科的“成熟程度”。 表明各学科研究对象 物质运动 形式与规律 其复杂程度的差异
• 然而，百年来科技的发展使各学
科的“成熟程度”发生了巨大变 化
7
8
• 无机、有机化学在19世纪率先建立
元冶素金周、期建表材奠工定业无推机动化了学无基机础 经药典物价、键染理料论、、酿苯酒结工构业奠推定动有了机有化机学基础
2
⑴ 归纳法 ( F. Bacon, 1561-1626 )
数据拟合
设计实验
实验数据
唯象理论 检验
“预测”
⑵ 演绎法 ( R. Decartes, 1596-1650 )
公理假设
模型 形式理论
二次形式化、 近似、计算 和模拟
预测
实验 检验
3
归纳法(Reduction)与演绎法(Deduction)的比较
13
基本运动方程 — Schrödinger方程
• 微观粒子或体系的性质由状态波函数 唯一
确定， 服从Schrödinger方程
Schrödinger方程：
i
t
Hˆ
Hamilton算符：
Hˆ
N i1
2
2 i
i2
U
(r1,
r2
,,
rN
;
t
)
• 在10-13 m的微观层次，方程放之四海而皆准 • 方程建立容易，困难在于求解
采用5 个基本物理常数：0、e、h、
c、k 而不依赖任何经验参数即可正 确预测微观体系的状态和性质
16
• 20世纪人类光彩夺目的科技成
就大都与量子力学有关。量子 理论不仅有力地促进了社会的 物质文明改观，且改变了人类 的思维方式
17
• 量子力学的辉煌使理论物理学家18次共25人荣
获诺贝尔物理奖
1919 1921 1922 1929 1932 1933
9
• 物理化学在20世纪初形成。旨在揭示化学
反应的普遍规律 — 反应进行的方向、程 度和速度…
Gibbs 化学热力学
Arrhenius 化学动力学
反应速率常数：
k
A eEa RT
10
• 物理化学的建立使化学科学开始拥有了理
论。高等数学首次派上了用场 — 虽然仅是 一阶的常、偏微分方程而已（以后在经典 统计热力学中用到了概率论）
• 经典物理化学的理论是唯象的，是有限的
地球空间内宏观化学反应规律的经验总结
• 30年代量子化学和量子统计力学分支的形
成使化学科学开始与演绎法“沾上了边”。 但在80年代前进展十分缓慢
11
上世纪初理论物理两项重大突破
⑴ Einstein广义和狭义相对论（1905） ⑵ 量子力学的创建（1925~1926）
归纳法 演绎法
依据
目标
实验事实
经验公式、规律 唯象理论
正确普适的 公理和假设
形式理论
数学工具
较简单
较高级、 复杂
• 迄80年代，归纳法是多数化学家采用的唯一科
学方法；演绎法在化学界从未得到普遍承认
• 原因：①对象复杂；②习惯观念
4
运用数学的多 少是一门科学成熟 程度的标志。
马克思
5
数学的应用：在刚体 力学中是绝对的，在气体 力学中是近似的，在液体 力学中就已经比较困难了； 在物理学中是试验性的和 相对的；在化学中是最简 单的一次方程式；在生物 学中等于零。
Landau Wigner Tomonaga Schwinger Feyman Bethe Gell-Mann Cooper Weinberg Salam Glashow
近20年理论物理领域未见再获
奖。表明物理学科的高度成18 熟
量子力学的建立和发展促进了：
现代化学键理论奠基（1930） Pauling是杰出代表 Slater、Mulliken、Hund、Heitler-London分 别作出贡献