量子化學(xué)和量子力學(xué)的關(guān)系精選(九篇)

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第1篇：量子化學(xué)和量子力學(xué)的關(guān)系范文

摘要：本文針對大學(xué)化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，從四個(gè)方面探討了量子化學(xué)計(jì)算軟件在大學(xué)化學(xué)教學(xué)的應(yīng)用實(shí)例。運(yùn)用形象直觀的量子化學(xué)軟件，結(jié)合多媒體教學(xué)手段，將枯燥、深?yuàn)W、抽象的化學(xué)知識和概念以一種形象、生動(dòng)、直觀、立體的形式呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生建立形象思維，使學(xué)生進(jìn)入一種喜聞樂見、生動(dòng)活潑的學(xué)習(xí)氛圍，從而開拓學(xué)生思路，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。結(jié)果表明，該方法對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣具有顯著的促進(jìn)作用，取得了良好的教學(xué)效果，同時(shí)也豐富了大學(xué)化學(xué)課程的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：量子化學(xué)；密度泛函理論；計(jì)算化學(xué)；Gaussian 09

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）50-0176-04

傳統(tǒng)的化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，它的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了幾千年的時(shí)間。發(fā)展至今，化學(xué)科學(xué)已經(jīng)成為了包含有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)、分析化學(xué)、實(shí)驗(yàn)化學(xué)、理論化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、精細(xì)化學(xué)、材料化學(xué)等眾多子學(xué)科的中心學(xué)科。在大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)理論的教學(xué)中，涉及很多抽象的化學(xué)知識和概念，比如原子、分子及晶體結(jié)構(gòu)等，無法通過肉眼進(jìn)行直接觀測，而且微觀結(jié)構(gòu)難以用宏觀模型進(jìn)行科學(xué)的描述。傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難滿足學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的需求，這就需要引入新型的先進(jìn)教學(xué)方法和手段。上個(gè)世紀(jì)20年代開始形成了一門新的化學(xué)子學(xué)科――量子化學(xué)。量子化學(xué)是用量子力學(xué)原理研究原子、分子和晶體的電子層結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵理論、分子間作用力、化學(xué)反應(yīng)理論、各種光譜、波譜和電子能譜的理論，以及無機(jī)和有機(jī)化合物、生物大分子和各種功能材料的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的科學(xué)[1]。理論與計(jì)算化學(xué)能滲透到化學(xué)領(lǐng)域的很多方面，與其他學(xué)科交叉，并形成了很多分支學(xué)科，例如：物理化學(xué)方面，我們可以通過量子化學(xué)方法計(jì)算分子的熱力學(xué)性質(zhì)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、光譜性質(zhì)、固體的化學(xué)成鍵性質(zhì)等，從而形成了量子電化學(xué)、量子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等子學(xué)科；在有機(jī)化學(xué)方面，可以通過量子化學(xué)計(jì)算預(yù)測異構(gòu)體的相對穩(wěn)定性、反應(yīng)中間體性質(zhì)、反應(yīng)機(jī)理與譜學(xué)性質(zhì)（NMR，ESR…）等，因而衍生了量子有機(jī)化學(xué)；在分析化學(xué)方面，可以借助于計(jì)算化學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)光譜的解析等；無機(jī)化學(xué)方面，可以進(jìn)行過渡金屬化合物的成鍵性質(zhì)的解析等，并形成了量子無機(jī)化學(xué)；在生物化學(xué)領(lǐng)域中，也可以通過理論計(jì)算研究生物分子活性中心結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)環(huán)境效應(yīng)、酶與底物相互作用等，并逐漸產(chǎn)生了量子生物化學(xué)。隨著計(jì)算量子化學(xué)方法與計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，本世紀(jì)有望在復(fù)雜體系的精確量子化學(xué)計(jì)算研究方面取得較大進(jìn)展，從而更好地從微觀角度去理解和預(yù)測宏觀化學(xué)現(xiàn)象。本文通過四個(gè)教學(xué)實(shí)例，運(yùn)用形象直觀的量子化學(xué)軟件，結(jié)合多媒體教學(xué)手段，將枯燥、深?yuàn)W、抽象的化學(xué)知識和概念以一種形象、生動(dòng)、直觀、立體的形式呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生建立形象思維，使學(xué)生進(jìn)入一種喜聞樂見、生動(dòng)活潑的學(xué)習(xí)氛圍，從而開拓學(xué)生思路，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。結(jié)果表明，該方法對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣具有顯著的促進(jìn)作用，取得了良好的教學(xué)效果，同時(shí)也豐富了大學(xué)化學(xué)課程的教學(xué)方法。

一、常用量子化學(xué)軟件Gaussian/GaussView簡介

Gaussian軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系統(tǒng)中運(yùn)行，是在半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算中使用最為廣泛的計(jì)算化學(xué)軟件之一。該軟件可以計(jì)算分子的能量和結(jié)構(gòu)、鍵和反應(yīng)能量、分子軌道、原子電荷和電勢、振動(dòng)頻率、紅外和拉曼光譜、核磁性質(zhì)、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)路徑等。該軟件的量子化學(xué)計(jì)算可以對體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行，可以預(yù)測周期體系的能量，結(jié)構(gòu)和分子道。因此，Gaussian可以作為功能強(qiáng)大的工具，用于研究許多化學(xué)領(lǐng)域的課題，例如取代基的影響、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、勢能曲面和激發(fā)能等等，因此我們可以從微觀角度去理解和預(yù)測很多宏觀的化學(xué)性質(zhì)及現(xiàn)象。Gaussian計(jì)算軟件經(jīng)常與相應(yīng)的可視化軟件GaussView連用。目前Gaussian軟件的最新版本是Gaussian 09[2]。

二、量子化學(xué)理論及軟件在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

1.分子穩(wěn)定性預(yù)測。1，3-丁二烯分子中的碳-碳單鍵能夠自由旋轉(zhuǎn)，因而理論上可以形成順式和反式異構(gòu)體。那么兩種異構(gòu)體的熱力學(xué)穩(wěn)定性如何？我們可以通過理論計(jì)算給出合理的預(yù)測。運(yùn)用密度泛函理論（density functional theory，DFT），在B3LYP/6-31G*水平，我們分別優(yōu)化了順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的幾何結(jié)構(gòu)，并做了頻率分析。頻率計(jì)算無虛頻，說明所得到的順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯均為最小點(diǎn)。圖1給出了B3LYP/6-31G*優(yōu)化得到的順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的幾何結(jié)構(gòu)和相對應(yīng)的分子的能量。理論計(jì)算結(jié)果表明，相對于順式1，3丁二烯的能量，反式1，3-丁二烯的能量大約低3.55 kcal/mol，所以反式1，3丁二烯的熱力學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)，這就解釋了為什么實(shí)驗(yàn)上沒有發(fā)現(xiàn)順式-1，3丁二烯構(gòu)象的存在。

2.分子的紅外吸收光譜和振動(dòng)模式。將一束不同波長的紅外射線照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的獨(dú)有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。紅外光譜法的工作原理是由于振動(dòng)能級不同，化學(xué)鍵具有不同的頻率。因此，通過理論上的頻率計(jì)算，就可以相應(yīng)地得到分子的紅外吸收光譜，并可以與實(shí)驗(yàn)得到的紅外光譜進(jìn)行比較。以最常見的H2O為例，基于水分子穩(wěn)定點(diǎn)，通過DFT理論，在B3LYP/6-31G*水平計(jì)算了H2O分子的頻率，并得到了相應(yīng)的紅外光譜圖。如圖2所示，在計(jì)算的水分子的紅外光譜圖中，一共有三個(gè)吸收峰，理論值與實(shí)驗(yàn)值（括號內(nèi)的數(shù)值）是一致的。并且按照波數(shù)從小到大，分別對應(yīng)H2O分子中O-H鍵的三種振動(dòng)模式，分別是剪式振動(dòng)，對稱性伸縮振動(dòng)，非對稱的伸縮振動(dòng)模式。通過理論計(jì)算和圖形界面的動(dòng)畫演示，有利于加強(qiáng)學(xué)生對紅外光譜的理解。

3.苯的前線分子軌道。分子軌道理論是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容之一。分子軌道理論是指當(dāng)原子組合成分子時(shí)，原來專屬于某個(gè)原子的電子將在整個(gè)分子范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，其軌道也不再是原來的原子軌道，而成為整個(gè)分子所共有的分子軌道。關(guān)于分子軌道的概念非常抽象，單純從理論和數(shù)學(xué)的角度學(xué)生難以理解[3，4]。如果能夠結(jié)合量子化學(xué)軟件將分子軌道圖形化，有助于學(xué)生深入理解該理論。以苯分子的分子軌道計(jì)算為例，簡單說明量子化學(xué)在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。苯分子中有6個(gè)碳原子，6個(gè)π電子。這6個(gè)π電子雜化成6個(gè)π型分子軌道，其中三個(gè)成鍵軌道三個(gè)反鍵軌道。圖3是通過Gaussian 09軟件，在B3LYP/6-31G*水平計(jì)算得到苯分子的所有π型軌道，并通過GaussView可視化軟件，將這6個(gè)π軌道顯示出來。從圖3中可以看出，這6個(gè)π型分子軌道的節(jié)面數(shù)分別是0，1，2或3。這6個(gè)π型軌道共有四個(gè)能級，節(jié)面為1和2的分子軌道，分別有兩個(gè)簡并能級。

4.溶劑化顯色效應(yīng)的模擬及其機(jī)理解釋。溶劑分子能引起溶質(zhì)吸收帶的位置，強(qiáng)度，甚至譜線形狀的變化[5]。這種現(xiàn)象稱為溶劑化顯色現(xiàn)象。在從微觀結(jié)構(gòu)研究溶劑對噻吩類化合物結(jié)構(gòu)及性能影響方面，理論計(jì)算起著越來越重要的作用。圖4（a）展示了含時(shí)密度泛函（TD-DFT）方法計(jì)算得到的齊聚噻吩的吸收光譜圖，譜線按Lorentzian線形展開，從氣相到強(qiáng)極性的水溶液，聚噻吩的吸收光譜發(fā)生了紅移現(xiàn)象，與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。根據(jù)Frank-Condon原理，垂直激發(fā)通常伴隨著電荷的重新分布，因此激發(fā)過程可能會(huì)導(dǎo)致溶質(zhì)偶極矩和能量發(fā)生變化?；诖?，我們采用完全活性空間自洽場方法（complete active space self-consistent field）CASSCF（12，10）/6-31G*方法分別計(jì)算了二噻吩氣相與溶液中基態(tài)和第一單重激發(fā)態(tài)的能量。如圖4（b）所示，隨著溶劑極性的增加，基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量均隨著溶劑極性增加而降低，但是激發(fā)態(tài)的能量降低的比基態(tài)的能量降低的要多一些，從而從本質(zhì)上解釋了噻吩吸收光譜發(fā)生紅移的原因[6]。

運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算軟件Gaussian 09和可視化軟件GaussView，結(jié)合多媒體技術(shù)，將大學(xué)化學(xué)教學(xué)中抽象難懂的化學(xué)知識以一種形象、直觀、易于理解的形式呈現(xiàn)出來，有利于學(xué)生更加深入形象地理解化學(xué)知識，還能提高學(xué)習(xí)效率，對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣具有顯著的促M(fèi)作用，取得了良好的教學(xué)效果，同時(shí)也豐富了大學(xué)化學(xué)課程教學(xué)的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]Lewars，E. Computational Chemistry-Introduction to the Theory and Applications of Molecular and Quantum Mechanics，Kluwer Acadamic Publishers：New York，Boston，Dordrecht，London，Moscow，2004：1-5.

[2]Frisch，M. J. et al.，Gaussian 09，Revision A. 02，Gaussian，Inc.，Wallingford，CT，2009.

[3]李延偉，姚金環(huán)，楊建文，申玉芬，鄒正光.量子化學(xué)計(jì)算軟件在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（5）.

[4]劉楊先.量子化學(xué)Gaussian軟件在“燃燒學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].課程教材改革，2012，（19）：41-42.

第2篇：量子化學(xué)和量子力學(xué)的關(guān)系范文

關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)化學(xué)；教學(xué)效果；探索與實(shí)踐

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）16-0256-02

0 引言

結(jié)構(gòu)化學(xué)作為普通高?；瘜W(xué)專業(yè)的重要基礎(chǔ)理論專業(yè)課，此課程是以量子力學(xué)和現(xiàn)代分析測試儀器為理論和技術(shù)基礎(chǔ)，研究原子、分子以及晶體的微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系的一門學(xué)科，這門課的核心內(nèi)容包含兩部分內(nèi)容-電子結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，前者研究描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù)，后者主要是分子和晶體在空間的排布情況；一條主線為結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)[1-3]。量子化學(xué)是結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論基礎(chǔ)，它有固有的不可避免的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，還有很多復(fù)雜抽象的哲學(xué)概念，因此很多學(xué)生感到難學(xué)，容易喪失結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。所以，本文針對課程特點(diǎn)，在總結(jié)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，探索教學(xué)方法，提高學(xué)生積極性，提高課堂教學(xué)效果。

1 教學(xué)與學(xué)科發(fā)展史相結(jié)合

量子力學(xué)雖然是結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)，但并不是主要內(nèi)容，在課程上只是用量子力學(xué)引出對結(jié)構(gòu)化學(xué)非常重要的新概念，例如原子軌道、分子軌道、能級等，從微觀世界解釋或預(yù)言化學(xué)問題，但根本不會(huì)把課程深入到量子力學(xué)的叢林中。所以在課程開篇時(shí)讓學(xué)生了解量子力學(xué)發(fā)展史上一些事件，接受量子概念，理解化學(xué)問題，從而學(xué)到科學(xué)方法論。

例如在課程開篇前介紹課程大致框架，介紹結(jié)構(gòu)化學(xué)發(fā)展史與諾貝爾獎(jiǎng)，通過諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的簡介讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化學(xué)發(fā)展史，從而吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在介紹19世紀(jì)末經(jīng)典力學(xué)時(shí)，引入開爾文在新年獻(xiàn)詞中的話-物理學(xué)上空飄著兩朵烏云：Michelson-Morley實(shí)驗(yàn)和黑體輻射，吸引學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。在后期教學(xué)中，向?qū)W生介紹德布羅意：他大學(xué)學(xué)習(xí)歷史畢業(yè)后受哥哥影響對物理發(fā)生興趣，一戰(zhàn)后隨朗之萬攻讀博士，在博士論文里面提出的理論揭示了光子和物質(zhì)粒子之間的對稱性，并得到了愛因斯坦的肯定，在1929年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。通過德布羅意的簡介告訴學(xué)生興趣是最好的老師，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)也是如此，從而克服學(xué)生畏難情緒。

另外，在教學(xué)中根據(jù)學(xué)科發(fā)展，適時(shí)增加教材中沒有的學(xué)科前沿?zé)狳c(diǎn)和動(dòng)態(tài)，學(xué)生反饋意見表明，通過教學(xué)與學(xué)科發(fā)展史相結(jié)合、課堂與學(xué)科前沿相結(jié)合的講授方式，使學(xué)生學(xué)到基礎(chǔ)知識同時(shí)，又能知道課程知識與科研之間的聯(lián)系， 激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣和從事科研的熱情。

2 課堂教學(xué)注重準(zhǔn)確性和條理性

由于結(jié)構(gòu)化學(xué)的課程特點(diǎn)，教師講授過程中如果稍有疏忽，容易導(dǎo)致學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣下降。所以，在授課過程中不能照本宣科，不能照著PPT課件念，必須對于基本概念基本理論要有準(zhǔn)確的描述和解釋，不能模棱兩可。很多的數(shù)理推導(dǎo)貫穿于結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中，但是對于這些推導(dǎo)過程并不要求學(xué)生掌握，但是教師也不能避而不談，必須講清楚詳細(xì)的推導(dǎo)過程，讓學(xué)生知道來龍去脈，從而學(xué)生才能更好的掌握和理解這些結(jié)論。例如在講解單電子原子的Schr dinger方程及其解這一節(jié)時(shí)，先給學(xué)生簡單介紹氫原子體系薛定諤方程的處理，在變數(shù)分離以后得到三個(gè)方程，從而根據(jù)方程的邊界條件引入三個(gè)量子數(shù)，讓學(xué)生明白根據(jù)三個(gè)方程分別得到的是哪些量子數(shù)，這樣學(xué)生對量子數(shù)就有了清晰的認(rèn)識，再結(jié)合無機(jī)化學(xué)課程里面的知識，對下一節(jié)量子數(shù)的物理意義就有了很好的認(rèn)識。

3 理論聯(lián)系實(shí)際，注重能力培養(yǎng)

結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系是結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的一條主線，雖然本課程理論性很強(qiáng)，但是還是有實(shí)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)的支撐。在課本第四章分子的對稱性理論課結(jié)束后增加1-2周的模型實(shí)習(xí)，給出第四章課本出現(xiàn)的分子的球棍模型，讓學(xué)生了解其對稱性，讓后將分子拆開后再組裝起來，通過這種練習(xí)加深學(xué)生對分子對稱性的理解。另外，基于學(xué)校的科研平臺，讓學(xué)生參與教師的科研課題中來，在儀器的使用實(shí)驗(yàn)過程中，將所學(xué)知識用到實(shí)際操作中，學(xué)會(huì)處理數(shù)據(jù)，將所學(xué)知識應(yīng)用到實(shí)踐中，加深對課程知識的理解，加深學(xué)生科研能力。實(shí)踐表明，化學(xué)專業(yè)部分學(xué)生通過這個(gè)過程提高了動(dòng)手能力，在研究生面試實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)以及中學(xué)教學(xué)中都取得了很好的效果，部分研究生總體面試成績還是名列前茅。

4 充分利用多媒體教學(xué)手段輔助教學(xué)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，各個(gè)學(xué)校均使用了多媒體教學(xué)?？梢园汛罅恐R點(diǎn)列于幻燈片中，通過教師講解框架結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生充分理解課程知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，加深對知識的掌握。結(jié)構(gòu)化學(xué)是在微觀層面研究原子、分子以及晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。傳統(tǒng)教學(xué)沒有直觀演示，學(xué)生會(huì)剛拿到枯燥無味，難以理解結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)系。因此在教學(xué)中我們用Chemwindow6.0，Origin 7.5，F(xiàn)lash等軟件制作原子軌道線性組合成分子軌道動(dòng)態(tài)圖、分子的三維空間結(jié)構(gòu)圖，晶體結(jié)構(gòu)圖，使得抽象變得具體，更直觀更清晰地展示出分子的三維空間結(jié)構(gòu)圖，讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)獲得大量知識，從而提高了教學(xué)效率。

5 課程教學(xué)與練習(xí)同步

在課程教學(xué)前，教師可以提前制作結(jié)構(gòu)化學(xué)題庫，題庫內(nèi)容應(yīng)每章節(jié)的知識點(diǎn)，主要題型為選擇題、判斷題、填空題、問答題和計(jì)算題。在每一章教學(xué)中和結(jié)束后，始終貫穿著練習(xí)，隨時(shí)把握學(xué)生掌握情況，及時(shí)解決學(xué)生出現(xiàn)問題?？己藢W(xué)生掌握情況可以包括課堂提問和發(fā)問，課后作業(yè)以及每章從題庫抽取的練習(xí)題測試等多種形式，在教與學(xué)中把“過程”和“終結(jié)”有機(jī)結(jié)合起來，例如在講授完量子數(shù)意義后，引入一道化學(xué)奧賽題：假如某星球的元素量子數(shù)服從下面限制：n為正整數(shù)；l=0、1、2……；m=±l；ms=+1/2，那么在這個(gè)星球上，前4個(gè)惰性元素的原子序數(shù)各是多少？在解這樣的題中讓學(xué)生學(xué)會(huì)活學(xué)活用?？傊捎靡饘W(xué)生注意、提供學(xué)習(xí)的指導(dǎo)、后期反饋等一系列環(huán)節(jié)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣提高，學(xué)習(xí)效果有很大的改善。

6 小結(jié)

在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中，通過以上幾種方法的有機(jī)結(jié)合，學(xué)生教學(xué)評價(jià)最多的是學(xué)習(xí)主動(dòng)性顯著提高，興趣有很大提高，課堂氣氛活躍。學(xué)生自己獲取和應(yīng)用知識、解決課程問題能力有了很大的提高，學(xué)生也不再感覺“結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)如登天”、“結(jié)構(gòu)不再是噩夢”。

參考文獻(xiàn)：

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第3篇：量子化學(xué)和量子力學(xué)的關(guān)系范文

結(jié)構(gòu)化學(xué)是用現(xiàn)代物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和量子力學(xué)原理，在原子―分子水平上研究物質(zhì)分子構(gòu)型與組成的相互關(guān)系及其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的一門科學(xué)。由于這門課數(shù)理推導(dǎo)多、概念抽象，好多學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)都有畏難情緒，學(xué)習(xí)此課程的自信心不足。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步，將計(jì)算機(jī)軟件用于輔助結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)日益受到老師們的重視。美國劍橋軟件公司研制的Chem 3D Ultra11.0是當(dāng)前結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中常用的編輯軟件。Chem 3D Ultra11.0軟件可編輯各類十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化學(xué)中的結(jié)構(gòu)式、檢查分子結(jié)構(gòu)的合理性以及立體化學(xué)的空間表達(dá)，還可以精確表達(dá)有機(jī)物分子中指定官能團(tuán)部分的多種光譜，并且還能繪制DNA的分子螺旋結(jié)構(gòu)，預(yù)測分子的某些常見分子軌道。Gaussian是化學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算中使用最廣泛的量子化學(xué)軟件。Gaussian可用于研究分子能量和結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵和反應(yīng)能量、過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、原子電荷和電勢、紅外和拉曼光譜、分子軌道、極化率和超極化率、振動(dòng)頻率、核磁性質(zhì)、反應(yīng)路徑、熱力學(xué)性質(zhì)等，是研究取代反應(yīng)、反應(yīng)機(jī)理、勢能面和激發(fā)態(tài)能量的有力工具。Gaussian View是專門為Gaussian用戶開發(fā)的，幫助建立輸入文件和查看輸出結(jié)果而設(shè)計(jì)的圖形用戶界面程序。

一 Chem 3D Ultra在前線分子軌道理論教學(xué)中的應(yīng)用

前線分子軌道理論是日本理論化學(xué)家福井謙一成名的理論，這一理論將分子中的單電子波函數(shù)根據(jù)能量細(xì)分為不同能級的分子軌道，該理論認(rèn)為有電子排布的、能量最高的分子軌道（即最高占據(jù)軌道HOMO）和沒有被電子占據(jù)的、能量最低的分子軌道（即最低未占軌道LUMO）是決定一個(gè)體系發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵。在以往的結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)過程中，分子軌道主要由教師手繪，非常費(fèi)時(shí)也不嚴(yán)謹(jǐn)。Chem 3D Ultra11.0經(jīng)過計(jì)算模擬后可顯示全部分子軌道圖像，在教學(xué)中非常明了直觀。例如，在Chem 3D中首先可以方便地繪出乙烯分子的結(jié)構(gòu)圖，從結(jié)構(gòu)圖中很容易看出乙烯分子的6個(gè)原子處在同一平面上，屬于D2h分子點(diǎn)群。通過[Calculations]計(jì)算完以后，我們就可以通過[Surfaces]顯示如圖1的前線分子軌道圖，其中HOMO是p成鍵軌道，LUMO是p反鍵軌道。用Chem 3D軟件顯示出的分子軌道，學(xué)生很容易理解。用同樣的方法我們也可以方便地得到其他分子的軌道圖。

二 Gaussian View在分子光譜教學(xué)中的應(yīng)用

分子的紅外光譜起源于分子的振動(dòng)基態(tài) 與振動(dòng)激發(fā)態(tài) 之間的躍遷。只有在躍遷的過程中有偶極矩變化

的躍遷，即 不為零的振動(dòng)才會(huì)出現(xiàn)紅外光譜，

這稱為紅外活性。在振動(dòng)過程中，偶極矩改變大者，其紅外吸收就強(qiáng)；偶極矩不改變者，就不出現(xiàn)紅外吸收，為非紅外活性。用Gaussian程序，在B3LYP/6-311++g（2d，2p）水平上優(yōu)化得到H2O的最小能量結(jié)構(gòu)，并且

* 榆林學(xué)院精品課程項(xiàng)目（編號：JP1302）、榆林學(xué)院發(fā)展專項(xiàng)資助項(xiàng)目（編號：HGY2015-3）

做FREQ頻率分析，然后用Gaussian View程序顯示，可得圖3，即H2O的紅外振動(dòng)光譜圖。為了顯示H2O的3種紅外振動(dòng)模式的動(dòng)畫形式，首先用Gaussian View打開H2O的out文件，然后點(diǎn)擊[Results][Vibrations][Start]，即可顯示動(dòng)畫形式。從動(dòng)畫、圖2及圖3可以看出，對稱伸縮偶極矩變化不大，所以它的振動(dòng)強(qiáng)度（Intensity）就非常小，其他兩個(gè)振動(dòng)，振動(dòng)強(qiáng)度比較大。非常直觀明了，學(xué)生通過看動(dòng)畫很容易理解深?yuàn)W的理論。

三 鍵級的計(jì)算

在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中，我們常常通過對分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析來解釋或預(yù)測化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)，這也是結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要應(yīng)用之一。比如在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中求解得到的電荷密度、鍵級、自由價(jià)和分子圖等概念可以用來解釋分子的活性位置、說明化學(xué)反應(yīng)的過程和機(jī)理，也可以用來解釋分子的動(dòng)力學(xué)行為等。但如果我們要得到自由價(jià)、電荷密度和鍵級的值，首先要利用休克爾分子軌道理論法求解不飽和分子的薛定鄂方程，然后根據(jù)課本上的公式進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)過程非常復(fù)雜，也比較繁瑣，一般在課堂上由于時(shí)間較短很難做到。而Gaussian提供了簡易的計(jì)算程序，只要在優(yōu)化好的分子上并加上關(guān)鍵詞iop（6/80=1）即可得到分子的Mayer鍵級。如圖4，就是在B3lyp/6

-311G*水平上優(yōu)化好分子后得到的1，3-丁二烯的Mayer鍵級，從圖中可以看出，C1和C2及C3和C4之間的鍵級較大，而C2和C3之間的鍵級較小，從而可以解釋為什么1，3-丁二烯的加成反應(yīng)發(fā)生在1，4位而不是2，3位；C1和C2的鍵長小于C2和C3的鍵長，等等。

第4篇：量子化學(xué)和量子力學(xué)的關(guān)系范文

關(guān)鍵詞：學(xué)科交叉；理論優(yōu)位；實(shí)踐轉(zhuǎn)向；默會(huì)；介入

        一、學(xué)科交叉現(xiàn)有理解的科學(xué)哲學(xué)背景

        一個(gè)學(xué)科的理論是另一學(xué)科的理論基礎(chǔ)；兩個(gè)學(xué)科的理論可以結(jié)合而發(fā)展出新的理論。我們通常在理論角度理解學(xué)科交叉。例如，量子化學(xué)是以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)應(yīng)用于對化學(xué)過程的解釋。

        我們在實(shí)驗(yàn)、儀器、技術(shù)等角度也看到過學(xué)科交叉。x射線衍射方法對dna結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)有極為關(guān)鍵的作用。但通常理解這是生物學(xué)研究中應(yīng)用了物理學(xué)的結(jié)果。這種理解背后暗含的還是學(xué)科理論間的結(jié)合。

        我們還往往通過回溯去理解學(xué)科交叉。當(dāng)科學(xué)成果出現(xiàn)后，回顧科學(xué)史發(fā)現(xiàn)有學(xué)科交叉的重要作用。這樣，我們在科研過程中難以意識到存在哪些交叉的可能，限制了我們有意創(chuàng)造機(jī)會(huì)各異的學(xué)科交叉。

        我們對學(xué)科交叉的這些理解有它的科學(xué)哲學(xué)背景。從邏輯實(shí)證主義出現(xiàn)，無論批判理性主義還是范式（paradigm）理論等等，所有傳統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)都采取了理論優(yōu)位的觀點(diǎn)。ssk強(qiáng)綱領(lǐng)以種種社會(huì)利益因素解釋科學(xué)活動(dòng)[1]的社會(huì)學(xué)研究進(jìn)路雖然對前述科學(xué)哲學(xué)形成強(qiáng)烈沖擊，但它只是將科學(xué)理論以自然為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨鐣?huì)為根源，并未改變理論優(yōu)位的立場。

        只關(guān)注科學(xué)的理論形態(tài)是理論優(yōu)位的傳統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)和ssk的一個(gè)共同特點(diǎn)。除此之外，它們都試圖在理論上為科學(xué)尋找普適性的所謂合理性與方法論，而忽略科學(xué)研究的具體過程和歷史軌跡。由此又可以得出傳統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)和ssk的另一個(gè)特點(diǎn)：忽視對科學(xué)研究過程做科學(xué)哲學(xué)上的研究。

        理論優(yōu)位的科學(xué)哲學(xué)忽視了對科學(xué)研究過程的研究，也就看不到科學(xué)研究中儀器、技術(shù)、實(shí)驗(yàn)、研究者、財(cái)力、政治等等諸多因素的相互牽制與促動(dòng)，也不認(rèn)為科學(xué)是自然、理論、儀器、解釋等諸多方面巧妙組合出的“自我辯護(hù)（self-vindication）”[2]。古?。╠. gooding）感言“主流科學(xué)哲學(xué)……沒有一次涉及實(shí)驗(yàn)過程（experimentation）”[3]。

        科學(xué)哲學(xué)體現(xiàn)的是科學(xué)觀。我們從理論角度對學(xué)科交叉的理解來自理論優(yōu)位的科學(xué)哲學(xué)背景。對這一狀況的扭轉(zhuǎn)需要我們進(jìn)入科學(xué)哲學(xué)的實(shí)踐視野。

        二、 一些科學(xué)實(shí)踐哲學(xué)觀點(diǎn)

        隨著科學(xué)哲學(xué)的實(shí)踐轉(zhuǎn)向，一些頗有見地的觀點(diǎn)出現(xiàn)。

        哈金（i. hacking）認(rèn)為科學(xué)是人介入（intervening）其中的過程[4]，科學(xué)是儀器、解釋、自然、理論等等“彼此培育”出的“自我辯護(hù)”[2]。皮克林（a. pickering）認(rèn)為科學(xué)是各種異質(zhì)要素沖撞（mangle）的筑模過程（modelling）[5]。古?。╠. gooding）將“觀察的精細(xì)結(jié)構(gòu)中手、眼與腦的相互結(jié)合”[3]總結(jié)為實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的兩個(gè)特征之一。勞斯（j. rouse）認(rèn)為“范式首先不是獲得認(rèn)同的理論立場，而是……獲得和應(yīng)用一種技能”[6]?！翱茖W(xué)研究……根植于對專門構(gòu)建的地方性情景（典型的是實(shí)驗(yàn)室）的技能性把握”[6]。伽利森（p. galison）認(rèn)為科學(xué)存在儀器、理論、實(shí)驗(yàn)等亞文化，這些傳統(tǒng)不是同時(shí)轉(zhuǎn)換而是相互交叉與重疊[7]。其中一個(gè)傳統(tǒng)（例如理論傳統(tǒng)）出現(xiàn)斷裂并不影響其它傳統(tǒng)的連續(xù)。

        科學(xué)是處于不同社會(huì)領(lǐng)域的眾多參與者共同活動(dòng)的綜合結(jié)果，邊界對象（boundary objects）[8]和標(biāo)準(zhǔn)化整合（standardized packages）[9]揭示了科學(xué)研究的這一特點(diǎn)?！斑吔鐚ο筇幱趲讉€(gè)不同的社會(huì)領(lǐng)域的交界面上……邊界對象的可塑性足夠適合采用它們的幾個(gè)不同團(tuán)體的地域需要與限制……還足以充分維持著一種跨越不同場所的公共認(rèn)同性”[8]?？伤苄砸馕吨煌鐣?huì)領(lǐng)域、不同團(tuán)體在不同場景中研究同一個(gè)被稱作邊界對象的東西，在不同場景中對邊界對象雖有不同理解，但它適合于各個(gè)場景。標(biāo)準(zhǔn)化整合則是由科學(xué)理論和被標(biāo)準(zhǔn)化了的技術(shù)組成，由于它們被不同社會(huì)領(lǐng)域成員的共同采用才建構(gòu)出科學(xué)。

        上述這些觀點(diǎn)都體現(xiàn)出對科學(xué)研究過程的關(guān)注。它們不是單純把科學(xué)看作知識體系，而是把科學(xué)看成一個(gè)實(shí)踐過程。它們不是把科學(xué)看作理論的轉(zhuǎn)換與延續(xù)，而是不同文化傳統(tǒng)的融合與演進(jìn)。它們認(rèn)為科學(xué)已經(jīng)沒有嚴(yán)格的“內(nèi)”“外”之分和學(xué)科界限。它們看到的是科學(xué)活動(dòng)過程中各種異質(zhì)要素的相互沖撞與耦合；看到的是研究者的技能和人介入到不同的研究情景（context）之中；看到的是理論、儀器、技術(shù)、實(shí)驗(yàn)、相應(yīng)解釋、社會(huì)利益、文化傳統(tǒng)等各個(gè)方面的相互牽動(dòng)?？茖W(xué)的這些異質(zhì)性和相應(yīng)的復(fù)雜性，為我們展示出學(xué)科交叉的多樣性與豐富性。

        三、科學(xué)實(shí)踐哲學(xué)對學(xué)科交叉的新理解

        （一）多種可能的學(xué)科交叉

        科學(xué)研究是各種異質(zhì)要素的沖撞過程。

這些異質(zhì)要素來自儀器、實(shí)驗(yàn)、技術(shù)、理論、假設(shè)、社會(huì)利益、文化傳統(tǒng)、觀念、自然、物質(zhì)條件、人的技能等諸多方面。這樣，學(xué)科交叉就不是一種可能，而是在各種異質(zhì)要素的牽動(dòng)中出現(xiàn)多種可能的交叉。伽利森的亞文化傳統(tǒng)相互重疊本身也意味著不同文化傳統(tǒng)之間存在的交叉。邊界對象和標(biāo)準(zhǔn)化整合本身就是不同研究領(lǐng)域間的交叉帶?？茖W(xué)實(shí)踐哲學(xué)凸顯了我們以前沒有直接揭示的學(xué)科交叉新形式。

       在不同于理論優(yōu)位的實(shí)踐視野中，儀器、方法、實(shí)驗(yàn)、技術(shù)、背景理論、研究指向、解釋性理論等等之間可以存在交叉。例如同一學(xué)科中在它所關(guān)注的同一研究問題上可能涉及不同的技術(shù)，從而形成不同的交叉。同是粒子物理中探測中微子，采用電子學(xué)探測器時(shí)涉及到電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)。同樣問題上，對探測器中的水進(jìn)行純化或從四氯化碳液體中提取出中微子的反應(yīng)產(chǎn)物，利用的是化學(xué)工程的提純技術(shù)。這兩種方式都涉及技術(shù)因素，都形成技術(shù)與研究指向之間的交叉，但顯然是不同的交叉形式。

        學(xué)科交叉也可以出現(xiàn)在不同亞文化之間。例如粒子物理探測中曾有圖像和邏輯兩種亞文化傳統(tǒng)[7]，現(xiàn)在的粒子物理探測器多是大型譜儀。大型譜儀既獲得邏輯信號（即數(shù)字信號）也獲得圖像信號，這些信息由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)重建。數(shù)據(jù)重建時(shí)，對采集的圖像信號也經(jīng)過計(jì)算機(jī)的邏輯電路進(jìn)行處理，對采集的數(shù)字信號（即邏輯信號）也可以生成可見圖像。邏輯傳統(tǒng)與圖像傳統(tǒng)交叉于同一套儀器的同一次探測過程中，并且這種交叉是必須進(jìn)行的，否則我們無法獲得對粒子事件的探測和理解。

        （二）科學(xué)活動(dòng)中人的介入與學(xué)科交叉

        科學(xué)實(shí)踐哲學(xué)的獨(dú)到視點(diǎn)是看到了科學(xué)研究中研究者的技能（craft knowledge）和默會(huì)（tacit knowledge）。這樣，研究者把一個(gè)學(xué)科中習(xí)得的默會(huì)、技能帶入了另一學(xué)科中也可以形成學(xué)科交叉?？茖W(xué)哲學(xué)實(shí)踐視野還看到了傳統(tǒng)的融合。這都使我們對學(xué)科交叉有了新的理解。如何進(jìn)行文化傳統(tǒng)的融合，如何在新的領(lǐng)域運(yùn)用研究者的默會(huì)與技能，在這些方面的適當(dāng)把握可以促成新的交叉。

        為解決色散對短周期脈沖星觀測的制約，赫爾斯（r. a. hulse）發(fā)展了消色散算法[10]。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須運(yùn)用自己的默會(huì)與技能判斷觀測結(jié)果。對消色散算法的運(yùn)用又發(fā)展了他的技能。他憑借這種技能，通過觀測數(shù)據(jù)判斷發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星，這一判斷又需要把電子學(xué)信號處理傳統(tǒng)與天體力學(xué)數(shù)據(jù)處理傳統(tǒng)相融合。在此基礎(chǔ)上，他又運(yùn)用射電手段檢驗(yàn)引力波。這是在射電觀測的新情景中應(yīng)用已有的傳統(tǒng)和技能。他因發(fā)現(xiàn)脈沖雙星并檢驗(yàn)引力波而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，必有這些交叉的貢獻(xiàn)。

        （三）邊界對象和標(biāo)準(zhǔn)化整合帶來的新思考

        邊界對象和標(biāo)準(zhǔn)化整合都是由不同社會(huì)領(lǐng)域的不同學(xué)科所共同關(guān)注并建構(gòu)而成的。邊界對象使得對它有興趣的不同領(lǐng)域間相互招募，標(biāo)準(zhǔn)化整合則是不同研究領(lǐng)域共同構(gòu)筑和認(rèn)可的一致標(biāo)準(zhǔn)。

        由于不同領(lǐng)域?qū)λ鼈兊墓餐d趣，使得我們既要考慮學(xué)科交叉的可能，也要考慮交叉的結(jié)果?？紤]可能意味著其它相關(guān)學(xué)科也會(huì)關(guān)注同樣的問題，只是方法、側(cè)重點(diǎn)、利益不同而已?？紤]結(jié)果意味著該研究問題對其它學(xué)科的可接納性，因?yàn)檫@關(guān)系到能否形成標(biāo)準(zhǔn)化整合而使研究結(jié)果得到共識。這種新特點(diǎn)與理論優(yōu)位看待學(xué)科交叉非常不同，應(yīng)當(dāng)引出對學(xué)科交叉與以往不同的自覺性。

        各種各樣的學(xué)科交叉就存在于豐富而復(fù)雜的科學(xué)研究過程中，關(guān)鍵是我們能否意識到它們，是否獲得了在各種可能的方式上學(xué)科交叉的自覺。 

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