Advances in Quantum Chemistry pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Academic Press Inc

作者:Sabin, John R. (EDT)/ Brandas, Erkki (EDT)

出品人:

页数:326

译者:

出版时间:2006-12

价格:165

装帧:精装

isbn号码:9780120348527

丛书系列:

图书标签:

• 量子化学
• 计算化学
• 分子建模
• 化学物理
• 量子力学
• 从头算
• 密度泛函理论
• 电子结构
• 分子性质
• 化学反应动力学

《前沿计算物理学：从第一性原理到复杂系统模拟》 图书简介 在当前科学研究的浪潮中，计算物理学已成为探索物质世界最前沿、最具颠覆性的工具之一。本书《前沿计算物理学：从第一性原理到复杂系统模拟》，旨在全面、深入地阐述现代计算物理学领域的核心理论框架、关键算法以及在多个交叉学科中的前沿应用。本书不仅对理论基础进行了严谨的梳理，更侧重于展示如何将这些数学模型转化为高效、可扩展的数值模拟程序，以解决当今科学界面临的最棘手问题。 第一部分：计算物理学的基石——从量子力学到密度泛函理论 本书的开篇聚焦于计算物理学的理论基石——量子力学。我们首先回顾了薛定谔方程及其在描述多电子系统时的局限性。在此基础上，本书详尽阐述了密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT） 的发展历程、 Hohenberg-Kohn 定理的深刻内涵，以及 Kohn-Sham 体系的构建。 DFT 部分是本书的核心内容之一。我们不仅细致分析了各类交换关联泛函（LDA, GGA, meta-GGA，以及最新的混合泛函和非局域泛函）的物理基础和数值精度权衡，更深入探讨了如何处理实际系统中的挑战，例如： 1. 相对论效应的处理： 详细比较了无自旋轨道（SO）与考虑自旋轨道耦合的相对论性DFT方法（如直接相对论方法和伪势方法），特别是对于重元素体系的重要性。 2. 电子激发态的计算： 介绍了时间依赖性密度泛函理论（TD-DFT）的原理，并讨论了其在计算光吸收光谱、激发态动力学中的应用和局限性，以及如何引入更精确的自由能泛函来修正能隙问题。 3. 超软、赝势的构建与应用： 解释了平面波基组计算中，如何利用投影缀加波（PAW）方法和超软赝势（USPP）来有效地截断计算，实现计算效率和精度的最佳平衡。 第二部分：介观与多尺度模拟：连接微观与宏观 现实世界的问题往往发生在不同的尺度上。本书的第二部分致力于构建连接原子尺度与宏观现象的桥梁，重点介绍多尺度模拟方法。 1. 分子动力学（Molecular Dynamics, MD）的核心算法： 本章详细解析了牛顿运动方程的数值积分算法，如 Verlet 算法及其改进型。我们深入探讨了在 MD 模拟中实现高效能计算的关键技术： 周期性边界条件（PBC） 与长程相互作用（如静电作用）的处理，包括 Ewald 求和法、快速多极矩方法（FMM）的原理与实现。 增强采样技术： 针对高能垒反应和稀有事件，系统介绍了 Metadynamics、Umbrella Sampling 和 Replica Exchange 等方法，及其在构象采样和自由能面构建中的应用。 2. 从原子到介观的连接： 介绍了如何将精细的量子化学计算结果（力场参数）传递给粗粒化模型。重点阐述了粗粒化分子动力学（CGMD）的构建原则，例如 Martini 模型或基于信息论的粗粒化方法，及其在模拟软物质和生物大分子组装过程中的强大能力。 3. 介观输运计算： 讨论了如何利用非平衡格林函数（NEGF）方法来计算电子在纳米结构（如分子器件）中的输运性质，如何将其与 DFT 计算结果耦合，实现对电荷转移和输运机制的精确预测。 第三部分：强关联电子体系的挑战与前沿方法 描述强关联电子体系，如过渡金属氧化物、拓扑材料和高温超导体，是计算物理学界公认的难题。本书 dedicated 章节详细剖析了解决这些挑战的最新工具箱。 1. 超越平均场： 深入解析了动力学平均场理论（DMFT） 的基本思想，如何将周期性晶体问题转化为一个局域的杂化问题。我们不仅讲解了其与 DFT 的耦合（DFT+DMFT），还介绍了如何利用泊松方程求解器（如量子蒙特卡罗或精确对易子空间求解器）来处理局域的自能。 2. 高精度量子化学方法在材料科学中的应用： 探讨了耦合簇（Coupled Cluster, CC）方法和多参考态方法（如 CASSCF/CASPT2）在计算电子结构特性，特别是激发态性质和基态能量修正方面的潜力，尽管其计算成本较高，但在基准测试中的不可替代性。 3. 拓扑材料的表征： 介绍了如何利用拓扑不变量（如贝里相位、陈数）来表征材料的拓扑性质，以及如何通过计算能带结构中的时间反演对称点来识别外尔点或狄拉克锥。 第四部分：计算物理学的工程实现与性能优化 理论的实现依赖于高效的数值工程。本书的最后一部分关注于如何将复杂的算法转化为可以在超级计算机上高效运行的代码。 1. 大规模并行计算策略： 详述了矩阵运算（如 FFT 和矩阵对角化）在并行环境下的优化技术，包括 MPI 和 OpenMP 的混合编程模型。重点讲解了如何高效地在分布式内存架构上实现应力/力计算、泊松求解器等任务的负载均衡。 2. 图形处理器（GPU）加速： 探讨了现代计算物理学代码向异构计算平台迁移的趋势。详细分析了 CUDA/OpenCL 编程模型，以及如何将高计算强度的部分（如势能计算、短程力截断）移植到 GPU 上，实现数量级的加速。 3. 高通量计算（High-Throughput Computing, HTC）框架： 介绍了如何构建自动化的工作流，结合材料数据库（如 Materials Project 理念），实现对数以万计结构和性质的自动筛选与计算。这包括数据管理、任务调度和结果可视化等工程实践。 总结 《前沿计算物理学：从第一性原理到复杂系统模拟》是一本面向高年级本科生、研究生以及科研人员的综合性教材与参考书。它强调理论的严谨性、算法的工程实现，以及在凝聚态物理、化学、材料科学等领域中的实际应用能力。通过本书的学习，读者将能够掌握驾驭现代计算工具包（如 VASP, Quantum ESPRESSO, LAMMPS 等）背后的核心物理和数学原理，并有能力设计和实施解决复杂科学问题的全新模拟方案。

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