 量子化学  基本介绍 量子化学(quantum chemistry)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。 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和密度矩阵理论，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。 历史脉络 1927年海特勒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（价键理论、分子轨道理论和配位场理论）的建立和发展，分子间相互作用的量子化学研究。 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。 2020年8月27日，谷歌量子计算研究团队宣布其使用量子计算机对化学反应路径进行建模取得了突破性进展，这是迄今为止首次，也是最大规模的化学量子计算。 其发表的题为《超导量子比特量子计算机的 Hartree-Fock 近似模拟》（Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer）的成果论文，当天便登上了《自然》杂志封面。 可以说，此项研究在量子计算的历史上将具有划时代的意义，感兴趣的可以找来论文原文看一看。 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。 量化软件 涉及量化计算的软件有很多，如果按照计算方法来分，主要是下方思维导图列出的几种：  如果按照研究对象来分，可以划分为以下几种：  当然，在众多软件中，主流量化计算软件是Gaussian与VASP。其中Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包。 主要功能有：过渡态能量和结构、键和反应能量、分子轨道、原子电荷和电势、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径，可以预测周期体系的能量，结构和分子轨道。  因此，Gaussian可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能等等，它常常与gaussview连用。 VASP则是基于密度泛函理论下并利用平面波赝势方法进行从头分子动力学和第一原理电子结构计算的软件包由维也纳大学Hafner小组开发，是材料模拟和计算物质科学研究中热门软件之一。  其主要功能如下： 采用周期性边界条件(或超原胞模型)处理原子、分子、团簇、纳米线(或管)、薄膜、晶体、准晶和无定性材料,以及表面体系和固体； 计算材料的结构参数(键长,键角，晶格常数,原子位置等)和构型； 计算材料的状态方程和力学性质(体弹性模量和弹性常数)； 计算材料的电子结构及光学与磁学性质； 计算材料的晶格动力学性质(声子谱等)； 表面体系模拟(表面态和STM模拟)； 从头分子动力学模拟及计算材料激发态。 基本方程 就宏观世界而言，基本遵循牛顿运动三定律，其可以计算出宏观物体未来任意时刻的运动状态。 而微观世界的“牛顿定律”则是薛定谔方程。用概率波(波函数)代表微观状态，并且可以计算出未来任意时刻体系微观状态。 薛定谔方程由奥地利物理学家薛定谔提出的量子力学中的一个基本方程，也是量子力学的一个基本假定，其正确性只能靠实验来检验。 其方程表达式为：  ψ：波函数 H：哈密顿量 E：能量 >波函数代表体系状态，|ψ|2代表体系在空间的几率； >波函数得到了，体系状态就知晓； > 然后，其他性质作用上去就行； >这是个假设(amazing)； >所有的事情都是在求解方程。 早在1929年, Dirac（狄拉克）给出一段著名评论：  “把整个化学归结成一些数学方程的基本定律已经完全清楚了，唯一的问题是方程太复杂难于求解。需要发展近似实用的求解方法，从而达到不需要太多计算量就可以揭示复杂原子体系的主要特性”。 推荐书籍 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等。 可以说，量化计算的前景无可限量，掌握一定的量子化学知识很有必要，以下是量子化学基础入门书籍推荐，感兴趣的可以找来一读： 1、《量子化学》唐敖庆等，科学出版社，1982 2、《量子化学-基本原理和从头计算法》徐光宪 黎乐民 王德民，科学出版社，2001 3、《Quantum Chemistry》Ira N. Levine Prentice Hall，Inc. 2000 |
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