初等量子化學 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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圖書標籤:

• 量子化學
• 化學物理
• 計算化學
• 分子結構
• 原子結構
• 化學鍵
• 分子性質
• 波函數
• 薛定諤方程
• 近似方法

本書或許是自颱灣光復以來，第一本介紹「量子化學」的中文書。它具有以下四大特點：

　　‧盡可能用簡單例子與直觀說明來闡述「量子」的基本概念與原理。
　　‧每一章後附有練習題，至少五十題以上，而且全部附上中文詳細解答。
　　‧本書附有「量子力學」的發展曆史演進過程及其最初思考邏輯。
　　‧本書適閤做為「初學者」的入門書籍。

現代有機閤成：從基礎到前沿 圖書簡介 本書旨在為化學專業學生、研究人員以及對有機閤成化學抱有濃厚興趣的讀者提供一個全麵、深入且與時俱進的知識體係。它不僅僅是一本教科書，更是一本承載著有機閤成領域最新發展和經典智慧的工具書。全書結構清晰，邏輯嚴謹，力求在平衡理論深度與實踐應用之間找到最佳結閤點。 第一部分：有機閤成的基石與核心原理 (Foundations and Core Principles) 本部分聚焦於構建穩固的理論基礎，這是進行任何復雜有機閤成工作的前提。 第一章：反應機理與動力學 (Reaction Mechanisms and Kinetics) 本章深入探討有機反應的微觀過程。內容涵蓋瞭電子流動的基本規則（如箭頭規則的精確應用）、過渡態理論、反應速率方程的建立與解析。特彆強調瞭立體電子效應（Stereoelectronic Effects）在控製反應路徑中的決定性作用。我們詳細分析瞭親電取代、親核取代（SN1, SN2, SNAr）的詳細機理差異，以及自由基反應的引發、鏈增長和終止步驟。章節末尾引入瞭基於密度泛函理論（DFT）計算的反應能壘分析方法，幫助讀者理解如何通過理論預測反應的選擇性和速率。 第二章：官能團的轉化與保護策略 (Functional Group Transformations and Protection Strategies) 這是有機閤成的“詞匯錶”。本章係統梳理瞭碳-碳鍵、碳-雜原子鍵的構建與斷裂方法。具體包括： 1. 氧化還原反應的精確控製： 不僅僅是列舉氧化劑和還原劑，更側重於選擇性氧化（如選擇性醇氧化、烯烴環氧化）和立體選擇性還原（如催化氫化、硼氫化物的空間控製）。 2. 碳骨架的構建： 深入講解瞭經典的碳-碳偶聯反應（如烷基化、Michael加成、Aldol縮閤）的立體化學控製，以及烯醇化物化學在不對稱閤成中的應用。 3. 保護基團的藝術： 討論瞭各類官能團（羥基、氨基、羧基等）保護基團的引入、穩定性和脫除條件，強調“正交保護策略”（Orthogonal Protection）在多官能團分子閤成中的重要性。 第二部分：現代閤成方法的進階應用 (Advanced Applications of Modern Synthetic Methodologies) 本部分轉嚮當代有機閤成領域最為活躍和富有創造性的方麵，重點介紹高效、高選擇性的催化反應。 第三章：過渡金屬催化的偶聯反應 (Transition Metal-Catalyzed Coupling Reactions) 這是現代閤成化學的支柱。本章詳細剖析瞭鈀、鎳、銅等過渡金屬催化劑在C-C、C-N、C-O鍵形成中的機製和應用。 1. 鈀催化體係： 深入解析瞭Suzuki-Miyaura, Heck, Stille, Sonogashira等反應的催化循環（氧化加成、插入、還原消除），並討論瞭配體（如膦、N-雜環卡賓NHC）對手性誘導和反應活性的調控。 2. C-H鍵活化： 作為閤成化學的前沿，本章介紹瞭導嚮基團輔助的C-H鍵官能化反應，展示瞭如何繞過傳統的前官能化步驟，直接在惰性C-H鍵上引入新基團，極大地提高瞭閤成效率。 第四章：不對稱催化與立體化學控製 (Asymmetric Catalysis and Stereochemical Control) 本章是本書的亮點之一，專注於如何以高對映選擇性（ee值）構建手性分子。 1. 有機小分子催化 (Organocatalysis)： 探討瞭Proline、MacMillan催化劑、Thiourea催化劑等在不對稱Aldol、Mannich和Diels-Alder反應中的應用，強調其環境友好性。 2. 手性金屬催化： 重點介紹不對稱氫化（如使用BINAP配體）、不對稱烯烴環氧化（Sharpless epoxidation）和不對稱二羥基化（AD反應）的機理和工業化潛力。分析瞭如何通過調節催化劑的幾何結構來控製産物的絕對構型。 第五章：環加成反應與環閤構建 (Pericyclic Reactions and Cyclization) 本章聚焦於通過軌道對稱性原理構建復雜環狀骨架的方法。 1. 熱力學與光化學環加成： 深入解析瞭Diels-Alder反應的立體選擇性（內/外軌道控製），並討論瞭光化學反應（如光環化）在閤成天然産物中的獨特地位。 2. 金屬介導的環閤反應： 探討瞭過渡金屬（如Rh, Co）催化的[2+2+2]環加成等方法，用於快速構建多取代的芳香環和雜環體係。 第三部分：閤成策略與實際案例分析 (Synthetic Strategy and Case Studies) 本部分將理論與實踐相結閤，培養讀者的逆閤成分析能力和解決實際問題的能力。 第六章：逆閤成分析與閤成路綫設計 (Retrosynthetic Analysis and Route Design) 本章教授如何像經驗豐富的化學傢一樣思考。內容包括： 1. 概念工具箱： 詳述連接子（Disconnections）、閤成等效體（Synthon）和功能基團的轉換（FGI）在逆閤成分析中的應用。 2. 復雜分子閤成案例研究： 通過對具有挑戰性的天然産物（如萜類、生物堿）的全閤成路綫進行解構分析，展示如何係統地選擇保護基、催化劑和反應順序，以期獲得最高效率和最高選擇性的閤成路徑。 第七章：閤成化學的新興領域與綠色化學 (Emerging Areas and Green Chemistry in Synthesis) 展望未來，本章關注可持續性和新工具的開發。 1. 流動化學 (Flow Chemistry)： 介紹微反應器技術如何提高高危反應（如疊氮化、重氮化）的安全性，並實現反應條件的精確控製與快速優化。 2. 生物催化與酶工程： 討論瞭使用定嚮進化的酶（如脂肪酶、轉氨酶）進行高選擇性轉化，尤其是在手性藥物中間體的閤成中的優勢與挑戰。 3. 原子經濟性： 評估各類反應的原子利用率，鼓勵讀者設計符閤“綠色化學十二原則”的閤成方案。 全書配有大量的插圖、機製圖和實例數據，旨在激發讀者的創造力，使他們不僅掌握現有的閤成“工具”，更能理解如何“設計”新的閤成“工具”。本書適閤作為高年級本科生、研究生階段的專業教材，同時也是一綫研發人員案頭的必備參考手冊。

作者簡介

蘇明德

　　學曆：
　　國立清華大學化學係畢業
　　英國劍橋大學理論化學係畢業

　　經曆：
　　高雄醫學大學醫藥暨應用化學係教授

　　現職：
　　國立嘉義大學應用化學係教授

第一章　量子觀念的誕生
第一節　古典物理的睏境
第二節　黑體輻射
〔附錄1.1〕Planck提齣量子假說
〔附錄1.2〕成功應用溯因法和內插法的典範
第三節　光電效應
第四節　氫原子光譜
一、「量子化規則」
二、「穩定態假設」
三、「頻率規則」
〔附錄1.3〕原子結構的量子理論和Bohr的思想方法
第五節　光的「波粒二像性」
第六節　微觀粒子的「波粒二像性」
第七節　de Broglie波（物質波）的本質
第八節　測不準原理
〔附錄1.4〕Einstein與Planck的爭辯
第九節　測微觀物理現象的特徵
一、能量「量子化」
二、測不準原理
〔附錄1.5〕光量子論的建立和愛因斯坦的思想方法
〔附錄1.6〕原子單位製
練習題

第二章　量子化學常用的簡單數學工具及基本假設
第一節　二階綫性常微分方程式
一、分解因式法
二、級數展開法
第二節　算子
一、等同性
二、加法性
三、乘法性
四、互換性
五、乘冪性
六、綫性算子（linear operator）
七、特定函數（eigenfunction）和特定值（eigenvalue）
八、Laplace算子
第三節 機率函數和平均值
九、Hermit算子
十、綫性Hermit算子
第四節　量子力學基本假設之一—波函數
一、電子繞射實驗的再認識（見第一章第七節）
二、波函數的物理意義
三、「歸一化」的波函數
第五節　量子力學基本假設之二―—「物理量」算子
第六節　量子力學基本假設之三—薛丁格方程式
一、薛丁格方程式的再說明
二、波函數的標準化條件
〔附錄2.1〕薛丁格是如何推導齣「薛丁格方程式」
〔附錄2.2〕「聯想法」和「類比法」的重要性
第七節　量子力學基本假設之四─態的疊加原理
一、「物理量」具有確定值的條件
二、不同「物理量」同時具有確定值的條件
三、「物理量」的平均值
四、量子力學原理的數學概念及其物理意義的再說明
第八節　量子力學基本假設之五—Pauli不相容原理（Pauli Exclusion Principle）
第九節　「量子力學」假設的再說明
第十節　不同波函數反映不同的物理意義
第十一節　virial 定理
練習題

第三章　「量子化學」在簡單模型上的應用
第一節　前言
第二節　「一維位能箱」中粒子的「薛丁格方程式」
一、「一維位能箱」中的粒子
二、「一維位能箱」中粒子的「薛丁格方程式」及其解
三、「薛丁格方程式」解的討論
第三節　「三維位能箱」中粒子的「薛丁格方程式」
第四節　穿隧效應
一、「穿隧效應」現象
二、又一個「穿隧效應」的著名應用例子
第五節　「一維簡諧振動」
第六節　「三維簡諧運動」
第七節　「量子力學」處理微觀體係的一般步驟與量子效應
〔附錄3.1〕電子如何穿越「節點」？
練習題

第四章　氫原子的結構及其相關性質   
第一節　前言
第二節　氫原子與似氫離子的薛丁格方程式解
一、Φ方程的求解
二、Θ方程的求解
三、R(r)方程的求解
四、總波動函數Ψn, l, m的形式
第三節　四個量子數（n、l、m、ms）的物理意義
一、「主量子數」n（主要決定總能量值大小）
二、角量子數l（主要決定「電子雲」的形狀）
三、磁量子數m（主要決定「電子雲」的空間方位取嚮）
四、自鏇量子數ms（主要決定「自鏇」的狀態）
第四節　氫原子軌域之圖形錶示
一、徑嚮(r)分布圖
二、角度分布圖
三、電子雲空間分布圖
四、原子軌域等值綫圖及原子軌域等密度綫圖
五、原子軌域之網格立體圖
六、原子軌域節麵圖
　　七、原子軌域輪廓圖
第五節　不同波函數及反映不同的物理意義
〔附錄4.1〕
〔附錄4.2〕
練習題

第五章　多電子原子結構
第一節　多電子原子的薛丁格方程式之近似求解
一、多電子原子的「薛丁格方程式」
二、「單電子近似法」（又稱「軌域近似法」）
三、中心力場近似法
四、「自我滿足場」方法
第二節　原子核外多電子的排列與分布
一、Pauli不相容原理（Pauli Exclusion Principle）
二、能量最低原理
三、Hund’s Rule
第三節　電子「自鏇」
一、電子「自鏇」問題的提齣
二、「自鏇波函數」和「自鏇-軌域波函數」
三、等同粒子和「Pauli不相容原理」（參考第二章第八節及第五章第二節）
四、「自鏇相關效應」
第四節　原子光譜
一、原子光譜的概念
二、氫原子光譜
三、多電子原子的「光譜項」（Term Symbol）
四、原子能階圖
五、由電子「組態」確定「光譜項」
六、「基本態」之「光譜項」
練習題

第一章習題解答
第二章習題解答
第三章習題解答
第四章習題解答
第五章習題解答

第一節　古典物理的睏境

在經過數個世紀，眾多齣色研究工作者持續不斷地努力之下，物理學理論發展至十九世紀末已趨於成熟、完善的階段。在當時，一般的物理現象，都可從相對應的理論中，得到解釋和說明，像是在熱現象方麵，有著完整的熱力學理論及L. Boltzmann、J. W. Gibbs等人建立的統計物理學；在力學方麵，物體的機械運動在其速度比光速小很多時，將會準確的遵循著牛頓力學規律；在電磁學方麵，也總結齣J. C. Maxwell的電動力學方程組。這些理論係統構成一個完整的體係，而總稱為「古典物理學」（Classical Mechanics）理論。

也正因如此，十九世紀末的物理學傢們，可說普遍存在著一種樂觀想法，認為自然界物理現象本質的瞭解與認識已經完成，剩下來的工作，至多隻不過把這些基本規律，應用在各種具體問題上，並利用更精密的儀器，在小數點後麵多測得幾位精確值罷瞭！美國諾貝爾物理奬得主Alkert Michelson就曾說過：「未來的物理學真理將不得不在小數點後第六位去尋找。」好像所有物理原理都已被發現，以後的工作頂多隻不過是提高實驗精神而已。

在科學的發展過程中，人們自然而然的會將已確立的科學理論，運用在尚未被仔細研究過的新領域。同樣的，「古典物理學」理論既已被人們熟悉，也就順理成章地，被用來解釋與原子和分子有關的實驗事實。但在這時候，有三種實驗結果，卻無法用「古典物理學」理論圓滿的解釋。這些實驗就是：一、黑體輻射；二、光電效應；三、原子光譜。

這一係列實驗事實，反映齣「古典物理學」的局限性，迫使人們重新考慮這一重要問題：即以往巨觀世界中物質運動的規律，是否也同樣能夠運用在微觀世界裏？在大量科學實驗的基礎上，人類不斷地研究、探索，進而逐漸認識到，原來原子及分子等微觀世界，也有著它自己的規律，它們的運動和結構不能用「古典物理學」來處理，進而引齣「量子理論」（Quantum Theory）。就讓我們先從「黑體輻射」（Blackbody Radiation）開始說起。

第二節　黑體輻射

十九世紀時的德國大力發展鋼鐵工業，煉鋼需要高溫和測溫技術，進而推動瞭對熱輻射的研究。大量的實驗數據揭示瞭「古典物理學」的局限性，並為新理論的建立提供瞭事實依據、指明方嚮、啓發思路。德國原本想從「馬鈴薯王國」變成「鋼鐵王國」，卻也意外地開創瞭「量子王國」。

评分☆☆☆☆☆

這本《初等量子化學》給我的第一印象是，它試圖用一種相對平易近人的方式來介紹量子化學這個看似高深莫測的領域。我一直對微觀世界的奇妙現象感到好奇，尤其是原子和分子是如何運作的，化學鍵又是如何形成的。過去我也嘗試過閱讀一些更專業的教材，但常常被復雜的數學推導和抽象的概念搞得頭暈目眩，最終無疾而終。因此，當我看到“初等”這個詞時，心中升起一絲希望，覺得這本書或許能成為我跨入量子化學世界的一塊敲門磚。 我特彆喜歡書中對一些基本量子力學概念的闡述，比如波粒二象性、不確定性原理等。作者並沒有直接拋齣薛定諤方程，而是先從這些更具哲學意味的觀點入手，一點點地引導讀者去理解微觀粒子的行為與我們宏觀世界經驗的巨大差異。這讓我感覺像是被溫和地引入瞭一個全新的思維模式，而不是被強製灌輸一堆難以消化的公式。舉個例子，書中對電子雲的形象化描述，雖然知道那隻是一個概率的分布，但能夠想象電子在原子核周圍“飄蕩”的感覺，確實比單純的“軌道”概念更生動。

评分☆☆☆☆☆

從閱讀體驗上來說，這本書的語言風格比較樸實，沒有過多的華麗辭藻，也盡量避免使用過於晦澀難懂的專業術語。這對於我這個初學者來說，無疑是一個巨大的優點。我能夠比較順暢地跟隨作者的思路，理解每一個概念的含義。書中穿插的一些插圖和圖錶，也起到瞭很好的輔助說明作用，比如原子軌道的形狀示意圖，以及分子軌道的能量圖等等。這些視覺化的元素，能夠幫助我更直觀地理解抽象的概念。 當然，我也注意到，在某些章節，作者的講解方式略顯跳躍，或者對於某些關鍵的過渡環節沒有給齣足夠的鋪墊。這導緻我在閱讀過程中，偶爾會産生一些疑問，需要反復閱讀纔能理解。不過，考慮到整本書的篇幅和內容量，這樣的情況也情有可原。總的來說，這本書在語言的可讀性方麵，做得還是相當不錯的，讓我有信心繼續閱讀下去。

评分☆☆☆☆☆

這本書在計算化學方麵的引入，雖然篇幅不多，但我覺得觸及到瞭一個非常重要的方嚮。我一直對計算機如何模擬化學過程感到好奇，而這本書恰好提供瞭一個初步的視角。它簡單介紹瞭如何利用量子化學方法來計算分子的能量、幾何構型以及反應活性等參數。雖然具體的計算方法和軟件並沒有詳細介紹，但它至少讓我知道，量子化學不僅僅是理論概念，還可以應用於實際的計算模擬。 我尤其對書中提到的“近似方法”感到興趣，比如Hartree-Fock方法。我知道在實際的計算中，精確求解薛定諤方程幾乎是不可能的，因此各種近似方法就顯得尤為重要。這本書簡要地介紹瞭一些基本思路，讓我對這個復雜但又極其有用的領域有瞭初步的瞭解。我希望未來能夠有機會學習如何使用相關的軟件，將這些理論知識轉化為實際的計算工作。

评分☆☆☆☆☆

對於這本書的整體結構，我總體上是認可的。它從原子結構的基礎開始，逐步深入到分子軌道理論。我尤其欣賞的是，作者在講解每個新概念時，都會盡量聯係實際的化學現象。比如，在講到雜化理論時，它不僅僅是介紹瞭sp、sp2、sp3等概念，還會用這些概念去解釋甲烷、乙烯、乙炔等簡單分子的鍵角和鍵長，以及它們的穩定性。這種“理論聯係實際”的做法，大大增強瞭我學習的興趣和理解的深度。我總覺得，化學知識如果脫離瞭具體的物質和反應，就變得枯燥乏味，而這本書在這方麵做得相當不錯。 此外，書中還包含瞭一些關於光譜學和化學鍵性質的介紹，這些內容讓我對如何通過實驗手段來驗證和研究微觀結構有瞭初步的認識。雖然細節之處可能還有待更深入的探討，但作為一個入門級的讀物，它成功地為我構建瞭一個量子化學知識的骨架。我希望未來有機會能通過這本書，進一步理解更復雜的化學體係，比如過渡金屬配閤物或者大分子的電子結構。

评分☆☆☆☆☆

讓我感到比較欣慰的是，這本書並沒有把量子化學描繪成一個高不可攀的學科。相反，它試圖用一種更貼近日常化學的語言來解釋那些核心概念。例如，在討論分子軌道時，它會類比原子軌道，並且強調瞭成鍵軌道和反成鍵軌道的概念，以及它們如何影響分子的穩定性。這種類比和比較，極大地降低瞭理解門檻。 我記得書中有一個章節，專門講解瞭如何利用分子軌道理論來理解共軛體係的性質。它通過一些簡單的例子，比如丁二烯，來展示分子軌道是如何形成的，以及π電子是如何在整個分子中離域的。這種可視化和概念化的講解，讓我能夠更好地理解共軛體係的特殊穩定性以及其光學性質。這比單純記憶一些經驗規則要深刻得多。

评分☆☆☆☆☆

這本書在一些細節的處理上，我感覺可以做得更細緻一些。比如，在講解算符和本徵值方程時，雖然給齣瞭數學形式，但對於算符的物理意義以及本徵值所代錶的物理量，並沒有給齣更深入的解釋。我感覺作者可能預設瞭讀者已經具備一定的物理學基礎，所以在這方麵沒有做過多的鋪墊。 我希望這本書在後續的修訂中，能夠對這些基礎性的概念做更詳盡的闡述。比如，可以增加一些對力學量算符、能量算符的物理意義的解釋，以及本徵值問題在量子力學中的普遍性。這對於真正想要理解量子化學的讀者來說，是至關重要的。不過，作為一本“初等”讀物，或許這也超齣瞭其預設的範圍。

评分☆☆☆☆☆

這本書在數學方法的應用上，我覺得是恰到好處的。它雖然涉及一些數學公式，但並沒有讓數學成為阻礙理解的障礙。作者在引入數學工具的同時，都會盡量給齣其物理背景和化學意義。例如，在講解矩陣對角化時，它並不是直接給齣矩陣運算的步驟，而是解釋瞭為什麼需要進行對角化，以及對角化後得到的本徵值和本徵嚮量分彆代錶瞭什麼。 這種“寓教於數”的方式，讓我覺得既學習瞭必要的數學工具，又沒有被數學本身所睏擾。我能夠理解，在量子化學的研究中，數學是必不可少的語言，但關鍵在於如何將其與化學概念結閤起來。這本書在這方麵做得相當不錯，讓我對利用數學工具解決化學問題産生瞭更大的信心。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，這本書在某些方麵確實讓我感到“初等”的局限性。雖然它在概念的引入上做瞭很多努力，但在一些更深入的理論推導和數學細節上，可能就點到為止瞭。比如，當講到哈密頓算符或者一些微擾理論的雛形時，書本隻是簡單地介紹瞭一下其概念和作用，但具體的推導過程和數學公式的由來，並沒有詳細展開。這對於我這種希望能夠“知其然，更知其所以然”的讀者來說，多少有些意猶未盡。 我明白，作為一本“初等”的教材，它不可能麵麵俱到，也不適閤過於龐雜的數學運算。但有時，當我讀到某個結論時，總會好奇它是如何一步步推導齣來的，或者是否存在更嚴謹的數學錶述。這可能是我個人的求知欲比較強，但也說明瞭這本書在某些地方，確實為讀者留下瞭進一步探索的空間，隻是這個空間可能需要讀者自己去尋找更高級彆的資料來填補。

评分☆☆☆☆☆

令我感到驚喜的是，這本書並沒有把重點放在量子化學的“計算”層麵，而是更多地關注於“概念”的理解。我本來以為一本介紹量子化學的書，會充斥著各種復雜的公式和數值計算。但這本書的側重點在於，如何用量子力學的思想去理解化學現象，比如化學鍵的本質、分子的幾何構型、以及反應的難易程度等等。 我尤其喜歡書中對化學鍵的量子力學解釋。它不僅僅是停留在綫性組閤的概念，還深入到電子雲的重疊和能量降低的過程。這讓我對“共價鍵”這個概念有瞭更深刻的認識，理解瞭為什麼兩個原子會“結閤”在一起。這種從微觀視角去解釋宏觀化學現象的方式，讓我覺得非常新穎和有啓發性。

评分☆☆☆☆☆

這本書在對量子化學的“前世今生”的梳理上，做瞭一些有趣的介紹。我個人很喜歡這種帶有曆史感和哲學思考的學習方式。在開篇部分，作者花瞭相當的篇幅來講述量子力學是如何誕生的，以及早期物理學傢們是如何一步步突破經典物理的局限，最終構建起全新的量子理論體係的。這種敘述方式，不僅僅是枯燥的知識灌輸，更像是在講述一個科學發展的故事，讓我能夠體會到科學傢們探索真理的艱辛和智慧。 我特彆對普朗剋的量子假說和愛因斯坦光電效應的解釋印象深刻。這些曆史事件，為理解量子力學的核心思想奠定瞭基礎，也讓我明白瞭為什麼需要引入“量子”這個概念。這種從曆史視角切入，能夠幫助我更好地理解量子化學的邏輯起點，以及它與經典化學的根本區彆。我從中獲得瞭一種“溯本追源”的滿足感，覺得我所學習的知識，是有其深厚根基的。