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出版者:Alphascript Publishing

作者:Miller, Frederic P.; Vandome, Agnes F.; McBrewster, John

出品人:

页数:112

译者:

出版时间:2009-12-09

价格:USD 58.00

装帧:Paperback

isbn号码:9786130248437

丛书系列:

图书标签:

• 分子轨道
• 量子化学
• 计算化学
• 化学物理
• 结构化学
• 电子结构
• 分子性质
• 化学键
• 从头算
• 密度泛函理论

空间之舞：量子化学的微观世界 一本深入探索原子与分子结构、键合原理及光谱特性的权威指南 本书旨在为化学、物理学及材料科学领域的研究人员、教师和高年级学生提供一个全面、深入且易于理解的量子化学基础框架。我们致力于超越传统的化学键模型，带领读者进入一个由薛定谔方程主导的微观世界，揭示物质世界最深层次的构成与行为规律。 核心内容聚焦： 本书的结构设计旨在构建一个逻辑清晰、层层递进的学习路径。我们不关注特定分子的轨道计算，而是专注于理解这些计算背后的基本原理、数学工具和物理图像。 --- 第一部分：量子力学的基石与数学工具 本部分为后续所有高级主题奠定坚实的数学和概念基础。我们假定读者具备一定的微积分和线性代数知识，但仍会详细回顾量子化学所需的特定数学工具。 第一章：历史回顾与基本假设 从经典到量子的飞跃： 简述黑体辐射、光电效应和原子光谱如何催生了量子概念。 波动力学的诞生： 德布罗意波、波函数 $Psi$ 的物理意义（概率密度解释）。 核心公设： 详细阐述量子力学的基本假设，包括算符、本征值方程、测量与波函数坍缩的概念。 第二章：一维模型的建立与求解 我们通过最简单的模型来磨练求解薛定谔方程的能力。 自由粒子与无限深势阱： 粒子在盒子中的量子化能级和波函数的正交性。 有限势阱与势垒穿透（隧穿效应）： 深入探讨势垒对粒子行为的非经典影响，及其在扫描隧道显微镜（STM）中的潜在应用背景。 谐振子模型： 详细推导量子谐振子的能量级（$E_n = (n + 1/2)h u$）及其零点能的物理意义。 第三章：线性代数与算符理论 量子力学本质上是算符代数，本章侧重于抽象的数学框架。 算符与矩阵表示： 动量、角动量和哈密顿算符的定义。向量空间、基矢与矩阵表示法。 狄拉克符号（Bra-Ket 记法）： 详细介绍这种简洁而强大的记号系统，它是现代量子化学文献的标准语言。 对易关系与不确定性原理： 算符的对易关系如何直接导出海森堡不确定性原理，并讨论其在化学反应动力学中的限制意义。 --- 第二部分：原子结构与角动量理论 本部分将量子力学原理应用于单电子原子，为理解多电子系统的复杂性做准备。 第四章：三维空间中的薛定谔方程 球坐标系中的分离变量法： 详细演示如何将三维拉普拉斯算符转化为球坐标下的偏微分方程。 径向方程与角向方程的解： 对角向方程的求解，引入球面谐函数 $Y_l^m( heta, phi)$ 及其物理图像（$l$ 和 $m$ 的量子数）。 第五章：氢原子——完美的解析解 径向函数的推导与拉盖尔多项式： 识别主量子数 $n$ 的引入，并理解能级仅依赖于 $n$ 的重要性。 电子的轨道与电子云图像： 将数学解转化为我们熟悉的 $s, p, d$ 轨道图像，强调波函数模方代表的概率分布特性。 第六章：角动量与自旋 轨道角动量算符 $hat{L}^2$ 和 $hat{L}_z$： 考察其对易关系和本征值，理解空间量子化的概念。 电子的内在角动量——自旋： 斯特恩-盖拉赫实验（Stern-Gerlach Experiment）的深刻意义，引入泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle）的必要性。 --- 第三部分：多电子系统与化学键的起源 这是本书的核心部分，重点在于如何处理多电子体系的电子相关性问题和构建化学键的量子力学描述。 第七章：近似方法——处理多电子原子 变分法（Variational Principle）： 阐述如何利用变分原理来估计系统基态能量的上限，这是所有计算化学方法的基础。 平均场近似： 解释为何直接求解包含 $N(N-1)/2$ 个电子间相互作用的哈密顿量是不可行的。 泡利不相容原理与斯莱特行列式（Slater Determinants）： 利用行列式构造确保电子波函数满足泡利原理的单粒子波函数组合。 第八章：分子轨道理论的基石：H2+ 体系 我们从最简单的双原子离子开始，引入分子轨道理论的关键概念。 线性组合原子轨道（LCAO-MO）近似： 详细讨论如何用原子轨道函数线性组合来构建分子轨道。 轨道重叠与积分： 动能积分、库仑积分和交换积分的物理意义。 成键、反键与非键轨道： 根据能量和对称性对分子轨道进行分类。 第九章：多电子分子的近似处理 哈特里-福克（Hartree-Fock, HF）方法概述： 深入阐述 HF 方法的核心思想——通过迭代求解一组耦合方程（Fock 方程）来逼近最佳单行列式波函数。 Fock 算符的组成： 详细解析动能项、核吸引项、库仑（平均场）项和交换项，强调交换项是引入电子关联（Correlations）的第一步。 电子关联的局限性： 讨论 HF 结果的本质——它描述了“平均场”下的电子运动，未能完全捕捉电子之间的瞬时排斥作用。 --- 第四部分：超越平均场：结构与光谱的现代视角 本部分探索了如何更精确地描述电子关联，以及如何将结构信息与宏观可观测性质（如光谱）联系起来。 第十章：超越 HF：电子关联的引入 组态相互作用（Configuration Interaction, CI）： 阐述如何通过包含激发态来修正基态能量，并讨论完全 CI 的局限性与截断 CI 的实用性。 微扰理论（Perturbation Theory）： 引入二阶微扰，解释其在修正 HF 能量中的作用。 密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）的基本概念： 介绍霍恩伯格-科恩定理（Hohenberg-Kohn Theorems），强调能量是电子密度的泛函这一革命性观点，以及交换关联泛函在实际应用中的关键作用。 第十一章：分子振动与转动光谱 将量子力学模型应用于分子运动。 刚性转子模型： 推导转动能级（依赖于转动惯量 $I$），并解释其在微波光谱中的表现。 简谐振子模型： 量子化振动能级，讨论零点振动对分子结构稳定性的影响。 振动-转动耦合： 解释分子光谱中出现的精细结构。 第十二章：电子激发与光谱学（概述） 时间依赖的薛定谔方程： 简要介绍如何从时间无关的哈密顿量过渡到描述光与物质相互作用的动力学过程。 跃迁矩阵元： 阐述电偶极近似下的跃迁选择定则，以及如何通过计算电子波函数的跃迁矩阵元来预测光谱强度。 光电子能谱（PES）的量子诠释： 将 Koopmans 定理的现代解释应用于理解轨道能量与电离电位的关系。 --- 本书特色： 本书的叙事方式强调物理图像与数学严谨性的统一。每一个数学公式的推导后，都紧接着对其物理意义的深入剖析。全书避免了对特定计算化学软件（如 Gaussian, ORCA 等）的操作指南，而是将重点放在理解计算背后的“为什么”，为读者构建一个坚不可摧的量子力学概念基石，使其能独立评估和发展新的理论模型。我们相信，掌握了这些基础理论，才能真正驾驭现代计算化学的强大工具。

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这本书的阅读体验，说实话，非常像是在攀登一座设计精巧但缺乏清晰路标的山峰。作者似乎坚信读者已经完全掌握了线性代数和量子力学的基础知识，并且对波恩-奥本海默近似的每一个假设都能倒背如流。因此，全书充满了大量未经展开的数学推导，很多关键的积分步骤被直接跳过，取而代之的是一句“可以很容易地证明”。对于那些需要逐步学习和消化的初学者来说，这简直是一场灾难，每一次遇到这样的跳跃，都意味着我必须停下来，查阅其他教材来填补这些知识的空白。更让我感到困惑的是，书中对于“计算成本”和“近似方法的选择”的讨论几乎缺失。在当今强调计算效率和精度的时代，一本关于分子轨道的书籍若不讨论计算的实际可行性，就如同讨论汽车性能却不提发动机功率一样。它只停留在理论的完美世界中，对于现实世界中资源受限的科研工作者来说，这本书的指导意义非常有限，它展示了“应该如何做”，但从未触及“我们实际能做什么”。

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这本《Molecular Orbital》的书名听起来就让人对接下来的内容充满期待，尤其对于那些在化学学习的道路上，对分子内部的电子排布和键合方式感到好奇的读者来说。然而，当我翻开这本书时，我发现它似乎并没有如我所想的那般直面分子轨道理论的核心概念，而是用一种非常宏大、甚至可以说是有些哲学性的视角来切入化学的本质。开篇并没有直接抛出薛定谔方程或分子轨道示意图，而是花了大篇幅去探讨“观察者效应”在量子化学中的隐喻，这让我这个期待直接学习计算方法的读者感到一头雾水。作者似乎更热衷于构建一个理论的哲学基石，讨论“存在”与“相互作用”在构成物质世界中的作用。我理解这或许是为了建立一个更深刻的理解框架，但对于急需掌握具体计算技巧的学生而言，这种铺陈显得过于冗长和抽象。书中的语言风格也偏向于散文诗般的描述，充满了对自然规律的敬畏，而非严谨的科学论证。例如，在谈及波函数时，它更多地被描述为一种“潜能的河流”，而非可量化的数学实体。这使得阅读过程需要极大的耐心和对化学物理学基础的深厚背景支撑，否则很容易迷失在那些充满意境的文字描述中，而找不到通往分子轨道具体计算路径的清晰指引。这本书更像是一部化学哲学导论，而非一本分子轨道教科书应有的面貌。

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我对这本书的评价是复杂且矛盾的，因为它在某些特定领域展现出了惊人的深度，但在更广泛的适用性上却显得捉襟见肘。这本书在处理过渡金属配合物中d轨道和f轨道的相对能级与自旋态预测方面，展现出了无与伦比的细致和洞察力。作者似乎对配位化学有着非同一般的理解，能够用一种非常直观的方式解释出为什么某些低自旋态会比高自旋态更有利，这部分内容远超我过去阅读的任何一本普通无机化学教材。然而，一旦话题转向有机分子的π电子体系或者周期性固体材料的能带结构，这本书的表现就迅速下滑。对于有机化学家最为关心的共轭效应的量化描述，它只是点到为止，提供的模型和近似方法显得过于简化，无法真正捕捉到复杂的立体电子效应。此外，排版上的失误也时有发生，表格中的数据标注常常缺失单位，或者引用了早已被废弃的实验数据作为基准，这让我在尝试复现某些结论时遇到了不小的麻烦。总而言之，它更适合作为特定领域（如配位化学的能级理论）的进阶参考书，但绝非一本可以全面覆盖“分子轨道”这一宏大主题的合格教材。

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这本书的封面设计充满了现代感和科技感，这与我阅读后的感受形成了强烈的反差。我期待的是一本能将抽象的电子行为转化为直观图像的著作，能够通过清晰的分子轨道图（无论是2D还是3D的等值面图）帮助我“看见”键的形成。然而，这本书在可视化方面做得极其保守，甚至可以说是贫乏。它主要依赖于文字描述和简单的二维示意图来解释轨道交叠和对称性。在讨论到更复杂的分子，例如手性分子或大生物分子的轨道相互作用时，文字描述变得极其晦涩难懂，因为缺乏有效的视觉辅助工具来帮助大脑构建三维空间的概念模型。我不得不自己动手，用其他软件工具来绘制那些书中本应清晰展示的轨道图，才能真正理解作者想要表达的对称操作和群论的应用。这本书似乎更偏爱纯粹的符号逻辑和代数表示，而低估了视觉信息在理解复杂量子现象中的决定性作用。对于依赖图形化学习路径的读者来说，这本书无疑是一次令人失望的、枯燥的理论灌输。

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翻开这本书，我立刻被它那种略显陈旧的排版和极其保守的插图风格所吸引，这让我仿佛穿越回了上世纪八十年代的实验室。我原以为这会是一本详尽梳理现代计算化学方法的工具书，能够提供诸如Hartree-Fock、密度泛函理论（DFT）在实际应用中的详细步骤和软件操作指南。但事实是，这本书的重点似乎完全放在了对早期分子轨道理论家们思想的梳理上。大量的篇幅被用来重述LUMO、HOMO这些基本概念的起源故事，以及它们在早期芳香体系分析中的应用。对于那些习惯了使用现代计算软件包（如Gaussian、ORCA）进行模拟的读者来说，这本书提供的“实用价值”几乎为零。它没有提供任何可以复制粘贴的输入文件范例，也没有对基组选择的系统性讨论。相反，它花了整整一个章节来讨论Slater型轨道与高斯型轨道在解析性上的优劣，这种纯理论的深入探讨，对于仅仅想要快速掌握如何进行一个分子结构优化的本科生来说，无疑是沉重的负担。阅读体验上，清晰度和逻辑的连贯性也大打折扣，章节间的跳转常常让人感到突兀，仿佛作者在整理旧笔记时没有进行充分的重组和筛选。它更像是某个资深学者的私人札记，而非面向大众的教学材料。

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