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出版者:A K Peters/CRC Press

作者:M.D. Sturge

出品人:

页数:480

译者:

出版时间:2003-9-24

价格:USD 94.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9781568811963

丛书系列:

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《量子化学计算方法与应用》 本书深入探讨了量子化学计算的理论基础、核心方法以及在不同科学领域的广泛应用。作为一本面向高年级本科生、研究生以及从事相关研究的科研人员的专著，它旨在提供一套系统而详实的量子化学计算工具箱，帮助读者理解微观世界的奥秘，并解决实际科学问题。 内容梗概： 本书的结构设计循序渐进，从最基础的量子力学原理出发，逐步引申到现代量子化学计算的各项技术。 第一部分：理论基础 量子力学基本原理回顾： 本章首先简要回顾了薛定谔方程、算符、波函数、能量本征态等量子力学的核心概念，为后续的计算方法奠定理论基础。重点强调了 Born-Oppenheimer 近似在分子体系中的重要性，这是绝大多数量子化学计算的起点。 多电子体系的挑战： 详细阐述了多电子体系的波函数难以精确求解的原因，包括电子间的库仑排斥和 Pauli 不相容原理。这为引入近似方法和计算技术提供了动机。 Hartree-Fock 方法： 作为近似方法的核心，Hartree-Fock (HF) 方法被详细讲解。从单行列式近似出发，介绍了 Fock 积分、SCF (Self-Consistent Field) 迭代过程，以及其优缺点。读者将了解 HF 方法如何处理电子相互作用，以及它在描述分子基态能量和轨道上的局限性。 后 Hartree-Fock 方法： 认识到 HF 方法的局限性后，本书将系统介绍各类后 HF 方法，旨在更精确地描述电子相关性。 组态相互作用 (CI)： 从简单的一阶和二阶 CI 到全 CI，详细解析了如何通过引入激发态的 Slater 行列式来修正 HF 能量。 微扰理论 (MPn)： 介绍 Møller-Plesset 微扰理论 (MP2, MP3, MP4) 的概念，阐述如何将电子相关性视为对 HF 解的微扰，并详细推导了 MP2 的表达式。 耦合簇理论 (CC)： 作为目前描述电子相关性最精确的方法之一，耦合簇理论 (CCSD, CCSD(T)) 的基本原理被深入剖析。读者将理解指数算符如何有效地包含高阶激发贡献。 密度泛函理论 (DFT)： 随着计算能力的提升，DFT 已成为最常用的量子化学计算方法之一。本书将详细介绍 DFT 的基本思想，包括 Hohenberg-Kohn 定理和 Kohn-Sham 方程。重点讨论了各种交换-关联泛函（LDA, GGA, meta-GGA, 混合泛函）的特点、适用范围及其发展历程，并提供选择合适泛函的指导。 基组理论： 详细介绍了构建分子轨道所需的基函数，包括斯莱特-泰普函数 (STF) 和高斯-泰普函数 (GTF)。重点讲解了各种基组的类型（如 STO-nG, Pople, Dunning 完备基组），以及如何根据计算需求选择合适的基组，包括极化函数 (polarization functions) 和弥散函数 (diffuse functions) 的作用。 第二部分：计算方法实现与实践 量子化学计算软件介绍： 简要介绍了几种主流的量子化学计算软件，如 Gaussian, NWChem, Q-Chem 等，并说明了它们在理论方法实现和用户界面方面的特点。 结构优化与振动分析： 详细讲解了如何进行几何结构优化，寻找分子能量最低点。阐述了 Hessian 矩阵在优化过程中的作用，以及如何通过计算振动频率来确认优化得到的结构是能量极小值，并进行化学键的指认。 反应路径与过渡态搜索： 介绍了反应动力学的基本概念，以及如何利用 IRC (Intrinsic Reaction Coordinate) 计算来追踪反应路径，并搜索反应过渡态，从而理解化学反应的机理。 激发态计算： 讲解了 TD-DFT (Time-Dependent DFT) 和 CIS (Configuration Interaction Singles) 等方法在计算分子激发态（如紫外-可见吸收光谱）中的应用，并探讨了荧光和磷光现象的理论描述。 分子性质计算： 涵盖了计算偶极矩、极化率、超极化率、NMR 化学位移、ESR 超精细耦合常数等各种分子性质的方法，并解释了这些性质与分子结构和电子分布的关系。 含时方法与动力学模拟： 简要介绍了含时薛定谔方程的求解方法，以及量子动力学模拟在研究分子反应过程中的应用。 第三部分：应用领域与前沿进展 有机化学： 实例展示了量子化学计算在预测反应活性、理解反应机理、设计新型催化剂和药物分子中的应用。 无机化学与材料科学： 探讨了计算过渡金属配合物、晶体材料性质、二维材料电子结构等在催化、能源存储、电子器件等领域的应用。 生物化学： 介绍了量子化学方法在理解酶催化机制、模拟生物分子相互作用（如药物-靶点结合）、设计生物活性分子中的作用。 前沿进展： 简要介绍了一些正在发展的计算方法，如多参考方法、量子蒙特卡罗方法、机器学习在量子化学中的应用等，展望了量子化学计算的未来发展方向。 本书特色： 理论与实践并重： 既深入讲解了量子化学计算的理论精髓，又提供了实际操作的指导和应用案例。 系统性与全面性： 覆盖了从基础到前沿的各类重要计算方法，为读者构建了完整的知识体系。 清晰的逻辑结构： 内容组织严谨，章节之间联系紧密，易于读者理解和掌握。 丰富的实例支持： 通过大量具体的化学体系和科学问题，生动地展示了量子化学计算的强大能力。 面向读者友好： 语言清晰，概念解释到位，并提供了必要的数学推导，适合不同背景的读者。 通过阅读本书，读者不仅能够掌握量子化学计算的理论精髓和计算技巧，更能深刻理解微观世界中物质的结构、性质和反应规律，从而在各自的研究领域中发挥计算化学的巨大作用。

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阅读这本书的体验，更像是在与一位经验丰富、极富耐心的导师进行一对一的深度对话。行文风格极为严谨，但绝不古板。作者非常擅长用精确的语言来描绘那些稍有不慎就会产生歧义的物理概念。比如，区分“微观状态”和“宏观状态”时，他反复使用了不同的比喻和数学表达，确保读者不会混淆两者的集合性质。这种细致入微的教学态度，在处理数学推导时体现得淋漓尽致——每一个积分符号的出现、每一个变量替换的理由，都被清晰地交代，很少出现“显然地”或者“读者可以自行验证”这种含糊其辞的表述。这对于那些依赖逐步推导来构建信心的学习者来说，是莫大的慰藉。我个人的阅读习惯是倾向于在理解透彻后再继续，这本书完美地契合了我的需求，它鼓励慢读和深度思考，而不是快餐式的知识摄入。如果你追求的是对每一个物理定律背后数学逻辑的彻底掌控，那么这本书的语言节奏和详尽程度，无疑是为你量身定制的。

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这本书的理论深度和广度，用“百科全书式”来形容或许有些夸张，但其对各个分支领域的覆盖程度，确实令人印象深刻。它并没有止步于经典的玻尔兹曼统计和费米-狄拉克、玻色-爱因斯坦统计的范畴。我惊喜地发现，作者用相当大的篇幅专门探讨了小系统和非平衡态统计物理的前沿话题。例如，在介绍正则系综和巨正则系综时，作者引入了最近十年间关于涨落和信息熵在有限时间尺度上相互作用的研究成果，这在许多传统教材中是看不到的。这种与时俱进的特性，使得这本书不仅是一份稳固的理论基石，更像是一扇通往当代物理研究大门的窗户。我尤其欣赏作者处理量子统计部分的手法，他巧妙地将矩阵力学的一些基本概念融入到对能级划分的讨论中，让量子力学的背景知识显得不再是孤立的负担。对于已经有一定基础，想要向研究领域迈进的进阶读者而言，这本书提供的参照系和深度讨论，绝对是市场上同类书籍中少有的高标准范例。

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从工具书的角度来看，这本书的实用性同样无可挑剔。它不仅提供了坚实的理论框架，还体贴地附带了一份非常实用的数学和预备知识的补充材料。我特别指的是附录中关于复变函数积分和特殊函数性质的总结，这些内容对于理解更复杂的配分函数计算至关重要，但往往在其他物理教材中被一带而过。更重要的是，书中对物理图像和数学模型的结合处理达到了极高的平衡。举例来说，当讨论朗之万方程时，作者不仅给出了方程本身，还深入分析了为什么在特定的低频极限下，它可以退化为经典的德拜-沃勒模型，并且详细论述了如何通过蒙特卡洛模拟来验证这些理论预测的有效性。这使得这本书的内容超越了纯粹的理论物理范畴，而延伸到了计算物理和实验数据分析的交叉点。对于希望将所学知识应用于解决实际物理问题，无论是理论建模还是数值模拟的读者，这本书提供的视角和方法论都是极其宝贵且可操作的资源。

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这本书的封面设计非常引人注目，那种深邃的蓝色调配上简洁有力的白色字体，立刻给人一种严谨、专业的印象。当我第一次翻开它时，首先注意到的是排版。它的布局简直是一场视觉盛宴，每一页的留白都恰到好处，让人在处理那些复杂的公式和图表时，不会感到丝毫的拥挤和压迫。作者在组织章节结构上展现了高超的技巧，从最基础的概率论和统计力学原理讲起，层层递进，逻辑链条异常清晰。我记得在讲到熵的统计力学解释时，作者没有采用那种枯燥的教科书式叙述，而是穿插了大量精妙的历史背景和思想演变过程，这让原本抽象的概念变得鲜活起来。特别是那些深入浅出的类比，比如将微观态的数量比作整理一个庞大图书馆中书籍的可能方式，一下子就抓住了核心。对于一个初学者来说，这种引导式的教学方法无疑是巨大的福音，它不是简单地给出答案，而是引导你一步步构建起整个物理世界的宏观图景。装帧质量也值得称赞，纸张的触感厚实而又不失韧性，即使用荧光笔做了很多标记，也丝毫没有透墨的困扰，这对于需要反复研读和对照的参考书来说，是极其重要的细节考量。

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我必须得说，这本书的例题和习题部分，简直就是一本独立的精选集，其价值甚至不亚于正文。很多教材的习题往往是蜻蜓点水，只能检验你是否记住了公式，但这里的题目显然经过了深思熟虑，它们的设计目的远不止于此。它们更像是对你思维深度的挑战，许多题目需要你跳出课本上直接定义的框架，去运用多个概念进行综合性的分析和推理。我花了整整一个周末去攻克其中关于玻尔兹曼因子在非理想气体中应用的那个综合题，过程虽然痛苦，但最终解开谜团时的那种智力上的满足感，是任何轻松阅读都无法比拟的。更赞的是，答案部分的处理方式，它不仅给出了最终结果，更重要的是展示了详细的解题思路和关键的数学步骤，很多时候，我发现自己卡住的地方，恰恰是作者认为最关键的那个代数变形步骤。对于那些希望真正掌握统计物理精髓的读者，光是认真完成后面的习题集，就足以让你对热力学第二定律和相变理论有一个脱胎换骨的理解。这本书无疑更偏向于‘做中学’的教学理念，非常适合那些不满足于理论罗列的实干型学习者。

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