快手红人范海动照片:量子化学简介

量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法，研究化学问题的一门基础科学。
1927年海特勒和伦敦用量子力学基本原理讨论氢分子结构问题，说明了两个氢原子能够结合成一个稳定的氢分子的原因，并且利用相当近似的计算方法，算出其结合能。由此，使人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题，从而逐渐形成了量子化学这一分支学科。
量子化学的发展历史可分两个阶段：第一个阶段是1927年到20世纪50年代末，为创建时期。其主要标志是三种化学键理论的建立和发展，分子间相互作用的量子化学研究。在三种化学键理论中，价键理论是由鲍林在海特勒和伦敦的氢分子结构工作的基础上发展而成，其图象与经典原子价理论接近，为化学家所普遍接受。
分子轨道理论是在1928年由马利肯等首先提出，1931年休克尔提出的简单分子轨道理论，对早期处理共轭分子体系起重要作用。分子轨道理论计算较简便，又得到光电子能谱实验的支持，使它在化学键理论中占主导地位。
配位场理论由贝特等在1929年提出，最先用于讨论过渡金属离子在晶体场中的能级分裂，后来又与分子轨道理论结合，发展成为现代的配位场理论。
第二个阶段是20世纪60年代以后。主要标志是量子化学计算方法的研究，其中严格计算的从头算方法、半经验计算的全略微分重叠和间略微分重叠等方法的出现，扩大了量子化学的应用范围，提高了计算精度。
1928～1930年，许莱拉斯计算氦原子，1933年詹姆斯和库利奇计算氢分子，得到了接近实验值的结果。70年代又对它们进行更精确的计算，得到了与实验值几乎完全相同的结果。计算量子化学的发展，使定量的计算扩大到原子数较多的分子，并加速了量子化学向其他学科的渗透。
量子化学的研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能，及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。
量子化学可分基础研究和应用研究两大类，基础研究主要是寻求量子化学中的自身规律，建立量子化学的多体方法和计算方法等，多体方法包括化学键理论、密度矩阵理论和传播子理论，以及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的应用等。应用研究是利用量子化学方法处理化学问题，用量子化学的结果解释化学现象。
量子化学的研究结果在其他化学分支学科的直接应用，导致了量子化学对这些学科的渗透，并建立了一些边缘学科，主要有量子有机化学、量子无机化学、量子生物和药物化学、表面吸附和催化中的量子理论、分子间相互作用的量子化学理论和分子反应动力学的量子理论等。
三种化学键理论建立较早，至今仍在不断发展、丰富和提高，它与结构化学和合成化学的发展紧密相联、互相促进。合成化学的研究提供了新型化合物的类型，丰富了化学键理论的内容；同时，化学键理论也指导和预言一些可能的新化合物的合成；结构化学的测定则是理论和实验联系的桥梁。
其它化学许多分支学科也已使用量子化学的概念、方法和结论。例如分子轨道的概念已得到普遍应用。绝对反应速率理论和分子轨道对称守恒原理，都是量子化学应用到化学反应动力学所取得的成就。
今后，量子化学在其他化学分支学科的研究方面将发挥更大的作用，如催化与表面化学、原子簇化学、分子动态学、生物与药物大分子化学等方面。

量子化学的主要研究对象是分子及原子。分子的尺寸约为千万分之一(10-8)厘米，实践证明，在这样小的微观世界中，各种粒子(电子和原子核)的运动不能用普通的牛顿定律来阐明，而只能用反映微观客体运动规律的量子力学来描写。用量子力学的原理研究分子的微观结构所形成的学科，叫做量子化学。

量子化学主要研究分子中的化学键问题。它从薛定谔方程式出发研究分子结构。薛定谔方程式是反映微观客体运动方程式，于1927年开始用来研究最简单的分子——氢分子。弄清了两个氢原子所以能结合成一个稳定的氢分子，是由于分子中电子运动的范围主要集中在两个原子核之间，形成了一个“电子价”，把两个氢原子核拉到一起而稳定下来。或者说，电子云的分布集中在原子核之间形成了化学键。电子云形状可以用薛定谔方程的解——波函数来描写，波函数是一种数学函数，通过它可以知道分子中电子运动的统计规律。

从理论上定量计算破坏氢分子的化学键价所需要的能量是108.8千卡/摩尔，稳定氢分子中的两个原子核之间的距离是0.74埃，这与实验值几乎完全一致，由此说明量子化学理论的正确性。

在研究氢分子取得成功的基础上，进一步考虑多原子分子的特点，于20世纪30年代建立了两种化学键理论，一个是价键理论，另一个是分子轨道理论。由于分子轨道理论在本质上比价键理论更好地反映客观事实，因此得到迅速发展。

研究多原子分子意味着分子中原子数的增加，这引起了各种理论研究都遇到了定量计算的困难。例如，对最简单的双原子分子——氢分子的定量计算，用当时的台式计算机需要一年的时间才能完成。为了克服这种困难，从20世纪30～50年代，主要研究方面是借助于半经验方法来总结和探讨分子中的化学键本质。半经验方法就是不作定量计算，而是在化学键理论中引入分子参量，再从实验数据定出这些参量数值。从半经验的化学键理论总结出不少类型的化学键模型，用来解释和阐明金属材料、半导体材料、晶体材料等结构和性能间的关系。

20世纪50年代以后，量子化学近似计算法不断改进，目前已发展到半定量和定量水平。用快速电子计算机能够计算原子数高达几十个的分子，只需几分钟就能完成。利用这一成果在探索新的导电材料，弄清它们具有很高的导电性方面，取得了研究成果。

1965年，量子化学出现了分子轨道对称守恒原理，这是量子化学的重大进展，使量子化学进入研究化学反应的新阶段。

利用分子轨道对称性，对许多协同反应的机理和空间异构体进行了科学分析和总结，在长期积累的许多有机化学反应的事实基础上，提出了分子轨道对称性守恒原理。它在解释和预示一系列化学反应方向时，是一个很有威力的工具，尤其是对立体定向反应具有指导作用。

人工合成维生素B12的研究工作就是利用分子轨道对称性守恒原理价指导获得成功的。维生素B12是一个结构十分复杂的分子，用人工合成时要求每一步反应都指向指定的立体结构，否则所得的产物就不会与天然的维生素B12相同。因此，这项研究工作说明了理论，特别是量子化学理论对于人工合成有机化学具有重要的指导意义。

量子化学发展取得的成绩与重视以下几方面的研究是分不开的：

(1)量子化学在分析和解释大量分子光谱实验数据上取得可喜成果，因此应该重视测试分子结构的仪器的不断改进和新的测试仪器的研制。

(2)随着计算机技术的发展和量子化学中近似计算方法的不断完善，许多原来很难实现的计算工作得以实现并取得了较可靠的定量结果。因此加快电子计算机的应用，力争使量子化学进入“计算量子化学”的新阶段。

(3)量子化学研究应以辩证唯物主义为指导，以大量科学实践为基础，进行“去粗取精，去伪存真，由表及里”的改造，使研究工作真正起到理论指导实际的作用。