冯大诚的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/fdc1947 交流思想 交流文化

博文

量子化学与科学出版社的《量子化学》 精选

已有 6424 次阅读 2020-11-11 08:17 |个人分类:教育|系统分类:教学心得

量子化学与科学出版社的《量子化学》

一百年来,科学界的最大成就便是量子力学理论的创立。如今,以“量子”开头的名称也有许许多多了。排除以“量子”为噱头的众多商业名称,即使是正经的科学领域中,成就最大而争议最少的学科或理论,除量子力学本身之外,当属量子化学。

量子化学,就是以量子力学的理论和方法来研究化学问题的一门学科。

众所周知,化学是研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的一门学科。我们主要在原子-分子这个层次上研究物质的化学性质和化学反应。电子、原子核这些微观物体的相互作用使原子组成了分子、形成了晶体、液体等形态的物质。所以,化学学科的研究对象归根结底是电子、原子核等微观物体的相互作用。这是我们今天的认识。人们能够达成这样的认识,也不是一蹴而就的。

根据19世纪的原子-分子理论,物质是由分子构成的,分子由原子组成。原子是怎样组成分子的?在19世纪,人们普遍认为存在一种化学的力,是这种化学力使得原子组成了分子。

但是在19世纪末,人们知道了,原子并非“不可分”,它是由带负电的电子和带正电的部分构成的。在1913年,波尔提出了电子围绕原子核运动的原子模型。1918年,人们发现了质子。1925-1926年间,人们确立了量子力学理论,这是揭示微观粒子运动规律的学说。1927年,人们用量子力学理论成功地计算了由两个氢原子组成的最简单的分子,氢分子。这样人们就知道了,由原子组成分子,仅仅是一种电磁相互作用,并不存在什么化学的力。

由于化学作用是若干原子核、电子组成的体系的运动,而这些原子核、电子的运动应当符合量子力学所揭示的运动规律,这样,用量子力学来研究化学运动就是顺理成章的事情了。量子化学就是用量子力学的理论和方法来研究化学问题。由于量子力学是微观化学物质所遵循的根本规律,所以,量子化学是整个化学学科的理论基础。实际上,量子化学的研究成果如今也已经深入到化学学科的各个分支。很多由量子力学得到的概念和术语已经成为化学的常识,没有哪一个化学家能够不用这些概念和术语而解释清楚最简单的化学问题。

1927年,人们用量子力学研究氢分子也就被认为是量子化学学科的开端。也正是这个研究,人们搞清楚了分子中原子间的“键”的本质。

利用量子力学,人们弄清楚了原子内部的电子结构。这样,元素周期表不再仅仅是一个由实验确立的经验规律,而是建立在坚实的理论基础之上的必然结果。各种化学元素的性质也正是由原子的电子结构所决定。人们也终于弄清楚了为什么原子以各自特定的化学价相互结合。

根据量子力学的原理,人们用杂化的原子轨道去成功解释了分子的各种形状。由此,鲍林获得了1954年的诺贝尔化学奖。

同样,根据量子力学的原理,人们用分子轨道解释分子的结构和它的各种光谱。由此,马利肯获得了1966年的诺贝尔化学奖。

用分子轨道的理论,还能够解释甚至预测很多化学反应的可能性或途径。由此,福井谦一和霍夫曼因分子轨道对称守恒原理和前线轨道理论获诺贝尔化学奖。

正因为化学体系是微观粒子组成的体系,以至于人们起初认为化学问题不过就是一个薛定谔方程的求解罢了。但是,由于化学体系由很多个微观粒子组成的,需要求解的化学体系的薛定谔方程是一个非常复杂的方程。以至于在20世纪中叶以前,人们常常怀疑人类是否有能力去比较精确地求解这样复杂的方程。

但是,技术也会对科学的发展起到强大的作用,从20世纪60年代开始,电子计算机技术的发展就大大促进了量子化学计算的进步。

人们一方面在发展更加高效的量子化学计算方法,如密度泛函方法,另一方面也在组织编制更加更适合人们使用的计算软件。为此,科恩和波普获得了1998年的诺贝尔化学奖。

如今,量子化学计算已经是化学研究中的一个常规的研究方法。它计算的对象,已经不局限于无机或有机的小分子,而已经普及到一般的分子体系;从分子的平衡构型,扩展到各类化学反应的势能面、反应机理和反应动力学;从电子基态扩展到激发态。计算的精度也逐渐接近甚至在某些问题上超过了实验精度。它能够预测某些化合物的存在和它们的性质,预测某些化学反应的途径。而它的研究成本却远远低于实验而且对环境非常友好,不会产生化学污染物质。它是化学研究前进车辆上的一个重要“轮子”,是化学实验研究的好帮手和好的指导者。

科学出版社出版的量子化学书籍对于我国的量子化学研究队伍的发展壮大起到了积极的作用。

早在1982年,科学出版社就出版了唐敖庆先生的《量子化学》。

书2.jpg

1978-1979年,在我国刚刚恢复招收研究生之际,教育部委托吉林大学举办一期全国性的量子化学研究生、进修生班。在这个班上,唐敖庆先生主讲了“量子力学”和“量子化学”两门课程。本人有幸参加了这个研究生班的学习,聆听了唐老师的课程。这本《量子化学》就是在唐老师讲稿的基础上由杨忠志、李前树两位老师整理而成的。

唐老师主持的研究生、进修生班有三十位研究生和120多位进修教师参加,时间长达一年半。这个班为我国建立一支有较高水平的量子化学研究和教学队伍奠定了基础。

在我从事量子化学学科教学和研究的几十年里,唐老师的这本《量子化学》一直是我最重要的参考书。它不但领我进门,而且一直指引我向前。

在1980年代,科学出版社还出版了徐光宪、黎乐民等先生等编著的《量子化学》上、中、下三册(上册,1980年;中册,1985年;下册,1989年)。

书1.jpg

徐光宪、黎乐民等先生的这部《量子化学》内容丰富、解释和推导详细,对于广大教师教授、学生学习量子化学,都起到了非常重要的作用。

近十年来,科学出版社又出版了多部有关量子化学的优秀著作,例如,2012年出版的《高能晶体量子化学》(朱卫华、肖鹤鸣);2013年的《相对论量子化学基础》(曹晓燕,方维海,M.多尔格)  ;2015年的《量子化学教程》(黄明宝)等等。

最近,在我国改革开放四十年也是我国量子化学学科开始大发展的四十年之际,2020年9月,科学出版社又出版的刘成卜教授编著的《量子化学》。这是一本近85万字的16开本的“大书”。这是刘成卜教授四十年来从事量子化学基础理论研究和三十年来教授量子化学课程的一个结晶。

刘成不.jpg

1978年,刘成卜参加了上面说到的吉林大学举办的量子化学研究生班、进修班的学习,由唐敖庆、邓从豪等先生引领进入了量子化学学科的学习和研究的大门。四十年来,刘成卜从事量子化学基础理论的研究工作。从1990年起,他一直教授量子化学(理论与计算化学)专业研究生的“量子化学II”课程,这是在学习了量子化学基础(称为“量子化学I”)后的更深入的课程。学生学习了该课程,可以对量子化学理论和计算方法有更进一步的了解。当然,他现在出版的这本书并不需要读者有这样的学习经历。

量子化学学科是一门仍然在快速发展中的学科,与1980年代唐敖庆、徐光宪先生那时候的著作相比,量子化学的理论和方法又取得了很大的进展。刘成卜的《量子化学》中反映了很大一部分的进展。

由于刘成卜教授一直在从事量子化学理论的研究,他的书中也包含了他对量子化学一些基本概念和理论方法的新的看法。对于一些公式的推导和概念的演绎,也有不同于旁人的新意。正所谓长江前浪推后浪,也正是这种新意,是刘成卜对于唐敖庆、徐光宪、邓从豪等诸位前辈先生谆谆教导的最好的报答和纪念。年轻的读者也能够通过学习刘成卜教授的《量子化学》得到巨大的教益。

我相信科学出版社出版的这些书籍,一定能够对于我国量子化学学科的进一步发展,起到很好地推进作用。

 




http://blog.sciencenet.cn/blog-612874-1257895.html

上一篇:水稻和小麦为什么不如玉米高产?
下一篇:杂说若干与河湖湿地有关的字(1)

17 武夷山 刘博 郑永军 尤明庆 杜占池 王大元 孙冰 王伟周 李轻舟 黄永义 左宋林 李学宽 王安良 朱晓刚 鲍海飞 强涛 周忠浩

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (13 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-1-26 23:42

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部