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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Lucjan Piela

出品人:

页数:1120

译者:

出版时间:2007-1

价格:190

装帧:HRD

isbn号码:9780444522276

丛书系列:

图书标签:

• 量子化学
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量子化学中的新视野：从基础理论到前沿应用 书籍简介 本书旨在为对量子化学领域有浓厚兴趣的研究者、高级本科生和研究生提供一个全面、深入且与时俱进的知识框架。我们深知量子化学是现代物理化学、材料科学和计算化学的基石，它通过应用量子力学原理来描述和预测化学系统的行为。本书的侧重点在于阐释那些尚未在经典或标准教科书中得到充分探讨，但对当前和未来研究至关重要的理论发展与实际应用。 本书结构分为五个主要部分，旨在构建一个从坚实的理论基础出发，逐步迈向复杂计算方法与新兴应用领域的学习路径。 --- 第一部分：基础概念的深化与修正 本部分着重于回顾并深化读者对量子化学核心概念的理解，特别是那些在处理复杂系统时必须精确掌握的细节。我们不会简单重复薛定谔方程的推导，而是聚焦于该方程在多电子体系和相对论效应下的实际挑战。 1. 相对论效应的精确处理： 我们详细探讨了第一和第二行过渡金属、重元素体系中，由电子速度接近光速引起的相对论效应。内容涵盖了如何将狄拉克方程（Dirac Equation）有效地耦合到化学计算中，例如，通过Douglas-Kroll-Hess（DKH）或Zeroth-Order Regular Approximation（ZORA）的更高阶修正项。我们将分析这些修正如何显著影响键长、反应能垒以及电子结构，特别是在催化剂设计中的影响。 2. 电子关联的精细化描述： 超越标准的Hartree-Fock近似，本部分深入探讨了不同层次的电子关联方法。重点放在耦合簇（Coupled Cluster, CC）理论的高阶展开，如CCSD(T)的实施细节、截断误差的量化分析，以及如何通过引入等效算符（EOM-CC，特别是EOM-CCSD用于激发态计算）来克服其局限性。此外，我们还对密度矩阵重组（Reduced Density Matrix, RDM）方法进行了系统的梳理，强调其在处理强关联体系时的潜力。 3. 电子密度与能量的几何依赖性： 本节侧重于描述性量子力学（Descriptive Quantum Mechanics）的最新进展。我们讨论了嵌入式密度泛函理论（Embedded DFT）框架，该框架允许在小片段的精确计算周围，用更粗糙但计算效率更高的模型来描述环境效应。内容包括如何精确定义“嵌入区域”以及如何处理界面处的电荷转移误差。 --- 第二部分：先进密度泛函理论（DFT）的构建与评估 DFT是现代计算化学的支柱，但其准确性高度依赖于所选的泛函。本部分的目标是提供对当前最前沿泛函的批判性分析，而非泛泛而谈。 1. 超越标准Jacob's Ladder： 我们详细剖析了目前“楼梯”上的最高层级——包括混合型（Hybrid）、双混合型（Double Hybrid）以及非局部交换-关联泛函的最新发展。特别关注了那些专门设计用于处理长程色散力（如vdW-DF系列、$\text{rVV10}$模型）和高精度反应能垒的泛函的内在构造逻辑。我们将提供实证数据，对比不同泛函在描述分子内电荷转移（CT）激发态和激发态下的性能差异。 2. 对称性与非局域性： 本章探讨了如何通过引入系统对称性约束来提高泛函的性能，以及基于信息论的泛函构建方法。我们将深入讨论对偶性原理（Duality Principle）在DFT中的应用，以及如何利用非局域密度信息来改善对金属-有机骨架（MOFs）中电子离域的描述。 3. 核-电子耦合（Born-Oppenheimer Breakdown）： 我们探讨了在涉及轻核（如氢化物）或在极低温下，打破Born-Oppenheimer近似的必要性。内容涉及如何将核的量子行为（如零点能、隧道效应）与电子结构计算进行耦合，引入了分子振动（Vibronic）耦合模型和理论框架。 --- 第三部分：动力学与激发态的计算方法 化学反应是动态过程，涉及能量景观的穿越和光物理过程。本部分专门针对时间相关的量子化学计算方法进行了深入探讨。 1. 非绝热动力学模拟： 我们重点介绍了路径积分分子动力学（Path Integral Molecular Dynamics, PIMD）和量子轨道动力学（Quantum Orbitals Dynamics, QOD）方法。这些方法允许模拟体系在电子态之间跃迁的实际过程。详细讨论了电子态耦合矩阵（如Fiedler-Krause矩阵）的构建和演化，以及如何将这些方法应用于光化学反应中心或半导体异质结中的能量传输。 2. 时间依赖性密度泛函理论（TD-DFT）的局限与改进： 尽管TD-DFT应用广泛，但在描述Charge Transfer (CT) 和 Rydberg 激发态时常有不足。本部分着重于引入修正项，如$Delta$SCF方法，以及如何利用耦合簇理论（如EOM-CC）的结果来构建更可靠的TD-DFT校准集。 3. 实时（Real-Time）方法的应用： 我们探讨了使用实时间演化方法（Real-Time Propagation）来模拟超快激光脉冲与物质相互作用的优势。这包括使用Floquet理论来处理周期性激光场，以及如何将这些方法扩展到处理高次谐波产生（HHG）等非线性光学现象。 --- 第四部分：拓扑化学与材料的量子描述 量子化学不再局限于孤立分子，它正在深刻地塑造我们对固态材料性质的理解。 1. 拓扑不变量与电子结构： 本部分详细阐述了拓扑绝缘体和拓扑半金属的理论基础。我们将介绍拓扑不变量（如Chern数、Z2不变量）在晶体结构中的具体计算方法。内容将侧重于如何通过计算贝里曲率（Berry Curvature）来预测材料的表面态和边缘态，这是设计新型低能耗电子器件的关键。 2. 分子在表面的相互作用： 我们讨论了如何使用周期性边界条件下的DFT（Periodic DFT）来准确描述单分子层在金属或半导体表面上的吸附和反应。重点关注了“范德华力”的精确纳入（如DFT-D3或更复杂的非局域修正），以及如何计算界面处的能带对齐问题。 3. 强关联电子体系的理论挑战： 对于强关联材料（如高温超导体、量子自旋液体），标准DFT失效。本部分引入了动关联平均场理论（DMFT）作为处理局域强关联问题的有力工具。我们将探讨如何将DMFT与DFT结合（DFT+DMFT框架），以准确描述$d$和$f$轨道电子的行为。 --- 第五部分：面向未来的计算范式 本部分的探讨超越了传统计算化学的边界，展望了机器学习和量子计算在化学领域的融合。 1. 量子化学中的机器学习（ML）： 我们分析了如何使用神经网络和高斯过程回归来建立准确的势能面（Potential Energy Surfaces, PES）或描述符（Descriptors）。重点讨论了如何构建“物理知情”（Physics-Informed）的机器学习模型，确保模型在化学上合理的区域内保持高精度，包括ANI、SchNet等先进架构的应用。 2. 变分量子本征求解器（VQE）的优化： 对于容错量子计算机的早期阶段，VQE是最有希望的算法之一。本章详细分析了VQE在化学问题中的具体实施，包括优化 Ansatz（如UCC）的选择、缓解退相干效应的策略，以及如何选择有效的测量方案以最小化所需的量子门操作。我们将提供实际案例，展示VQE在小分子基态能量计算中的性能瓶颈和突破点。 3. 理论方法的后处理与可视化： 最后，我们讨论了如何从复杂的计算数据集中提取有意义的化学信息。这包括先进的“局域化”指标（如IQA或ELF分析的最新版本）以及拓扑数据分析（TDA）在揭示分子结构与性质之间复杂关系中的应用。 --- 本书的每一个章节都力求提供当前学术界尚未完全普及的深度洞察和实用工具。它不是对已知理论的简单复述，而是对当前研究热点和未来方向的系统性探索，旨在激发读者对量子化学前沿领域的深入研究和创新。

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这本书的书名《Ideas of Quantum Chemistry》让我觉得，它可能不仅仅是一本教条式的教科书，而更像是一次思想的探索之旅。我一直对科学的“思想”部分充满兴趣，尤其是那些能够颠覆我们传统认知的思想。量子化学，在我看来，就是这样一个充满革命性思想的领域。我期待这本书能够带我深入了解这些“思想”的起源和发展。我想知道，当初的科学家们是如何一步步建立起量子化学的理论框架的？他们是如何克服当时的经典物理学所带来的困难，从而引入了全新的概念？这本书能否解释清楚，为什么像海森堡、薛定谔、狄龙等伟大的科学家们会提出那些看似怪异但又无比精确的理论？我希望它能让我领略到科学家的智慧和创造力，以及他们如何通过不断的实验和思考，一步步揭示物质世界的奥秘。我更希望这本书能够让我思考，量子化学的思想是如何影响了我们对现实的理解，甚至是对我们自身存在的认知。我喜欢那些能够激发哲学思考的科学书籍，它们能让我不仅仅停留在知识层面，更能引发对更深层次问题的探讨。

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我挑选《Ideas of Quantum Chemistry》这本书，是因为它在我的学习和研究过程中扮演了一个至关重要的角色。我一直深信，要深入理解化学领域的任何一个分支，都必须建立在扎实的量子化学基础之上。我期待这本书能够为我提供一个全面、深入的视角，让我能够系统地掌握量子化学的核心概念和理论。我希望它能够详尽地介绍原子和分子的量子力学描述方法，包括各种近似方法和计算技术。我期待它能够解释清楚，量子化学是如何被用来解决实际的化学问题，例如反应机理的分析、光谱性质的预测、热力学性质的计算等等。我不仅希望从中获得知识，更希望它能培养我的批判性思维和解决问题的能力，让我能够更好地应对未来在化学研究中遇到的挑战。

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我买《Ideas of Quantum Chemistry》这本书，很大程度上是因为我对“化学”这个词本身就有着一种莫名的亲近感。从小时候接触的化学实验课，到后来在生活中遇到的各种化学现象，我都觉得它们充满了奇妙和规律。而量子化学，无疑是化学领域最基础、最核心的部分。我一直觉得，要真正理解化学，就必须深入到微观层面，去了解原子和分子是如何相互作用的。所以我期待这本书能够为我揭示这些微观世界的奥秘。我想知道，化学键到底是什么？为什么有的原子会形成稳定的分子，而有的则会剧烈反应？电子在化学反应中扮演着怎样的角色？能量在化学过程中是如何传递和转化的？我希望这本书能够用一种易于理解的方式，解释量子化学的基本原理，比如电子的排布、轨道的概念、能量的量子化等等。我希望它能让我明白，为什么一些物质具有特定的颜色，为什么有些物质具有导电性，为什么有些药物能够治疗疾病。我期待这本书能够让我对化学产生更深的敬畏，更深入地理解它在自然界和我们日常生活中的重要性。我不是要成为一名专业的化学家，我只是想拥有一个更清晰、更深刻的视角，去理解我们周围世界的物质构成和运行规律。

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坦白说，《Ideas of Quantum Chemistry》这本书，我最看重的是它名字中“Ideas”这个词。我一直觉得，科学之所以伟大，不仅仅在于它提供了工具和方法，更在于它背后那些深刻的思想和理念。量子化学，作为一门研究微观世界的学科，更是充满了颠覆性的思想。我期待这本书能够深入地探讨这些“思想”，而不是仅仅罗列计算方法或者理论推导。我想知道，量子力学是如何从经典物理学中脱颖而出的？那些看似反直觉的量子现象，比如叠加态和纠缠，是如何被科学家们发现并接受的？这本书能否解释清楚，为什么我们需要引入量子这个概念？它又是如何改变了我们对物质本质的理解？我希望能看到关于波粒二象性、不确定性原理、量子隧穿等核心概念的深入剖析，以及它们如何影响化学反应的进程和物质的性质。我更希望这本书能引导我去思考，量子化学的思想是如何影响了其他学科，比如物理学、生物学，甚至哲学。我喜欢那种能够引发思考的书籍，能够让我跳出固有的框架，从全新的角度审视问题。我期待《Ideas of Quantum Chemistry》能够成为这样一本启发我思维的书，让我不仅仅是学习知识，更是感受科学的魅力，体会那些伟大的思想是如何诞生的，又是如何塑造了我们今天的世界。我希望它能让我对“为什么”有更深的理解，而不是仅仅停留在“是什么”。

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我购买《Ideas of Quantum Chemistry》这本书，更多的是出于一种对未知的好奇心。我对微观世界的运作方式总是充满了疑问，而量子化学正是探索这个世界的钥匙。我总觉得，我们日常所见的各种物质，它们的性质，它们的反应，它们的形态，归根结底都源于微观粒子的奇特行为。我期待这本书能够以一种引人入胜的方式，揭示量子化学的核心概念。我希望它能让我理解，为什么电子会有如此奇特的“概率云”存在形式，为什么能量是“量子化”的，而不是连续的。我希望能看到关于不确定性原理的精彩阐述，以及它如何解释了为什么我们无法同时精确地知道一个粒子的位置和动量。我更希望这本书能够解释，量子化学是如何被用来设计新材料、开发新药物、甚至理解生命过程的。我不是一个专业的化学家，我只是一个对世界充满好奇的探索者。我希望这本书能满足我的好奇心，让我对微观世界的运行机制有一个更清晰、更深刻的认识。

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我之所以选择《Ideas of Quantum Chemistry》这本书，是因为它在我的书单里占据了一个相当重要的位置。我一直认为，要真正理解任何一门学科，尤其是像化学这样与物质世界息息相关的学科，就必须触及到它的核心，也就是它的基本原理。而量子化学，毫无疑问是现代化学的基石。我期待这本书能够为我提供一个坚实的基础，让我能够理解更复杂的化学现象和理论。我希望它能够清晰地阐述量子力学在化学中的应用，比如如何描述原子和分子的结构，如何解释化学键的形成，如何预测化学反应的发生。我特别希望它能详细介绍一些核心的概念，比如原子轨道、分子轨道理论、电子构型、能量级别等等，并且能够提供足够多的例子来帮助我理解。我不是要成为一名理论物理学家，我只是想成为一个更懂化学的人，一个能够用更科学、更深入的眼光看待化学现象的人。我希望这本书能够让我对化学产生一种全新的认识，让我觉得化学不再是枯燥的公式和反应式，而是充满智慧和规律的迷人世界。

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坦白说，《Ideas of Quantum Chemistry》这本书，我最看重的是它名字中“Ideas”这个词。我一直觉得，科学之所以伟大，不仅仅在于它提供了工具和方法，更在于它背后那些深刻的思想和理念。量子化学，作为一门研究微观世界的学科，更是充满了颠覆性的思想。我期待这本书能够深入地探讨这些“思想”，而不是仅仅罗列计算方法或者理论推导。我想知道，量子力学是如何从经典物理学中脱颖而出的？那些看似反直觉的量子现象，比如叠加态和纠缠，是如何被科学家们发现并接受的？这本书能否解释清楚，为什么我们需要引入量子这个概念？它又是如何改变了我们对物质本质的理解？我希望能看到关于波粒二象性、不确定性原理、量子隧穿等核心概念的深入剖析，以及它们如何影响化学反应的进程和物质的性质。我更希望这本书能引导我去思考，量子化学的思想是如何影响了其他学科，比如物理学、生物学，甚至哲学。我喜欢那种能够引发思考的书籍，能够让我跳出固有的框架，从全新的角度审视问题。我期待《Ideas of Quantum Chemistry》能够成为这样一本启发我思维的书，让我不仅仅是学习知识，更是感受科学的魅力，体会那些伟大的思想是如何诞生的，又是如何塑造了我们今天的世界。我希望它能让我对“为什么”有更深的理解，而不是仅仅停留在“是什么”。

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《Ideas of Quantum Chemistry》这本书，我当初选择它，很大程度上是因为名字里“Ideas”这个词给我的启发。我一直觉得，科学的魅力不仅仅在于它能提供准确的计算和预测，更在于它能够产生颠覆性的思想，改变我们对世界的认知。量子化学，毫无疑问就是这样一个领域，它挑战了我们许多根深蒂固的观念。我期待这本书能够深入探讨量子化学中的那些“思想”，而不是仅仅停留在公式的层面。我想知道，量子力学是如何从经典物理学中发展出来的？那些看似反直觉的量子现象，比如叠加态和纠缠，是如何被科学家们发现和解释的？这本书能否让我体会到，科学家们在探索这些未知领域时的思维过程和智慧火花？我希望它能引导我思考，量子化的概念是如何深刻地影响了我们对能量、物质本质的理解。我更希望这本书能让我看到，量子化学的思想是如何渗透到各个科学领域，并推动着科学的不断进步。

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这本书，我真的得好好跟你说说。我当时买它，纯粹是因为名字听起来就很“酷”，又带点哲学意味。量子化学，这个词本身就充满了神秘感和深度，我一直觉得它藏着理解物质世界最根本的秘密。所以，当我看到《Ideas of Quantum Chemistry》这个书名时，脑海里立刻浮现出的是那些深邃的理论，那些改变我们对宇宙认知的思想火花。我幻想这本书能引领我进入一个全新的思维领域，在那里，粒子不再是简单的点，而是概率的云，能量是量化的阶梯，化学键的形成是因为电子的“共舞”。我期待的是那些能让我豁然开朗的洞见，那些能用清晰的语言解释复杂概念的段落。我希望这本书能像一位睿智的长者，循循善诱地为我揭示量子化学的核心思想，让我能够理解原子如何相互作用，分子如何形成，以及这一切背后隐藏的量子规则。我甚至希望它能触及到一些前沿的、尚未完全解决的难题，让我窥见科学探索的边界。毕竟，科学的魅力就在于它不断地挑战我们的认知，不断地推翻旧的理论，建立新的模型。而量子化学，无疑是这个领域中最具革命性的部分。我希望这本书能让我不仅仅是记住一些公式和定义，而是真正理解它们背后的物理意义和哲学含义，体会到科学家们在探索这些奥秘时的艰辛与喜悦。这本书，对我来说，是一个通往更深层理解的入口，一个让我对科学产生无限遐想的载体。我甚至可以想象，翻开它，就像打开了一扇通往微观世界的大门，在那里，熟悉的宏观规律似乎不再适用，取而代之的是一种全新的、令人着迷的现实。我期待着它能满足我最深层的求知欲，让我对化学的理解提升到一个全新的层次。

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我拿到《Ideas of Quantum Chemistry》这本书的时候，说实话，有点忐忑。量子化学这玩意儿，听上去就不是一般人能啃得动的。我不是科班出身，对化学的了解仅限于中学和大学的入门课程，很多概念都停留在模糊的层面。但是，我对事物运作的根本原理总是有着强烈的好奇心。我总想知道，为什么水是H2O，为什么它会结冰，为什么有些物质会燃烧，有些则不会。我总觉得，这些问题的答案一定隐藏在微观世界的深处，而量子化学就是解开这些谜团的金钥匙。所以，我抱着“就算看不懂，也硬着头皮看”的心态入手了这本书。我期待它能以一种相对更容易接受的方式，介绍量子化学的基本概念，比如原子轨道、电子云、薛定谔方程等等。我希望作者能够用类比、用生动的例子，甚至是图示，来帮助我理解这些抽象的概念，而不是简单地堆砌公式和术语。我希望它能够解释清楚，为什么在量子世界里，粒子可以同时出现在多个地方，为什么观察一个粒子的行为会影响到它的状态。我更希望它能让我看到，量子化学是如何被应用到实际问题中的，比如药物设计、材料科学，甚至是理解生物分子的功能。我不是要成为一个量子化学家，我只想拥有一个更清晰、更全面的视角，去理解这个世界是由什么构成的，以及这些构成部分是如何相互作用的。这本书，在我看来，是一次自我挑战，也是一次对未知的好奇心的回应。我渴望从中获得知识，更渴望激发我对科学探索的热情。

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浏览了一遍，化学家的构思，比赖文写的好。

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