《量子化学》有机化学硕士教学大纲

 
  课程名称:量子化学

  课程编号:0703032F17

  学分:3

  总学时数:60

  开课学期:第1学期

  考核方式:笔试

  课程说明:(课程性质、地位及要求的描述)。

  《量子化学》是运用量子力学基本原理和方法,研究、分析和解决分子、原子层次的结构、能量及其变化规律的一门基础学科,是现代理论化学计算机模拟、分子设计和定量构效分析的重要基础。掌握量子化学基本原理和方法是现代化学研究的需要,是21世纪材料、生物、药物等各学科交叉发展的需要。

  近20年来,量子化学发展非常迅速,突出表现在三个方面:一是量子化学的发展,已经渗透到化学的各门分支学科,如无机、有机、分析和物理化学等,使量子化学理论与化学各分支学科紧密结合。其二是现代化学实验技术的发展,如红外、紫外、核磁、拉曼、X-衍射、顺磁共振、光电子能谱等,为量子化学提供了丰富的实验背景。三是计算机科学技术、量子化学理论方法及应用软件的发展使有机、无机、材料、药物、生物等大分子体系严格的量子化学计算成为可能,量子化学已从少数量子化学家的手中解放出来,成为化学家们广泛应用的重要工具。

  《量子化学》是我系物理化学、无机化学专业研究生的学位课,有机化学专业研究生的选修课,每学年第1学期讲授。通过量子力学基础、原子结构、分子轨道理论、变分法、微扰法、群论基础等内容的讲解,使学生对理论化学的基础知识有一个较为系统深入的了解和掌握,为高等量子化学、现代理论化学的计算机模拟打好基础。

  教学内容、要求及学时分配:

  第一章 绪论

  内容:

  1.1 量子化学概况

  1.2 量子力学历史背景

  1.3 测不准原理

  1.4 Schròdinger方程

  1.5 复数

  1.6 几率函数和平均值

  1.7 行列式

  1.8 21世纪的理论化学计算机模拟

  要求:了解量子化学的背景知识、发展现状及其未来方向,掌握其中常用的数学知识。

  学时:2

  第二章 量子力学基本理论

  内容:

  2.1 量子力学基本假设

  2.2 基本假设的一些重要推论

  要求:掌握量子力学基本假设及由此得到的一些重要推论,理解其主要的证明过程。掌握算符、本征函数、简并性、期望值、合格波函数等概念

  学时:6

  第三章 箱中粒子

  内容:

  3.1 微分方程

  3.2 一维箱中粒子

  3.3 一维自由粒子

  3.4 矩形箱中粒子

  3.5 隧道效应

  3.6 三维箱中粒子

  要求:复习微分方程的解法;掌握一维及三维箱中粒子Schròdinger方程的求解;了解一维自由粒子、矩形箱中粒子的情况;理解隧道效应。

  学时:4

  第四章 谐振子

  内容:

  4.1 一维谐振子的经典力学

  4.2 一维谐振子的量子力学处理

  要求:了解经典力学中的谐振子,掌握量子力学中谐振子的处理方法

  学时:4

  第五章 角动量

  内容:

  5.1 几种物理量的同时测定

  5.2 矢量

  5.3 单粒子体系的角动量

  5.4 角动量的阶梯算符法

  要求:掌握物理量能同时测定的条件,矢量的运算,及单粒子体系的角动量;了解角动量的阶梯算符法。

  学时:6

  第六章 氢原子

  内容:

  6.1 中心力问题

  6.2 双粒子问题约化为单粒子问题

  6.3 氢原子的量子力学处理

  6.4 氢原子束缚态的波函数

  6.5 类氢轨道

  6.6 Zeeman效应

  要求:掌握氢原子的量子力学处理及其束缚态的波函数;理解双粒子问题约化为单粒子问题的思路;了解中心力、Zeeman效应。

  学时:6

  第七章 变分法与微扰法

  内容:

  7.1变分原理

  7.2变分法推广

  7.3线性变分函数

  7.4微扰理论简介

  7.5非简并态微扰理论

  7.6氦原子基态的微扰处理

  7.7氦原子基态的变分处理

  7.8简并能级的微扰理论

  7.9久期方程的简化

  7.10氦原子第一激发态的微扰处理

  7.11变分法与微扰法的比较

  要求:掌握变分法和微扰法的基本原理;理解两者的比较。

  学时:10

  第八章 电子自旋与Pauli原理

  内容:

  8.1电子自旋

  8.2阶梯算符用于电子自旋

  8.3自旋与氢原子

  8.4 Pauli原理

  8.5氦原子

  8.6锂原子

  8.7 Slater行列式

  8.8锂基态的微扰处理

  8.9锂基态的变分处理

  8.10自旋磁矩

  要求:掌握电子自旋及其阶梯算符的概念;理解氦原子、锂原子的量化处理;了解自旋磁矩的概念

  学时:6

  第九章 多电子原子

  内容:

  9.1 Hartree-Fock自洽场方法

  9.2电子相关

  9.3角动量的相加

  9.4多电子原子的角动量

  9.5自旋-轨道相互作用

  9.6原子的Hamilton算符

  要求:理解Hartree-Fock自洽场方法的原理,了解电子相关、自旋-轨道相互作用,掌握角动量加法及Hamilton算符。

  学时:4

  第十章 群论基础

  内容:

  10.1矩阵

  10.2群的定义和性质

  10.3分子对称性与对称群

  10.4群表示理论

  10.5群论和量子化学

  要求:掌握矩阵及群的基本性质及运算、分子点群,理解群表示理论及其在化学中的妙用。

  学时:8

  第十一章 双原子分子的电子结构

  内容:

  11.1 Born-Oppenheimer近似

  11.2原子单位

  11.3氢分子离子

  11.4 H2+电子基态的近似处理

  11.5 H2+激发态的分子轨道

  11.6同核双原子分子的电子组态

  11.7分子的电子谱项

  11.8氢分子

  11.9 H2的价键处理

  11.10 MO和VB理论的初步比较

  11.11电子几率密度

  11.12异核双原子分子的处理

  11.13异核双原子分子的VB处理

  11.14双原子分子的SCF波函数

  要求:掌握Born-Oppenheimer近似、分子的电子谱项;理解MO和VB理论的比较;了解原子单位的应用。

  学时:4

  教材或主要参考书目:

  1, 量子化学,[美]I.N.赖文著,宁世光等译,人民教育出版社,1980

  2, 量子化学导论,石进超编,西北大学化学系,1994

  3, 量子化学引论,曹阳,人民教育出版社,1980年

  4, 基础量子化学原理,封继康,高等教育出版社,1984年

  5, 量子化学原理,江逢霖,复旦大学出版社,1990年

  6, 群论及其在化学中的应用,[美]F.A.科顿著,刘春万等译,科学出版社,2002年

  (大纲起草人:翟高红,大纲审定人:薛岗林)

  

  
 
 
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