相关能 是 由于 " 一 7& F 一 "* 方法 中采用单电子 轨道形 式 波函数和 把每个 电 子指定在一个特定的空间分布中所引起 的。 相关能与化学反 应 能量 变化有相同 的数量级 ,
量子化学的研究现状、发展趋势与展望.
PDF]量子化学的研究现状、 发展趋势与展望' - 厦门大学学术典藏库
dspace.xmu.edu.cn/.../量子化学的研究现状、发展趋势与...
轉為繁體網頁
轉為繁體網頁
[PDF]量子地球化学的研究进展和发展展望 - 地球科学进展
www.adearth.ac.cn/fileup/PDF/龚荣洲.pdf
轉為繁體網頁
量子地球化学的研究进展和发展展望. 龚荣洲岑况 ... 现在正处于量子化学第三代的开端, 当理论上可以达到实验. 的精度时 ..... 量子化学的研究现状、发展趋势与展望.轉為繁體網頁
量子化学的研究现状 、
发展趋势与展望 ‘ 徐
厦门 大学化学 系
听 王 南钦 吕 鑫 张乾二 固 体表 面 物理 化学 国 家重 点实验 室 厦门
摘 要 本 文通过 对最近 三 届 量 子 化学 国 际 研 讨 会和 全国 量 子 化 学第 届 学 术讨论 会会 议 内容 的对 比 , 评 述 了 当前 国 际 、 国 内 的量 子 化 学研 究现 状与 发 展趋 势, 并粗 浅 地 探讨 了我 国量子 化 学的 发展 战略。 关键词 量子 化 学 综述
! " "# " , $ !! % ! & "! ’ (# "# ) * ) !" +
, # , -人之 $ % , . , , / # , 0* $ ( " " 1 + / " + ’* +! * ) ! " + % # ’ ! , 2 3 ") " ’ * ) ! + , , ) - 4 !"+ , , )
5 !" " 5 ’" ) 3 ! "6 "* " "! ’ "* 7’"* " $ !! "* ( # "# ) * ) ! " + % "* ! ’ "* ! " "* ( # "# ) * ) ! "+ +) ! , 6 " 8 " "、 , + % ! # ! ! "* 3 ! " !# " , 3 $ ! ! % 3 !3 " ! ’ 9 # "# ) * ) !" + 1 + 6 % ! 9 # "# ) * ) ! " + : 4 6
一 、 引 言 量 子 化学 是应用量子 力学 基本原 理和方法讨 论 化学 问题 的化学分支学科 。 所谓的化学 问题 从静态看主要是 结构 与性 能关 系的探讨 : 从动态看 主要 涉及分子 间的相互 作用、 相互碰 撞与相互 反应 等。 目前 , 化学及其 相邻 学科 正朝 着 推理 化、 定 量化 、 微 观 化的方 向发展 。 量 子化学方法 直接讨论分 子 的结构与性 质之 间的关 系, 这 使它 成为许多涉及研 究分子层 次的 其它学 科的基础 。 量子 化学 向这些 学 科的渗透 , 形 成一些 边缘或交叉 的新学科 , 促进 了量子 化学 及相关学 科的共同发 展 。 今天 , 化学 键理 论不 仅是 无机化学 的理论 基础, 而且 在阐 明有 机 化学 的结构和 反应活性等方 面发挥 了重 大的作用。 量子化学 的概念 和计算方法 在化学动 力 学 、 催 化、 电 化、 生物 、 药 物等方面 的重 要 应 用, 产 生 了一 个 个崭新的学 科分支—微 观反 应 动力学 、 量子催 化、 量子 电化 、 量子 生物 和量 子药物 等, 而 量子 化学与谱学的结合进行结构 分析, 更是 现代 化学 实验 技术必 不 可少的重 要方 面 。 量子 化学与生命科学 、 材料科学 的交叉
收稿 ; 年 月 , 收修 改稿 ; 年 月
二 国 家 自然科学 基金 资助
第 期 徐 听等 量子 化学 的研 究现 状 、 发 展 趋势 与展 望
与结合必 将有力地推动分子生 物学 、 新材料的“ 分子 设计 ” 在量 子 化学理 论的指导下 向纵深 发展 , 体现出量子化学 巨大的实用价值 。 展望未来可 以预期 , 量子 化学 的运用会解决更多的 实际 问题 。 国际 上, 理 论化学 已 发展成 为二级学 科 川 , 而 量子 化学 则是理 论 化学 的 核 心 。 量子 化 学就其内容可分为基础理论 、 计算方法 和 应 用三大部分 。 三 者之 间 相辅相成 。 其中计算方 法 是基础理论 与实际应 用之 间的桥梁 : 基础理论 只有通过 应 用才能 获得生 命力, 验证其正确 性 : 而在 具体应用 中又 将碰 到新 问题 , 产生 新 思想 , 提 出新 理论 。 本 文 将通 过对 最近三 届量 子化学 国际研讨会和全 国量子化学 第 届学术讨论 会会议 内容的对 比, 就量 子化学 的三大部分来说 明量子 化学 现状 与发展趋 势, 探讨量子 化学应 优先发展的前沿问题 。
二 、 国际上量子化学的研究现状与发展趋势 会议是 量子 化学大师 / 6 % 教授主 持下 的年会, 讨论 内容基本分原子 、 分子和凝 聚态物 质理论 , 计算方 法, 量 子生 物与量 子药物三大类 。 其中量子 生物与量子药物 类单独成册 。 年第 届 ! 会议 的主题 是【 “〕 ; 分子 光谱中的有序和混 沌 : . 分子 间相互 作用力 : 电子 结构方 法 与应 用 : < 量 子 分子动 力 学 : 密 度 函数 理论 与应 用: 现代价 键理论 : = 大体系 的电子相 关 : 传播子方 法 : 分子 光谱理论 : 散 射 : 反 应势能 面。 量子生物及量子 药物 年 ! 会议 的 主题是> ? ; 分子设 计 : . 蛋 白质 、 核酸的 结 构 与活性 : 生物分子 动力学 。 年第 届 ! 会 议的主题 是 >‘丁 ; 缺 电子分子 : . 与时间有关的理论 方法 : 强 场下 的分子 : < 电子结构理论方 法 : 大体系 的现 代处 理 方法 : 电荷转 移 : = 溶剂 效应 : 大体系 的电子相关 。 量 子生 物学 和量子 药物 研讨 主题 是〔’? ; 生物 分子 的结构与 活性 : . 量子 理论 在生物分子 中的应 用 : 光 合体系的研 究 : < 电荷转移 。 . 年第 . 届 ! 会议的 主题 是 >? ; 年来 电子结 构理论 的进展 : . 密度矩 阵 及 年 的其 它发现 : 非 氏 一 3 3 * ) ; 方法 : < 天体原 子 与天 体分子 : 光致现 象 : 分子碰 撞反 应 : = 量 子 " : 密度泛 函理论 : 薄膜与表面。 量 子生物与 量子药物研讨主题【 = ; 特大体系的模拟 : . 分子 力学 方法 : 生 物 中的金 属 : < 2 5 的 结构 : 结构和 动力学。 从三届 会议的主题可 以看 到 ; 量子 化 学被 应 用到 研 究物 质 的各层 次结构凝聚 态 、 生物大分子 、 分子 、 原子 、 原子 核和基 本粒子 等和 它 们的相互 作用 强相互 作用 、 弱相互 作用 、 电磁 作用 等, 这一 方面 深 化了人 们对 自然 界 的认识 , 促进 了 自然科学 的发展, 而 同时 使 量子 化学理 论 本身也 得到 了丰富和 发展 。 当前国 际上关心的量 子 化学“ 基础理 论” 问题 主 要包括 ; 对 称性理 论 : 多体理论 : 散射理 论 : 路径 积分与 传播子理论 等等。 / 对称性理论 > 一 ? 对 于对称性的研 究可 以给出寻 找运 动规律的某些 线索 , 限 定运动方程解的形式并将解 进行分类 , 简化计算 。 对称性的研究是量子化学 基础理论不 可缺少的部分 , 而核心问题就是 群论 在化学 中的应 用。 目前 , 人 们对于 时空对 称性与守恒量之 间 的关 系 已有 比较深刻的了解 。 例如 , 空 间平移
化 学 进 展 第 卷
对称性对 应着 动量守恒 : 空 间转动不变性对应 着角 动量守 恒 : 空间反射对称性对 应着宇称守 恒 : 时间平 移对称性对应着能量守 恒。 然而对于 内部对称性与守恒量之 间的关系则远 未清 楚 。 例如 , 一个化学工作者关心 的基本问题是 ; 如果 一个分子具有 & 。 轴对称性 , 那 么有无守 恒量 与之对 应 呢@ 此 外, 如何利用 对称性理 论 有效地 构造波函数 、 选择组态 、 解释光谱现象 、 简化矩 阵元的计算等 , 均是 化学工 作者感兴趣的问题 。 . 多体理论> ‘ < 一 “ ? 多体理 论是量子化学 的核心问题 。 个 粒子构 成 的量子体系 的性质, 原则 上 由位形空 间中的 体波 函数 伞: , ; . , ⋯ , ; , : " 描 述 。 然而 直接求解 粒子体系 的 !&* 闭$ ; 方 程是不现 实的 , 因此 人们建立 了各种近 似方 法 。 当 前重要 的多体理论有 ; 化学 键理 论 包括 价键理论 、 分子轨道理论和配位场理论 等: 密度矩 阵理论和 密度泛 函理论 : 二次量子化方法 等 。 其中化学键理论 的价键理论 因其清晰的化学 键 图象 , 一开 始就 占据了化学 键理论的主 导地位 , 是定性讨论化学 问题 强 有力的工具 , 被人 们普遍接 受。 但 由于定量计算上遇到 困 难 , 多年来停滞不前。 近 年来由于 图论 、 群论方法的应 用, 又 为价键法 带来生机 , 成为人们关 心 的焦点 >‘ 一 “‘? 。 由于通 常的力学量算符 只是 单粒子 和双 粒子算符 , 因此 人们可 以避开 波函 数, 求解体系 的一 阶和二 阶约化 密度矩 阵, 再用变分法 求解 诸力学量 的平均 值 。 这就是所谓的密 度矩 阵 与密度泛 函理 论 >““一 “ < 〕 。 然而 , 人们虽 然 不难建立 起一 阶和 二 阶约 化 密度矩 阵所满足的方 程, 但是其边 界条件不易确 定。 因此 , 边 界条 件问题 , 即所 谓 的 表示 问题 , 就成为当前密 度矩 阵理 论研究 中的一个重 要 问题 。 事实上, 由于微观 粒子具有波动性 , 同类粒子是不可分辨的。 这性质使我们可以发展一 套处理多粒子体系的有效方法—二次量 子化方法 。 在相对论理论 中, 由于 粒子可 以产生 和 消灭 , 体系包 含的粒子数是 可变的, 二次量子 化方法 过渡到 量 子场论 , 是描述量子体系的 基本方法 。 在非相对论理 论中, 它也是处理 多粒子问题的必要工具 , 大大地简化了多粒子 问 题的讨论 , 使 我 们可 以实 际 地 研 究多 粒子 体系 的 性质 。 函 数含 有最 重 要 的物理 信 息〔 “ , ““〕 , 例如基 态 能量 和其 它的热力学 函数 、 激发 态能量 和 寿命 以及 对 外界 微扰的线性响 应等, 因而 , 在实 际处理多粒子体 问题 时起重要作用 。 散射理论 >.= 一 川 散射问题就是量子碰撞 问题 。 如果粒子碰撞前后 的内部状态不变则 称为弹性散射 , 反 之 为非弹性散射 。 散射现象的研究可 以分为两 部 分 ; 一是 运动学 部分, 即在 相互作用前 、 后 的粒子 : 二是动力学 部分 , 即处于 相互作用 中的粒 子。 散射理 论是量 子动力学 的基 本理论 。 实验上 有兴 趣的是 从散射前" A 一 & 的定态 BC 到散射后 " A D & 的定态 B’C 的跃迁几 率 。 所 以 , 散射问题 用从 " 二 一 & 到 " A D & 的时间演变算符 A - 十 & , 一 & 来描 述, 构 成 了所谓的 。 矩 阵理论 。 。 矩阵给出跃迁几率 、 衰变几率和 散射截面, 甚 至 也能给出 束缚 态。 !8 矩阵理 论是散射理 论 的核 心 。 < 路径积分与传播子理论 >犯 一 “〕 在量 子力学 的建立和 发展 的历 史过 程 中, & *的% $ ; 从微观粒 子的波粒 二 象性 出 发 , 应 用 ) " 的理论 , 把 % E $ * 的 自由粒子运动波动方程 推广到 有势场作用的情形 。 这种外推法建立 的 !& *耐$ 方程逻 辑上 不是 内在统一 的, 和 经典物理的物理 原理和 物理 量的关系也只是形 式上 的对应。 为了改进量子力学 的理论 结构 , 在 年代 7 + ) 首先
第 期 徐 听等 量子化学的研究 现状 、 发 展 趋势与展 望
提 出重 新 用路径积分来表述量子 力学 , 从而建 立 了传播子 理论 。 和 !&* %$ ; 的波动力学 相比 , 该理论的逻 辑结构更 为严密 , 同 时能更明显 地 表示 量子力学 与经 典力学 的密切联系, 便于研究经 典拉氏量 的对称性对 量子力学 的 影响 。 路径积分与传播子 理论 在量子力学 中的 应用很 值得 探讨 。 从计算量子 化学 的角度看 , 量子化学 发展 可分为三个 时代 。 在 先于 计算机的第一 时代 期间, 已经看到 实验和 半经验 计算之 间的定性符合 。 计算机使量 子化学踏上了第二 时代, 从 头计算的结果可 以 与实验半定量 的符合 。 现 在正 处于 量 子 化学 第三时代的开 端 , 当我 们理 论上 可以 达到实验的精度时, 计算和实验就成为科研 中不可偏废 、 互为补 充的重要手段 。 为 了提高计算精度 , 处理实际体系, 当前国际上 关心 的量 子 化学 “ 计算方法 ” 问题主要 包括 ; 相 关能 的计算 : 相对论量子 化学 方法 : 新的数学方法 的引进等等。
No comments:
Post a Comment