量子化学发展简史.ppt

量子化学发展简史.ppt

《量子化学发展简史.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《量子化学发展简史.ppt（79页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

目的:

从“数学”和“物理”的角度看“化学”,运用数学的多少是一门科学成熟程度的标志。

马克思,要求:

1.学习从理论角度思考化学问题2.了解化学中的数学物理概念3.了解常用计算化学方法4.了解常用的计算化学程序,什么是一个“理论”方法?

符号公式,Scientificmethod,Formahypothesis:

aneducatedguessorlogicalconclusionfromknownfacts.,Comparedagainstallavailabledataandthedetailsdeveloped,consistent?

aTheoryinmathematicalform,alwayscorrectformanyyears,ascientificlaw,Y,N,Reality,TheJournalofPhysicalChemistryA&B（JPC）TheJournalofChemicalPhysics（JCP）ChemicalPhysicsLetters（CPL）ChemicalPhysics（CP）TheJournalofComputationalChemistry（JCC）InternationalJournalofQuantumChemistry（IJQC）JournalofMolecularStructure,Theochem（THEOCHEM）JournalofComputationalandTheoreticalChemistry（JCTC）,Nature,Sciences,PNAS,PRL,JACS,.,理论化学（TheoreticalChemistry）Mathematicaldescriptionofchemistry,计算化学（ComputationalChemistry）Mathematicalmethodissufficientlywelldevelopedthatitcanbeautomatedforimplementationonacomputer,“Recentyearshaveseenanincreaseinthenumberofpeopledoingtheoreticalchemistry.Manyofthesenewcomersareparttimetheoreticians,whoworkonotheraspectsofchemistryaswell.Thisincreasehasbeenfacilitatedbythedevelopmentofcomputersoftwarewhichisincreasinglyeasytouse.Itisnoweasyenoughtodocomputationalchemistrythatyoudonothavetoknowwhatyouaredoingtodoacomputation.Asaresult,manypeopledontunderstandeventhemostbasicdescriptionofhowthecalculationisdoneandarethereforesuccessfullydoingalotofworkwhichis,frankly,garbage.”,Almosteveryaspectofchemistrycanbedescribedinaqualitativeorapproximatequantitativecomputationalscheme.Veryfewaspectsofchemistrycanbecomputedexactly.Thebiggestmistakethatacomputationalchemistscanmakeistoassumethatanycomputednumberisexact.Aqualitativeorapproximatecomputationcangiveusefulinsightintochemistryifyouunderstandwhatittellsyouandwhatitdoesnt.,量子力学,物理学,数学,1918,MAXKARLERNSTLUDWIGPLANCK,量子理论的鼻祖,PrinceLouis-VictordeBroglie,1929,波动学说,ErwinSchrdinger,PaulAdrienMauriceDirac,1933,波函数方程,1954,LINUSCARLPAULING,化学键,1971,GERHARDHERZBERG,分子光谱理论,1992,RUDOLPHA.MARCUS,电子转移理论,2008-2010,努力吧,各位!

“量子”的生日:

1900年12月14日,普朗克:

亥姆霍兹研究所,德国物理学会会议,演讲:

正常光谱中能量分布的理论，即关于一定温度的物体发出的热辐射在不同频率上的能量分布规律,1900年，J.W.Rayleigh，J.H.Jeans根據古典電動力學和統計物理理論，得出一黑體輻射公式，即Rayleigh-Jeanslaw。

紫外灾难（ultravioletcatastrophe）悖论,波长越短,频率,能量紫外,频率,能量,Planck公式推導：

普朗克科学定律普朗克曾经说过一句关于科学真理的真理，它可以叙述为“一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明，而是通过这些反对者们最终死去，熟悉它的新一代成长起来。

”,Einstein:

1905年,光量子假说,德布罗意:

1923年，物质波假说,论光的产生和转化的一个启发性观点,成功解释了光电效应,玻尔的原子理论,玻尔的名言：

“谁要是第一次听到量子理论时没有感到困惑，那他一定没听懂。

”,玻尔的电子轨道模型:

海森伯发现了一套新的系统的数学方案魔术乘法表:

原子辐射的频率和强度被按照一定的规则排列成一个数的方阵，方阵之间按照一种新的乘法规则进行运算。

论量子力学,物理学杂志,论海森伯玻恩约尔丹的量子力学和我的量子力学的关系,薛定谔:

冯诺依曼利,越来越多的人投入到量子力学的应用研究中;出现了原子物理学、固体物理学、量子化学、量子宇宙学等大量新兴学科;基于量子理论的新技术也不断涌现，如原子能技术、激光技术、电子计算机和电讯技术（量子计算机和量子通讯）,薛定谔，E（18871961）奥地利理论物理学家，是波动力学的创始人。

薛定谔1887年8月12日生于维也纳一个油布工厂主的家庭，中学时就对数学、物理学和逻辑严谨的古代语法有浓厚的兴趣。

19061910年，他在维也纳大学物理系学习。

1910年获得博士学位。

毕业后，在维也纳大学第二物理研究所工作。

1913年与RWF科耳劳施合写了关于大气中镭A（即218Po）含量测定的实验物理论文，为此获得了奥地利帝国科学院的海廷格奖金。

第一次世界大战期间，他服役于一个偏僻的炮兵要塞，利用闲暇研究理论物理学。

战后他回到第二物理研究所。

1920年移居耶拿，担任M维恩的物理实验室的助手。

1921年，薛定谔受聘到瑞士苏黎士大学任数学物理学教授，在那里工作了6年。

1927年接替普朗克任柏林大学理论物理学教授。

同年当选为普鲁士科学院院士。

1933年受德国纳粹党徒的迫害，离开苏黎士到英国任牛津大学物理学教授。

同年和狄拉克一起荣获诺贝尔物理学奖。

1938年薛定谔在格拉兹再度受到纳粹的迫害，于9月1日仅“带了一只小小皮箱”逃往都柏林，在都柏林高级研究所，成为理论物理学的领导。

在那里，他逗留了17年。

在此期间，他继续从事科学研究，并发表了许多论文。

1956年，他回到奥地利，成为维也纳大学物理系的名誉教授。

1957年薛定谔接受了德国高级荣誉勋章。

他还被许多大学和科学团体授予荣誉学位，其中包括英国伦敦皇家学会、柏林普鲁士科学院、奥地利科学院等。

1957年他一度病危。

1961年1月4日，他在奥地利的阿尔卑巴赫山村病逝。

Born:

12Aug1887inErdberg,Vienna,Austria,Receivedlessonsathomefromaprivatetutorupto10,EnteredtheAkademischesGymnasiumintheautumnof1898,EnteredtheUniversityofViennain1906,Awardedhisdoctorateon20May1910,Ontheconductionofelectricityonthesurfaceofinsulatorsinmoistair,AppointedtoanassistantshipatViennabut,inexperimentalphysicsratherthantheoreticalphysics,Completedhabilitation,awardedthedegreeon1Sept.1914,Publishedfirstimportantpaperin1914,TakenupdutyinWWI,publishedtwopapers,Receivedacitationforoutstandingservicecommanding,Publishedhisfirstresultsonquantumtheoryin1917,Madesubstantialcontributionstocolourtheory1918-1920,OfferedanassociateprofessorshipatViennainJanuary1920,MarryAnnyBertel,asecretaryinViennaonamonthlysalarywhichwasmorethanSchrdingersannualincome.Anassociateprofessorship,stillnotatasalarylargeenoughtosupportanon-workingwifesohedeclined,Acceptedanassist.inJenaandmarriedAnnyon1920.3.24,AcceptedthechairoftheoreticalphysicsatZurichinlate1921,Moved4timesin1-yearandahalf,Studiedatomicstructurefrom1921,Begantostudyquantumstatisticsin1924,GaveaseminarondeBrogliesworkon1925.11.23,andamemberoftheaudience（Debye）,astudentofSommerfelds,suggestedthatthethereshouldbeawaveequation.WithinafewweeksSchrdingerhadfoundhiswaveequation.,Publishedhisrevolutionaryworkrelatingtowavemechanicsandthegeneraltheoryofrelativityinaseriesofsixpapersin1926,OfferedapermanentprofessorshipattheUniversityofWisconsin,Madisonin1926.121927.2,butdeclined,LeadingcandidateforPlanckschairinBerlin,Sommerfeldwasrankedinfirstplace,followedbySchrdinger,withBohrasthethirdchoice,Takingupthepostin1931,becameacolleagueofEinsteins.,ArrivedinOxfordasArthurMarchsassistanton1933.11.4,AwardedtheNobelprizein1933,InvitedtolectureatPrinceton,offeredofapermanentposition,negotiatedaboutsalaryandpensionconditionsatPrincetonbutintheendhedidnotaccept,Publishedathree-partessayin1935onThepresentsituationinquantummechanics-famousSchrdingerscatparadox,OfferedthechairofphysicsattheUniversityofEdinburghinScotlandin1936,delayedbyobtainingawork-permit,UniversityofGrazin1936-1938,DismissedfromhispostbyTheNazison1938.8.26;ReceivedanofferofaoneyearvisitingprofessorshipattheUniversityofGent,WenttoDublinintheautumnof1939,Retiredin1956whenhereturnedtoVienna,Died:

4Jan1961inVienna,Austria,Thus,thetaskis,notsomuchtoseewhatnoonehasyetseen;buttothinkwhatnobodyhasyetthought,aboutthatwhicheverybodysees.,Quotations,74yearsold,这个猫十分可怜，她（假设这是一只雌性的猫，以引起更多怜悯）被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。

毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。

如果原子核衰变，则放出阿尔法粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，雌猫必死无疑。

这个残忍的装置由薛定谔所设计，所以雌猫便叫做薛定谔猫。

原子核的衰变是随机事件，物理学家所能精确知道的只是半衰期衰变一半所需要的时间。

如果一种放射性元素的半衰期是一天，则过一天，该元素就少了一半，再过一天，就少了剩下的一半。

但是，物理学家却无法知道，它在什么时候衰变，上午，还是下午。

当然，物理学家知道它在上午或下午衰变的几率也就是雌猫在上午或者下午死亡的几率。

如果我们不揭开密室的盖子，根据我们在日常生活中的经验，可以认定，雌猫或者死，或者活。

这是她的两种本征态。

但是，如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫，则只能说，她处于一种活与不活的叠加态。

我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切地知道雌猫是死是活。

此时，猫的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。

量子理论认为：

如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道雌猫是死是活，她将永远到处于半死不活的叠加态。

这与我们的日常经验严重相违，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活？

寻找薛定谔的猫，约翰格利宾著,量子纠缠态,D.Leibfried,E.Knill,S.Seidelin,J.Britton,R.B.Blakestad,J.Chiaverini,D.B.Hume,W.M.Itano,J.D.Jost,C.Langer,R.Ozeri,R.Reichle,andD.J.Wineland,Creationofasix-atomSchroedingercatstate,Nature.438,639-642（2005）.,Be+,大量的理论计算方法和模型应用渗透到各个领域计算结果越来越可靠,invivo:

testingdoneinalivingorganisminvitro:

testingdoneinatesttubes（inalab）,fromlatinmeaninginglassreferringtotesttubesinsilico:

testingdoneinacomputermodel,i.e.theE-cell,invivoinvitroinsilico,隧道效应（Tunnelingeffect）,隧道显微,P.S.Zuev,R.S.Sheridan,T.V.Albu,D.G.Truhlar,D.A.Hrovat,andW.T.Borden,Science299,867-870（2003）.,化学反应,化学反应机理,分子材料结构和电子性质,生命科学研究,直接解薛定谔方程,势能面（PotentialEnergySurface）,HHH共线构型,D.HH,H.HD,H.Eyring,H.Gershinowitz,ChengESun“Theabsoluterateofhomogeneousatomicreactions”,J.Chem.Phys.,1935,3,786.,年月日生于山东省济南市。

年考入清华学校年毕业后赴美留学，入美国威斯康星大学化学系学习年获哲学博士学位，时年仅岁年被聘为美国普林斯顿大学研究助理。

在著名物理化学家艾林指导下，从事化学反应过渡态理论的研究工作,年回到祖国,去世,ReactionofO（3P）withann-HexylthiloateSelf-AssembledMonolayer（SAM）,Diglycine-H+Diamond111Product:

NH2CH2+HCONHCH2COOH,Diglycine-H+Diamond111H2+NHCH2+CONHCH2COOH+,Diglycine-H+Diamond111NH3+CH2CONHCH2COOH+,OH-+CH3F-CH3OH+F-,Science296,875（2002）,ReactionPath,反应途径,储氢材料-NaAlH4,001,100,112,101NaAl,101-Na,101-Al,磁性材料-V4S9Br4,量子点-（CdSe）n,纳米管,Li5SWNT,富勒烯-C60及类似物,Tajkhorshid,E.,Nollert,P.,Jensen,M.O.,Miercke,L.J.,OConnell,J.,Stroud,R.M.,andSchulten,K.（2002）.Science296,525-530,B.L.deGrootandH.Grubmller:

Science294,2353-2357,PassageofwatermoleculesthroughtheaquaporinAQP1,水通道和离子通道2003年NB奖,Foragivensystem,solveitsSchrodingerEquation,toobtainEnergiesandWavefunctions.,半经验（Semi-empirical）:

AM1,CNDO,MNDO,PM3,HMO,ZINDO,从头算（Abinitio）:

HF,MPn,CISD（T）,CCSDT,MCSCF,CASPT2,MRCISD（T）,VB,密度泛函理论（DFT）:

B3LYP,BPW91,TD-DFT,分子轨道理论（MolecularOrbital）,水分子,GAUSSIAN,MOLPRO,NWCHEM,MOLCAS,ACESII,PSI,MOPAC,HYPERCHEM,SPARTAN,DALTON,COLUMBUS,GAMESS,ADF,DMOL,CASTEP,CPMD,JAGUAR,VASP,密度泛函理论:

AMBER,GROMACS,BOSS,C2,SYBYL,CHARMM,试图模拟越来越大的分子体系,甚至整个实验过程,迅速缩小各个学科之间的差异,促进大学科的融合,成为每个研究者必备的工具,BackgroundcheckQuiz,HowmuchdoyouknowabouttheSchrodingerEquation?

Whatisitfor?

Whatkindsofpapershaveyoureadregardingtothecomputationalchemistry?

whatjournalsorbooksyoureadorknow?

Whathaveyoulearnedfrom“StructuralChemistry”duringyourundergraduatestudy?

Describetheatom,molecule,chemicalbond,chemicalreactionusingthetheoreticallanguage.Areyoufamiliarwiththetermssuchasorbital,potentialenergysurface,Hartree-Fock,self-consistent-field,basisset,electroncorrelation,forcefield,electronicstate,spin,multiplicity,zero-pointenergy,densityfunctional,Cartesian,eigenvalue,saddlepoint,optimization,ensemble,statisticalmechanics,trajectory,leveloftheory,bandstructure,supercell,periodicboundarycondition,symmetry,pointgroup,.,