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出版者:Teubner B.G. GmbH

作者:Roland Winter

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2008-01-01

价格:0

装帧:Perfect Paperback

isbn号码:9783835102538

丛书系列:

图书标签:

• 物理化学
• 化学物理
• 基础知识
• 大学教材
• 化学
• 物理
• 热力学
• 量子化学
• 统计热力学
• 平衡

深入探索量子化学与材料科学的边界：一本面向前沿研究的专著 书名： 高级量子化学与凝聚态物理：从第一性原理到复杂系统模拟 作者： [虚构的权威学者名称，例如：Prof. Dr. Elias Richter & Dr. Lena Schmidt] 出版社： [虚构的知名学术出版社，例如：Quantum Press University] --- 内容简介 《高级量子化学与凝聚态物理：从第一性原理到复杂系统模拟》 是一本旨在弥合理论化学、计算物理学与材料科学之间鸿沟的深度专著。本书并非对基础原理的重复介绍，而是将焦点完全锁定在当代计算化学和凝聚态物理学领域最尖端、最具挑战性的方法论和应用上。它面向具备坚实化学或物理学背景的研究生、博士后研究人员以及希望将先进计算工具应用于复杂材料体系的资深学者。 全书的结构设计旨在引导读者从最严格的理论基础出发，逐步构建起处理现实世界复杂多体问题的计算框架，尤其侧重于那些在传统教科书中难以深入探讨的计算瓶颈和创新解决方案。 --- 第一部分：超越 Hartree-Fock 与密度泛函理论的局限（Advanced Correlated Methods） 本部分深入剖析了超出标准 Kohn-Sham 密度泛函理论（DFT）精度限制的计算方法，重点关注电子相关作用的精确描述。 第一章：高精度波函数方法的新范式 (The New Paradigm of High-Accuracy Wave Function Methods) 耦合簇（Coupled Cluster, CC）理论的扩展： 详细讨论了高阶 CC 方法（CCSD(T), CCSDT, CCSDTQ）在精确能量预测中的应用，并着重分析了对大型体系进行可扩展性的改进（如引入缺失的相对论校正）。 多参考态方法（Multireference Methods）的现代应用： 探讨了 CASSCF、CASPT2 和 MRCI 在处理重叠电子组态、激发态以及过渡金属配合物中电子离域化问题时的具体实施细节、收敛性挑战与数值稳定性。 方程组无关的簇方法（Equation-of-Motion Coupled Cluster, EOM-CC）的谱计算： 专注于 EOM-CC 如何精确预测分子和周期性固体中的单激发、双激发和电离能，并比较其与 $Delta$SCF 方法的优劣。 第二章：密度泛函的再定义：超越 LDA/GGA/meta-GGA (Functional Engineering Beyond Standard Approximations) 混合泛函与双重参考理论： 深入解析 HSE06、$omega$B97X-D 等混合泛函的构建原理，以及它们如何解决自相互作用误差（Self-Interaction Error, SIE）。 长程相关与激发态描述： 专门论述了长程修正（如 $ ext{TDDFT}+ ext{RPA}$ 或 $ ext{TDDFT}+ ext{CC}$ 混合方案）在处理范德华力（van der Waals forces, vdW）和charge transfer 激发中的必要性与实现路径。 非局部密度泛函的概率论基础： 从统计力学角度审视非局域性引入的意义，探讨如何构建对系统局域电子密度变化更敏感的泛函。 --- 第二部分：从原子到宏观：多尺度与多物理场模拟（Multiscale and Multiphysics Modeling） 本部分关注如何将精确的量子力学计算结果桥接到介观甚至宏观尺度的材料设计中，解决复杂界面和动态过程的模拟难题。 第三章：量子动力学与非绝热过程 (Quantum Dynamics and Non-Adiabatic Processes) 时间依赖性密度泛函理论（TDDFT）的极限： 讨论了在处理强场电磁辐射响应和超快电子转移过程时，标准 TDDFT 遇到的色散关系和激发态动力学失真问题。 路径积分分子动力学（PIMD）与量子效应的引入： 详细阐述了如何将零点能、隧穿效应等纯量子效应融入到经典分子动力学框架中，特别是在处理氢键网络和低维催化剂中的质子迁移。 电子-振动耦合（Electron-Phonon Coupling）的精确计算： 关注如何利用线性响应理论计算电子态与晶格振动模式的耦合强度，这对半导体载流子散射和超导电性预测至关重要。 第四章：复杂界面与混合系统的模拟技术 (Simulating Complex Interfaces and Hybrid Systems) 表面与异质结的精确建模： 探讨了在模拟具有周期性失配和应力场的半导体异质结时，如何选择合适的晶胞大小和表面终止方式，以避免人为的界面能引入。 分子-固体相互作用（Molecule-Solid Interactions）： 重点分析了在吸附和催化反应中，如何准确描述 $pi$ 轨道与金属表面的成键，并利用 $ ext{QM}/ ext{MM}$ 方法处理活性位点与惰性基底的耦合。 缺陷工程与非化学计量学： 介绍使用超晶胞方法计算晶体缺陷（空位、间隙原子、位错）的形成能、迁移势垒以及它们对材料电学性质的深远影响。 --- 第三部分：新兴计算领域与高性能实现（Emerging Fields and High-Performance Implementation） 本部分聚焦于计算成本高昂但潜力巨大的前沿领域，并讨论了实现大规模计算所需的现代硬件架构优化。 第五章：处理强关联电子体系的新兴方法 (Novel Approaches for Strongly Correlated Electron Systems) 动态平均场理论（DMFT）的集成： 详细讲解了如何将 DMFT 植入到 DFT 框架中（DFT+DMFT），以解决过渡金属氧化物和稀土化合物中莫特绝缘体相变问题。 张量网络态（Tensor Network States, TNS）在低维系统中的应用： 介绍矩阵乘积态（MPS）和投影纠缠对态（PEPS）如何突破传统计算方法在处理一维/二维强关联体系中的指数级复杂度。 量子蒙特卡洛方法的基态限制与解决方案： 讨论费米子符号问题（Fermion Sign Problem）在量子蒙特卡洛模拟中的核心挑战，以及如何通过特殊采样技术（如替代哈密顿量）来缓解这一问题。 第六章：面向大规模计算的软件工程与硬件优化 (Software Engineering and Hardware Acceleration) 大规模并行化策略： 深入分析了密度矩阵重构、 Fock 矩阵构建在数万甚至数十万 CPU 核上的并行化瓶颈，以及如何有效利用 MPI 和 OpenMP 进行混合并行。 图形处理器（GPU）加速的量子化学： 详细讨论了关键的、计算成本最高的步骤（如积分、迭代求解器和耦合簇的乘法）如何被重构以适应 GPU 的高吞吐量架构。 量子计算的初步展望： 对 VQE（Variational Quantum Eigensolver）和 QPE（Quantum Phase Estimation）算法在化学能计算中的潜力与当前硬件（NISQ 时代）的局限性进行了批判性评估。 --- 目标读者群 本书的受众需要熟悉量子力学的基本数学框架（如线性代数、群论基础）以及密度泛函理论的初步概念。它为希望进入计算材料科学、理论催化、或复杂电子结构研究领域的高级研究人员提供了一个直接、深入、且完全聚焦于前沿方法论的参考指南。本书强调“如何解决”而非“是什么”，致力于传授解决当代计算难题所需的算法思维和实践经验。

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这本书的装帧设计真是令人眼前一亮，厚实的封面带着一种沉稳的书卷气，纸张的质感也相当不错，摸上去光滑而不失韧性。我特别喜欢那种略微泛黄的内页，阅读起来对眼睛非常友好，长时间沉浸在知识的海洋里也不会感到疲惫。排版上采用了经典的左右对开布局，内容区域的留白恰到好处，让人感觉阅读过程非常舒展。字体选择上，正文采用了清晰易读的衬线体，而关键的公式和术语则使用了加粗的无衬线字体，这种区分度极大地提高了信息获取的效率。我注意到作者在某些复杂的理论推导旁，会用非常小的字体标注一些历史背景或者实验细节，这无疑是对那些希望深入了解学科来龙去脉的读者的一种贴心照顾。全书的插图，无论是能谱图还是相图，都以高质量的彩印呈现，色彩还原度极高，那些微妙的峰形变化和区域边界划分得一清二楚，这对于理解抽象的物理化学概念至关重要。总而言之，这本书在物理层面上提供的阅读体验，已经超越了一本教科书的范畴，更像是一件精心制作的工艺品，光是翻阅和触摸，就足以让人心生敬意和学习的欲望。

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我特别欣赏这本书在实验方法学和数据处理方面的详尽介绍，这部分内容在许多纯理论教材中往往被一笔带过，但对于实际科研工作者来说，这才是“实战”的关键。它对各种现代光谱技术，如高分辨核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR），不仅仅是描述其基本原理，更深入到了信号采集、数据反演和误差分析的层面。例如，在处理弛豫时间数据时，书中清晰地对比了不同拟合模型（如单指数、双指数衰减）的适用范围和物理含义，并给出了如何通过残差图来判断模型有效性的具体指导。此外，书中还专门辟出章节讨论了热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）的动力学参数提取，包括使用Kissinger方法和Ozawa-Flynn-Wall方法进行活化能计算的详细步骤和注意事项。这种手把手的指导，极大地缩短了理论知识到实际操作之间的距离，让读者可以带着书本上的知识直接走进实验室，进行有章可循的实验设计和数据解读。

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坦白说，初次翻开这本书时，我曾因为其中涉及的数学工具的深度而感到一丝畏惧。这本书毫不避讳地使用了大量的偏微分方程、矩阵代数乃至泛函分析的基本概念来阐述某些核心原理。例如，在讨论分子光谱时，作者并没有回避使用算符和本征值方程来描述能级跃迁的概率，这要求读者必须具备扎实的数学基础。然而，一旦你适应了这种严谨的逻辑链条，你会发现这种数学的严密性恰恰是物理化学魅力的核心所在——它将世界运行的规律，用最精确的语言刻画了出来。作者在这方面做得非常出色的是，他懂得何时需要“放慢速度”。在引入一个新的、复杂的数学工具时，通常会有一个简短的附录或者侧边栏，用最通俗的语言解释该工具在当前语境下的物理意义，而不是简单地抛出公式。这种“刚柔并济”的处理方式，使得这本书既能满足资深研究者的需求，也能引导有决心的初学者跨越数学的门槛，真正掌握物理化学的精髓。

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我对这本著作的深度和广度感到由衷的敬佩，它绝非市面上那些浮于表面的入门读物可比。它在热力学部分的论述极其严谨，从最基础的熵和能量的统计学意义出发，层层递进地构建起宏观热力学框架，中间穿插了大量的微观模型解释，比如对玻尔兹曼分布的细致推导，简直是教科书级别的典范。更难得的是，它没有止步于理论的罗列，而是将重点放在了“为什么”和“如何应用”上。举例来说，在讨论化学平衡时，作者不仅给出了吉布斯自由能的判据，还详尽分析了高压和高温对平衡常数影响的定量关系，并配有多个实际工业过程的案例分析，这让原本枯燥的数学推导瞬间活了起来。对于量子化学部分，它以一种非常巧妙的方式平衡了数学的复杂性和物理图像的清晰度，许多复杂的薛定谔方程在作者的引导下，变得可以被“看见”和“理解”，而不是仅仅停留在公式的层面。这种教学上的高超技巧，体现了作者深厚的学术功底和多年教学经验的结晶。

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这本书的语言风格非常独特，它不像某些学术著作那样冷峻刻板，反而带着一种知识分子特有的、略带诙谐的洞察力。作者在讲解一些拗口的定义时，常常会穿插一些生动形象的比喻，比如用排队买票的比喻来解释配分函数的概念，瞬间将抽象的统计物理概念具象化了。这种叙述方式极大地降低了初学者的心理门槛，让人在轻松的阅读氛围中吸收复杂的信息。而且，作者在文本中展现出一种对科学史的深刻理解，他不仅仅是陈述事实，更是在讲述一个科学发现的“故事”。他会花篇幅去描述像吉布斯和开尔文这样的大师们在探索某些原理时的思维挣扎和灵光乍现的瞬间，这使得学习过程充满了人文关怀和探索的乐趣。阅读这本书，感觉就像是获得了一位知识渊博、耐心且风趣的导师的私人指导，而不是面对一本冰冷的参考书。这种对读者体验的关注，无疑是这本书最宝贵的财富之一。

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