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2023-11-28
《量子化学》教材编写：思考与体会
【摘要】：已有编写的《量子化学》书籍很多，各有各的特色，不乏优秀之作。我们需要在所编写的《量子化学》教材中体现自己的特色与风格，在章节安排和内容取舍上反映我们的个性，以及更好符合现在学生的认知规律。下面给出几个我们所编写的《量子化学》教材的特点。本章介绍的晶体轨道法在已出版的量子化学教材中很少提到。以上是本人在编写《量子化学》教材中的一些认识，这里提出来与大家交流，望不吝赐教。
●(北京师范大学，黄元河)
摘 要 本文阐述了对编写《量子化学》的一些认识，介绍了编写教材中，注意科学技术的进展，满足研究生教学的要求，体现自己的特色和风格。
关键词 量子化学、教材、特色
量子化学的建立，通常认为是1927年Heitler和London应用量子力学理论成功处理氢分子化学键问题开始的。这也表明量子化学是一门量子力学与化学结合用以研究化学问题的基础科学。八十余年来，量子化学走过了从被传统化学家排斥、疑惑，到半信半疑、以至姑妄信之，直到今天的精确的量子化学计算结果被实验化学家奉为圭臬的曲折而又不乏光彩的难忘历程。不但化学本身，量子化学的原理和方法在相关的学科，如生命科学、材料科学、石油工业、药物设计等领域也发挥着愈来愈重要的作用。它已发展成为理论化学的一个重要分支学科，是近代和现代化学的重要理论基础。现在的量子化学不仅能够解释现有物质的特性及变化本质，而且还成为探索并预言新物质的结构和功能的强大工具，已经有可能按照需求设计具有特定性能的化学物质，为“分子设计”及“分子工程”奠定了基础。如何将这样一个重要理论较全面地展现给学生，并使他们能够接受和理解，这是我们编写中一直思考和注意的问题之一。
作为研究生教材，我们充分考虑到研究生教育与本科教育阶段内容的有机衔接，并根据研究生的教学要求进行相应的拓展和提升，并在教材内容上力争反映最新的科技发展成果和态势。考虑到“量子化学”是化学所有专业研究生的基础课，我们在阐述基础理论的同时注意充分结合实际应用。已有编写的《量子化学》书籍很多，各有各的特色，不乏优秀之作。我们需要在所编写的《量子化学》教材中体现自己的特色与风格，在章节安排和内容取舍上反映我们的个性，以及更好符合现在学生的认知规律。下面给出几个我们所编写的《量子化学》教材的特点。
第一，本书一开始就引入算符，在第1章第一节专为描述算符而设，这在已出版的《量子化学》编著中，几乎看不到。大多数量子化学书籍，不会专设算符一节。有些书把算符当作已知，需要时直接使用，不作解释。一些书则在用到特定算符时，做简单个别说明。我们主要考虑，一开始就引入算符，后面就可以用简洁的符号表达量子化学理论的表达式，对这些必要的抽象符号描述，也有利于需要想象力的量子理论的接受与理解。由于算符比较抽象，无论学生在大学本科时是否学过或接触过算符，大多数人对算符还是不怎么理解的。专设一节，对算符的定义和一些基本运算法则，特别是量子理论中常用的算符性质，进行深入详细的讲解，我们认为是很有必要的。(www.chuimin.cn)
第二，第5章从群、对称性和对称点群讲起，直至群表示理论，以及在化学中的几个重要应用(分子轨道理论及振动分析)，比国内外习见的基础量子化学教材增添了较多的内容，为进入研究生学习阶段不久的学生系统引入这部分内容，这在我们多年的教学实践中表明是必需和有效的。从我们研究工作经验以及与其他专业老师学生的接触了解，包括合作课题，发现群论知识对于分析计算结果和物质的结构及揭示物质的一些特性是非常必要的。对于进行有关高分子和固体材料研究的学生，这些较为全面深入的分子点群和群表示理论也有助于他们对周期性势场下的空间群和平移群的理解，有利于分析材料的结构和电子特性。
第三，我们专设一章(第8章)介绍计算化学。我们清楚认识到随计算机技术的发展，计算化学成为化学学科发展的新支柱。随着计算机能力的快速发展，使得求解量子化学理论复杂的方程式成为可能。计算化学可以说已发展为从微观角度(即在原子、分子水平上)对化学现象的本质进行理论和实验研究的重要工具。1998年诺贝尔化学奖授予量子化学家美国的Kohn和英国的Pople，这两名科学家使量子化学计算程序化并得到广泛应用。瑞典皇家科学院在颁奖公报中称:量子化学已经发展成为广大化学家使用的工具，它将化学带入一个新时代，化学不再是纯实验科学，化学理论和计算的发展使整个化学正经历着一场革命性的变化。这一事件还代表了化学界对计算化学学科地位的重新认识，实际上宣告了化学的三大支柱(实验、理论和计算)的时代已经来临，计算化学融理论和计算于一身，成为科学研究和发展新物质最强有力的工具之一。因此，在教科书中介绍计算化学的内容很有必要。该章尽可能包括了当今应用的量子化学的计算方法，系统但并不严格详尽地用数学导出，常用量子化学软件的运用和实练，以适用于该书在目前阶段学习的读者，同时对于涉及有关领域的最新研究进展，对有志于深究的读者，亦有简单的介绍，并给出了文献。
第四，第9章为基础固体量子理论简介，这也是本书特色设计章节之一。本章介绍的晶体轨道法在已出版的量子化学教材中很少提到。介绍固体的基本概念和晶体轨道法，将有利于从事有关材料(特别是固体材料)研究的学生对可能用到的概念和理论计算方法有一个初步的认识。对用量子化学研究固体体系有兴趣的读者提供了一个比较简单明了的固体量子理论基础。这一章的引入既反映了近年量子化学在固体和材料研究中的重要性，也丰富了这本书的内容。需要提一下，该章的编者有长期从事固体量子化学计算研究的经历，一些具体例子直接来自发表的科研成果，所编内容是编者对固体量子化学计算理解和经验的凝练，有很大程度的创作成分，而不仅是编写。
以上是本人在编写《量子化学》教材中的一些认识，这里提出来与大家交流，望不吝赐教。
[1]陈光巨，黄元河.量子化学.上海:华东理工大学出版社，2008.
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