計算化學：從理論化學到分子模擬 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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陳敏伯 著

圖書標籤:

• 計算化學
• 理論化學
• 分子模擬
• 量子化學
• 分子力學
• 計算方法
• 化學物理
• 密度泛函理論
• 分子動力學
• 材料科學

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030233523

版次：31

商品編碼：12360740

包裝：平裝

叢書名： 中國科學院研究生教學叢書

開本：16開

齣版時間：2018-05-01

頁數：416

正文語種：中文

內容簡介

　　計算化學是近年來飛速發展的一門學科，它主要以分子模擬為工具實現各種核心化學問題的計算，架起瞭理論化學和實驗化學之間的橋梁。《BR》　　本書在一個比較嚴格的理論框架中介紹瞭計算化學，全書分兩部分：基本原理篇和應用篇，共11章。基本原理篇（第1～6章）包括：體係的經典力學描述，勢能麵，分子動力學方法，MonteCarlo模擬，相關函數和近平衡態的量子統計理論；應用篇（第7～11章）包括：熱化學，輸運性質，分子光譜的模擬，固體材料和統計數學在藥物、材料設計上的應用。本書盡量介紹具有物理意義的方法，不得已纔采用單純的數學模型。為瞭方便閱讀，本書備有附錄用來介紹重要的數學工具。

計算化學：從理論基礎到前沿應用 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的計算化學領域概覽，覆蓋從基礎理論到先進模擬技術的廣泛內容。我們著重於構建堅實的理論框架，同時強調這些理論在解決實際化學問題中的應用能力。全書結構嚴謹，內容翔實，力求成為該領域研究人員、教師和高年級本科生/研究生的重要參考資料。 第一部分：理論基石與量子力學基礎 本部分首先建立起理解計算化學的必要數學和物理學基礎。我們從薛定諤方程的引入開始，詳細闡述瞭時間無關和時間依賴的薛定諤方程在描述分子體係行為中的核心地位。 1.1 量子化學基礎迴顧： 我們將迴顧量子力學中的基本概念，包括波函數、算符、本徵值和本徵函數。重點討論電子和核的運動分離（玻恩-奧本海默近似），這是所有分子模擬的齣發點。我們將深入分析變分原理及其在尋找體係基態能量中的應用，為後續的從頭算方法奠定基礎。 1.2 從頭算（Ab Initio）方法： 詳細介紹最基礎的從頭算方法。首先是哈特裏-福剋（Hartree-Fock, HF）方法，作為理解電子相關效應的起點。我們將透徹分析中心平均場近似的局限性，並引入升高的精確度層級——後哈特裏-福剋方法。這包括： 組態相互作用（Configuration Interaction, CI）： 從限製性 CI (RCI) 到全 CI (FCI) 的發展，討論計算成本的指數級增長問題。 微擾理論（Møller-Plesset, MPn）： 詳細闡述 MP2、MP3、MP4 等階數的計算過程和適用範圍，分析其收斂性特徵。 1.3 電子相關效應與密度泛函理論（DFT）： 電子相關是現代計算化學的核心挑戰。本章將係統介紹處理電子相關效應的關鍵理論——密度泛函理論 (DFT)。我們將從 Hohenberg-Kohn 定理齣發，推導 Kohn-Sham (KS) 方程。 核心內容包括： 泛函的選擇與分類： 詳細剖析不同層次的交換-關聯泛函，包括局域密度近似 (LDA)、廣義梯度近似 (GGA)（如 BLYP, PBE）、以及元GGA 和混閤泛函（如 B3LYP）。討論它們在描述鍵能、結構優化和過渡態搜索中的錶現差異。 自相互作用誤差（Self-Interaction Error, SIE）： 分析 SIE 對 DFT 結果的影響，並介紹如何通過引入 Hartree-Fock 交換項（如 HSE06）來緩解這一問題。 第二部分：基組理論與計算實踐 理論方法必須依托於閤適的數學工具纔能應用於實際分子。本部分側重於基組的選擇、能量的計算以及計算結果的可靠性評估。 2.1 基礎集函數與基組的選擇： 講解如何用原子軌道組閤來描述分子軌道（LCAO 近似）。詳細分析斯萊特型軌道（STO）和高斯型軌道（GTO）的特性和計算優勢。 基組的擴展與優化： 介紹分裂價層基組（如 6-31G 係列）、極化函數（p 和 d 函數）和彌散函數在描述反應性、分子間作用力中的作用。討論如何根據體係特點選擇閤適的基組（例如，對長程相互作用使用更大的彌散函數）。 2.2 幾何優化與振動分析： 討論如何利用梯度信息（能量的一階導數）來尋找勢能麵上的駐點。 優化算法： 介紹牛頓法、擬牛頓法（如 BFGS）在分子結構優化中的應用，以及如何處理鞍點和過渡態的搜索。 頻率分析： 解釋計算得到的二階力常數矩陣（Hessian 矩陣）如何用於確認穩定結構（所有頻率為實數）或過渡態（一個虛頻）。振動頻率計算在光譜預測中的重要性。 2.3 性能評估與收斂性判斷： 強調計算結果的可靠性依賴於對方法的批判性評估。 基組超限性（Basis Set Superposition Error, BSSE）： 詳細討論在分子間作用力（如氫鍵、範德華力）計算中如何利用升華法（Counterpoise Correction）來校正基組不完備性。 計算成本分析： 比較不同方法的計算復雜度（N 電子數目的函數），指導讀者在精度要求與計算資源限製之間做齣權衡。 第三部分：分子模擬與動力學 超越單點計算和靜態結構優化，本部分聚焦於描述分子體係隨時間演化的模擬技術，特彆是分子動力學（MD）。 3.1 分子力場與經典模擬： 在處理大分子體係和長時間尺度模擬時，經典力場是不可或缺的工具。 力場構建原理： 詳細解釋力場中各項勢能的數學形式，包括鍵閤項（伸縮、彎麯、扭轉）和非鍵閤項（靜電相互作用和範德華作用力，如 Lennard-Jones 勢）。 主流力場介紹： 介紹AMBER, CHARMM, OPLS 等經典力場在蛋白質和生物大分子模擬中的具體應用和參數化策略。 3.2 分子動力學模擬： 介紹如何利用牛頓運動方程（通過力場導齣的力）對原子進行時間積分。 積分算法： 深入探討 Verlet 算法及其變體（如速度 Verlet）在保持係統長期穩定性和能量守恒方麵的優勢。 熱力學係綜的實現： 如何通過控溫（如 Nosé-Hoover 恒溫器）和控壓（如 Berendsen 或 Parrinello-Rahman 恒壓器）算法將模擬係統約束在 NVT 或 NPT 係綜下。 3.3 增強采樣技術與自由能計算： 對於跨越高能壘的動力學過程（如構象變化、藥物分子與靶標的結閤），標準 MD 往往效率低下。本章介紹先進的增強采樣方法。 元動力學（Metadynamics）： 介紹如何通過引入時變偏勢來填充自由能麵，加速對重要反應坐標的探索。 溫和推開（Umbrella Sampling）和熱力學積分方法： 討論計算精確結閤自由能或反應自由能的理論框架（如 Thermodynamic Integration, TI 和 Free Energy Perturbation, FEP）。 第四部分：應用前沿與多尺度建模 本部分將計算化學的理論和方法應用於前沿研究領域，並展望多尺度建模的未來趨勢。 4.1 模擬在材料科學中的應用： 固體計算： 介紹周期性邊界條件（PBC）在晶體結構預測、缺陷工程和電子材料性質計算中的應用。討論如何結閤 DFT 模擬來預測半導體能帶結構和催化劑錶麵活性位點。 4.2 電子結構計算在光譜學中的延伸： 激發態計算： 介紹描述分子吸收和發射光譜的方法，包括時間依賴性密度泛函理論（TD-DFT）和 EOM-CC 方法，用於預測紫外-可見吸收光譜和熒光性質。 NMR 和 EPR 參數計算： 解釋如何利用化學位移的計算來輔助結構解析。 4.3 多尺度和混閤方法： 認識到單一尺度的計算方法存在局限性，本部分探討如何整閤不同尺度的信息： QM/MM（量子力學/分子力學）方法： 詳細闡述如何將高精度的量子化學計算應用於反應中心，而將溶劑或較大分子環境使用高效的經典力場描述，廣泛應用於酶催化和生物分子相互作用研究。 全書輔以豐富的實例和思考題，旨在培養讀者獨立分析和解決復雜化學問題的能力，使他們不僅理解“如何計算”，更深刻理解“為何這樣計算”。

評分☆☆☆☆☆

我一直對那些能夠“看到”分子運動的模擬技術非常著迷，而《計算化學：從理論化學到分子模擬》這個書名，正是抓住瞭我最感興趣的點。我猜想，這本書應該會詳細介紹分子動力學模擬的原理，包括牛頓運動方程的求解、原子間勢能函數的選擇，以及如何處理時間步長和邊界條件等關鍵問題。我希望它能讓我理解，通過這些模擬，我們是如何在原子尺度上“觀察”到分子是如何振動、轉動、擴散，以及它們之間是如何相互作用和發生化學變化的。我尤其好奇，如何利用分子模擬來研究一些宏觀現象的微觀根源，比如一個材料的力學性能是如何由其內部原子排列決定的，或者一個溶液的性質是如何受到溶質和溶劑分子相互作用的影響。如果這本書能提供一些關於如何進行高效模擬的技巧，以及如何對模擬結果進行科學的分析和解釋，那將是對我非常有價值的。我希望能學到如何通過分子模擬來設計新的材料，或者優化現有的化學工藝，從而在實際生産和研究中發揮作用。

評分☆☆☆☆☆

當我拿到這本《計算化學：從理論化學到分子模擬》的時候，我首先被它的厚度震撼瞭，這說明裏麵肯定包含瞭很多紮實的知識。我一直覺得，化學不應該僅僅是試管裏翻滾的彩色液體，或者黑闆上畫滿的抽象結構式。真正的化學，我認為應該能解釋世界萬物的運行規律，而計算化學，聽起來就是一種能夠揭示這些規律的強大工具。我希望這本書能夠帶領我深入理解，那些看似神秘的分子動力學模擬是如何實現的？它又是如何捕捉到分子間轉瞬即逝的相互作用，並將其轉化為可分析的數據。我對那些能夠預測蛋白質摺疊、材料性能，甚至模擬催化劑反應機理的計算技術尤為著迷。如果這本書能夠詳細介紹這些技術背後的數學原理和算法，並且提供一些實際的應用案例，那將是我學習計算化學最大的收獲。我希望它能教會我如何選擇閤適的模擬方法來解決特定的化學問題，比如，對於一個復雜的有機閤成反應，我應該如何運用計算化學來預測産物分布和反應路徑？或者在材料科學領域，如何通過分子模擬來設計具有特定功能的新型材料？我渴望瞭解這些能夠將理論知識轉化為實際應用的技術細節。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字，《計算化學：從理論化學到分子模擬》，一下子就吸引瞭我，因為我一直覺得，化學的很多奧秘都隱藏在看不見的微觀層麵。我希望這本書能夠深入淺齣地介紹計算化學的各個方麵，從最基礎的理論框架，比如量子力學中的薛定諤方程，到更具體的計算方法，例如哈特裏-福剋方法、密度泛函理論，以及各種半經驗方法。我特彆好奇，這本書會如何解釋這些方法背後的數學和物理原理，並且如何將這些抽象的概念轉化為可執行的計算步驟。我希望它能讓我理解，如何利用這些計算方法來研究分子的電子結構、能量、光譜性質，甚至是反應活性。對我而言，最吸引人的部分是分子模擬，我希望它能詳細講解分子動力學模擬和濛特卡洛模擬等技術，以及它們在研究宏觀化學現象中的應用。比如，如何通過分子模擬來理解化學反應的機理，預測新材料的性能，或者設計藥物分子。如果這本書能提供一些實際的計算案例和軟件使用指導，那將是錦上添花，讓我能夠真正將理論知識應用於實踐。

評分☆☆☆☆☆

對於《計算化學：從理論化學到分子模擬》這本書，我的期待是它能成為我理解分子世界的一扇窗戶。我一直對理論化學的抽象概念感到好奇，但又覺得它們離實際應用有點遙遠。我非常希望這本書能夠填補這一鴻溝，讓我看到理論是如何一步步轉化為強大的計算工具，並最終應用於解決實際的化學問題。我想瞭解，那些聽起來很復雜的理論，例如密度泛函理論（DFT）或者耦閤簇方法（Coupled Cluster），在實際計算中是如何運作的。更重要的是，我希望這本書能教會我如何運用這些理論來模擬和預測分子的性質，比如它們的能量、幾何結構、光譜特徵，甚至是反應活性。我對通過計算化學來理解化學反應機理特彆感興趣，比如，一個復雜的有機反應是如何發生的，中間體是什麼，反應的活化能有多高，這些信息能否通過計算得到？如果這本書能夠提供一些關於如何構建分子模型、如何選擇計算參數，以及如何解析計算結果的指導，那將對我非常有幫助。我希望它不僅僅是一本理論的介紹，更能是一本實踐的指南，讓我能夠真正開始運用計算化學來探索化學的奧秘。

評分☆☆☆☆☆

這本書，名字聽起來就很有分量，我一直對化學的微觀世界和那些抽象的理論概念很感興趣，但又覺得純理論的東西有時候過於晦澀難懂。所以，當看到《計算化學：從理論化學到分子模擬》這個書名的時候，我腦海裏立刻浮現齣它可能會是連接理論與實踐的一座橋梁。我一直想象著，是不是這本書能讓我理解那些復雜的化學方程式背後到底是如何被計算齣來的，或者說，那些肉眼看不見的原子和分子，是如何通過計算機模擬來展現它們的運動軌跡和相互作用的。我尤其好奇，它會不會深入講解一些核心的計算方法，比如量子力學在化學問題中的應用，或者濛特卡洛方法在模擬復雜體係時的妙用。想象一下，能夠通過計算機“看到”化學反應的過程，甚至預測新分子的性質，這本身就是一件多麼令人興奮的事情。我期待這本書能夠提供一個清晰的學習路徑，從最基礎的理論概念講起，逐步引導讀者理解各種計算化學方法的工作原理，並且最終能掌握如何運用這些方法來解決實際的化學問題。比如，對於一些難以閤成或錶徵的分子，通過計算化學能否提供一些重要的綫索？或者在藥物研發領域，計算化學是否扮演著關鍵的篩選和優化角色？這些都是我非常好奇的方麵，希望這本書能夠一一解答我的疑問，帶我進入計算化學這個迷人的領域。