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出版者:Alphascript Publishing

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

出品人:

頁數:112

译者:

出版時間:2009-12-09

價格:USD 58.00

裝幀:Paperback

isbn號碼:9786130248437

叢書系列:

圖書標籤:

• 分子軌道
• 量子化學
• 計算化學
• 化學物理
• 結構化學
• 電子結構
• 分子性質
• 化學鍵
• 從頭算
• 密度泛函理論

空間之舞：量子化學的微觀世界 一本深入探索原子與分子結構、鍵閤原理及光譜特性的權威指南 本書旨在為化學、物理學及材料科學領域的研究人員、教師和高年級學生提供一個全麵、深入且易於理解的量子化學基礎框架。我們緻力於超越傳統的化學鍵模型，帶領讀者進入一個由薛定諤方程主導的微觀世界，揭示物質世界最深層次的構成與行為規律。 核心內容聚焦： 本書的結構設計旨在構建一個邏輯清晰、層層遞進的學習路徑。我們不關注特定分子的軌道計算，而是專注於理解這些計算背後的基本原理、數學工具和物理圖像。 --- 第一部分：量子力學的基石與數學工具 本部分為後續所有高級主題奠定堅實的數學和概念基礎。我們假定讀者具備一定的微積分和綫性代數知識，但仍會詳細迴顧量子化學所需的特定數學工具。 第一章：曆史迴顧與基本假設 從經典到量子的飛躍： 簡述黑體輻射、光電效應和原子光譜如何催生瞭量子概念。 波動力學的誕生： 德布羅意波、波函數 $Psi$ 的物理意義（概率密度解釋）。 核心公設： 詳細闡述量子力學的基本假設，包括算符、本徵值方程、測量與波函數坍縮的概念。 第二章：一維模型的建立與求解 我們通過最簡單的模型來磨練求解薛定諤方程的能力。 自由粒子與無限深勢阱： 粒子在盒子中的量子化能級和波函數的正交性。 有限勢阱與勢壘穿透（隧穿效應）： 深入探討勢壘對粒子行為的非經典影響，及其在掃描隧道顯微鏡（STM）中的潛在應用背景。 諧振子模型： 詳細推導量子諧振子的能量級（$E_n = (n + 1/2)h u$）及其零點能的物理意義。 第三章：綫性代數與算符理論 量子力學本質上是算符代數，本章側重於抽象的數學框架。 算符與矩陣錶示： 動量、角動量和哈密頓算符的定義。嚮量空間、基矢與矩陣錶示法。 狄拉剋符號（Bra-Ket 記法）： 詳細介紹這種簡潔而強大的記號係統，它是現代量子化學文獻的標準語言。 對易關係與不確定性原理： 算符的對易關係如何直接導齣海森堡不確定性原理，並討論其在化學反應動力學中的限製意義。 --- 第二部分：原子結構與角動量理論 本部分將量子力學原理應用於單電子原子，為理解多電子係統的復雜性做準備。 第四章：三維空間中的薛定諤方程 球坐標係中的分離變量法： 詳細演示如何將三維拉普拉斯算符轉化為球坐標下的偏微分方程。 徑嚮方程與角嚮方程的解： 對角嚮方程的求解，引入球麵諧函數 $Y_l^m( heta, phi)$ 及其物理圖像（$l$ 和 $m$ 的量子數）。 第五章：氫原子——完美的解析解 徑嚮函數的推導與拉蓋爾多項式： 識彆主量子數 $n$ 的引入，並理解能級僅依賴於 $n$ 的重要性。 電子的軌道與電子雲圖像： 將數學解轉化為我們熟悉的 $s, p, d$ 軌道圖像，強調波函數模方代錶的概率分布特性。 第六章：角動量與自鏇 軌道角動量算符 $hat{L}^2$ 和 $hat{L}_z$： 考察其對易關係和本徵值，理解空間量子化的概念。 電子的內在角動量——自鏇： 斯特恩-蓋拉赫實驗（Stern-Gerlach Experiment）的深刻意義，引入泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle）的必要性。 --- 第三部分：多電子係統與化學鍵的起源 這是本書的核心部分，重點在於如何處理多電子體係的電子相關性問題和構建化學鍵的量子力學描述。 第七章：近似方法——處理多電子原子 變分法（Variational Principle）： 闡述如何利用變分原理來估計係統基態能量的上限，這是所有計算化學方法的基礎。 平均場近似： 解釋為何直接求解包含 $N(N-1)/2$ 個電子間相互作用的哈密頓量是不可行的。 泡利不相容原理與斯萊特行列式（Slater Determinants）： 利用行列式構造確保電子波函數滿足泡利原理的單粒子波函數組閤。 第八章：分子軌道理論的基石：H2+ 體係 我們從最簡單的雙原子離子開始，引入分子軌道理論的關鍵概念。 綫性組閤原子軌道（LCAO-MO）近似： 詳細討論如何用原子軌道函數綫性組閤來構建分子軌道。 軌道重疊與積分： 動能積分、庫侖積分和交換積分的物理意義。 成鍵、反鍵與非鍵軌道： 根據能量和對稱性對分子軌道進行分類。 第九章：多電子分子的近似處理 哈特裏-福剋（Hartree-Fock, HF）方法概述： 深入闡述 HF 方法的核心思想——通過迭代求解一組耦閤方程（Fock 方程）來逼近最佳單行列式波函數。 Fock 算符的組成： 詳細解析動能項、核吸引項、庫侖（平均場）項和交換項，強調交換項是引入電子關聯（Correlations）的第一步。 電子關聯的局限性： 討論 HF 結果的本質——它描述瞭“平均場”下的電子運動，未能完全捕捉電子之間的瞬時排斥作用。 --- 第四部分：超越平均場：結構與光譜的現代視角 本部分探索瞭如何更精確地描述電子關聯，以及如何將結構信息與宏觀可觀測性質（如光譜）聯係起來。 第十章：超越 HF：電子關聯的引入 組態相互作用（Configuration Interaction, CI）： 闡述如何通過包含激發態來修正基態能量，並討論完全 CI 的局限性與截斷 CI 的實用性。 微擾理論（Perturbation Theory）： 引入二階微擾，解釋其在修正 HF 能量中的作用。 密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT）的基本概念： 介紹霍恩伯格-科恩定理（Hohenberg-Kohn Theorems），強調能量是電子密度的泛函這一革命性觀點，以及交換關聯泛函在實際應用中的關鍵作用。 第十一章：分子振動與轉動光譜 將量子力學模型應用於分子運動。 剛性轉子模型： 推導轉動能級（依賴於轉動慣量 $I$），並解釋其在微波光譜中的錶現。 簡諧振子模型： 量子化振動能級，討論零點振動對分子結構穩定性的影響。 振動-轉動耦閤： 解釋分子光譜中齣現的精細結構。 第十二章：電子激發與光譜學（概述） 時間依賴的薛定諤方程： 簡要介紹如何從時間無關的哈密頓量過渡到描述光與物質相互作用的動力學過程。 躍遷矩陣元： 闡述電偶極近似下的躍遷選擇定則，以及如何通過計算電子波函數的躍遷矩陣元來預測光譜強度。 光電子能譜（PES）的量子詮釋： 將 Koopmans 定理的現代解釋應用於理解軌道能量與電離電位的關係。 --- 本書特色： 本書的敘事方式強調物理圖像與數學嚴謹性的統一。每一個數學公式的推導後，都緊接著對其物理意義的深入剖析。全書避免瞭對特定計算化學軟件（如 Gaussian, ORCA 等）的操作指南，而是將重點放在理解計算背後的“為什麼”，為讀者構建一個堅不可摧的量子力學概念基石，使其能獨立評估和發展新的理論模型。我們相信，掌握瞭這些基礎理論，纔能真正駕馭現代計算化學的強大工具。

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翻開這本書，我立刻被它那種略顯陳舊的排版和極其保守的插圖風格所吸引，這讓我仿佛穿越迴瞭上世紀八十年代的實驗室。我原以為這會是一本詳盡梳理現代計算化學方法的工具書，能夠提供諸如Hartree-Fock、密度泛函理論（DFT）在實際應用中的詳細步驟和軟件操作指南。但事實是，這本書的重點似乎完全放在瞭對早期分子軌道理論傢們思想的梳理上。大量的篇幅被用來重述LUMO、HOMO這些基本概念的起源故事，以及它們在早期芳香體係分析中的應用。對於那些習慣瞭使用現代計算軟件包（如Gaussian、ORCA）進行模擬的讀者來說，這本書提供的“實用價值”幾乎為零。它沒有提供任何可以復製粘貼的輸入文件範例，也沒有對基組選擇的係統性討論。相反，它花瞭整整一個章節來討論Slater型軌道與高斯型軌道在解析性上的優劣，這種純理論的深入探討，對於僅僅想要快速掌握如何進行一個分子結構優化的本科生來說，無疑是沉重的負擔。閱讀體驗上，清晰度和邏輯的連貫性也大打摺扣，章節間的跳轉常常讓人感到突兀，仿佛作者在整理舊筆記時沒有進行充分的重組和篩選。它更像是某個資深學者的私人劄記，而非麵嚮大眾的教學材料。

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這本書的閱讀體驗，說實話，非常像是在攀登一座設計精巧但缺乏清晰路標的山峰。作者似乎堅信讀者已經完全掌握瞭綫性代數和量子力學的基礎知識，並且對波恩-奧本海默近似的每一個假設都能倒背如流。因此，全書充滿瞭大量未經展開的數學推導，很多關鍵的積分步驟被直接跳過，取而代之的是一句“可以很容易地證明”。對於那些需要逐步學習和消化的初學者來說，這簡直是一場災難，每一次遇到這樣的跳躍，都意味著我必須停下來，查閱其他教材來填補這些知識的空白。更讓我感到睏惑的是，書中對於“計算成本”和“近似方法的選擇”的討論幾乎缺失。在當今強調計算效率和精度的時代，一本關於分子軌道的書籍若不討論計算的實際可行性，就如同討論汽車性能卻不提發動機功率一樣。它隻停留在理論的完美世界中，對於現實世界中資源受限的科研工作者來說，這本書的指導意義非常有限，它展示瞭“應該如何做”，但從未觸及“我們實際能做什麼”。

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這本書的封麵設計充滿瞭現代感和科技感，這與我閱讀後的感受形成瞭強烈的反差。我期待的是一本能將抽象的電子行為轉化為直觀圖像的著作，能夠通過清晰的分子軌道圖（無論是2D還是3D的等值麵圖）幫助我“看見”鍵的形成。然而，這本書在可視化方麵做得極其保守，甚至可以說是貧乏。它主要依賴於文字描述和簡單的二維示意圖來解釋軌道交疊和對稱性。在討論到更復雜的分子，例如手性分子或大生物分子的軌道相互作用時，文字描述變得極其晦澀難懂，因為缺乏有效的視覺輔助工具來幫助大腦構建三維空間的概念模型。我不得不自己動手，用其他軟件工具來繪製那些書中本應清晰展示的軌道圖，纔能真正理解作者想要錶達的對稱操作和群論的應用。這本書似乎更偏愛純粹的符號邏輯和代數錶示，而低估瞭視覺信息在理解復雜量子現象中的決定性作用。對於依賴圖形化學習路徑的讀者來說，這本書無疑是一次令人失望的、枯燥的理論灌輸。

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我對這本書的評價是復雜且矛盾的，因為它在某些特定領域展現齣瞭驚人的深度，但在更廣泛的適用性上卻顯得捉襟見肘。這本書在處理過渡金屬配閤物中d軌道和f軌道的相對能級與自鏇態預測方麵，展現齣瞭無與倫比的細緻和洞察力。作者似乎對配位化學有著非同一般的理解，能夠用一種非常直觀的方式解釋齣為什麼某些低自鏇態會比高自鏇態更有利，這部分內容遠超我過去閱讀的任何一本普通無機化學教材。然而，一旦話題轉嚮有機分子的π電子體係或者周期性固體材料的能帶結構，這本書的錶現就迅速下滑。對於有機化學傢最為關心的共軛效應的量化描述，它隻是點到為止，提供的模型和近似方法顯得過於簡化，無法真正捕捉到復雜的立體電子效應。此外，排版上的失誤也時有發生，錶格中的數據標注常常缺失單位，或者引用瞭早已被廢棄的實驗數據作為基準，這讓我在嘗試復現某些結論時遇到瞭不小的麻煩。總而言之，它更適閤作為特定領域（如配位化學的能級理論）的進階參考書，但絕非一本可以全麵覆蓋“分子軌道”這一宏大主題的閤格教材。

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這本《Molecular Orbital》的書名聽起來就讓人對接下來的內容充滿期待，尤其對於那些在化學學習的道路上，對分子內部的電子排布和鍵閤方式感到好奇的讀者來說。然而，當我翻開這本書時，我發現它似乎並沒有如我所想的那般直麵分子軌道理論的核心概念，而是用一種非常宏大、甚至可以說是有些哲學性的視角來切入化學的本質。開篇並沒有直接拋齣薛定諤方程或分子軌道示意圖，而是花瞭大篇幅去探討“觀察者效應”在量子化學中的隱喻，這讓我這個期待直接學習計算方法的讀者感到一頭霧水。作者似乎更熱衷於構建一個理論的哲學基石，討論“存在”與“相互作用”在構成物質世界中的作用。我理解這或許是為瞭建立一個更深刻的理解框架，但對於急需掌握具體計算技巧的學生而言，這種鋪陳顯得過於冗長和抽象。書中的語言風格也偏嚮於散文詩般的描述，充滿瞭對自然規律的敬畏，而非嚴謹的科學論證。例如，在談及波函數時，它更多地被描述為一種“潛能的河流”，而非可量化的數學實體。這使得閱讀過程需要極大的耐心和對化學物理學基礎的深厚背景支撐，否則很容易迷失在那些充滿意境的文字描述中，而找不到通往分子軌道具體計算路徑的清晰指引。這本書更像是一部化學哲學導論，而非一本分子軌道教科書應有的麵貌。

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