hi,小慕
量子化学
第10次开课
开课时间: 2025年02月17日 ~ 2025年06月22日
学时安排: 3-5小时每周
进行至第6周,共18周 已有 238 人参加
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课程评价(32)
spContent=《量子化学》课程基于20年的教学实践与积累,从量子力学的诞生开始,层层递进地讲解了量子力学的基本原理、简单体系的薛定谔方程的精确求解、量子力学近似方法,再到从头算Hartree-Fock以及电子相关方法等不同计算方法。本课程还包括了计算量子化学的内容,介绍了量子化学方法在预测原子和分子的结构和物理化学性质中的应用。为了提高学生阅读英文文献与专著的能力,本课程采用英文课件,用于化学、生物、材料及相关学科的研究生专业课程的教学,也可以用于化学及相关专业的高年级本科生的拓展学习,还可作为理论与计算化学研究领域学生的辅助学习资料。
《量子化学》课程基于20年的教学实践与积累,从量子力学的诞生开始,层层递进地讲解了量子力学的基本原理、简单体系的薛定谔方程的精确求解、量子力学近似方法,再到从头算Hartree-Fock以及电子相关方法等不同计算方法。本课程还包括了计算量子化学的内容,介绍了量子化学方法在预测原子和分子的结构和物理化学性质中的应用。为了提高学生阅读英文文献与专著的能力,本课程采用英文课件,用于化学、生物、材料及相关学科的研究生专业课程的教学,也可以用于化学及相关专业的高年级本科生的拓展学习,还可作为理论与计算化学研究领域学生的辅助学习资料。
—— 课程团队
课程概述

量子化学是应用量子力学来研究化学问题的学科。量子化学计算方法在化学及其相关领域的研究中发挥了至关重要的作用。使用量子化学,可以计算预测分子的性质,如几何结构、偶极矩、核磁共振谱、振动频率及其吸收与发射光谱等;预测化学反应的过渡态和中间体,并考察反应机理;研究分子间作用力和溶液等凝聚相体系的结构和性质;计算宏观体系的热力学参数(如熵和热容等)。如今,量子化学已经在化学的所有分支学科中被广泛应用。因此,学习量子化学对于在原子和分子层次理解化学现象的本质、推进化学学科的发展均有重要意义。

《量子化学》课程主要面向一年级研究生或高年级本科生,目的是为研究生或高年级本科生在原子、电子水平上理解分子结构和性质、化学反应机制打下理论基础。该课程从量子力学的概念和基础知识出发,由浅入深,逐步过渡到量子化学的基本理论及算法,以及量子化学的计算应用。课程既注重体系和知识结构的完整性,又针对重点、难点给出了较为详细的理论推导,并介绍了当前该领域的一些前沿和热点研究。

本课程共分八章,内容涵盖:量子力学的诞生及发展历史;量子力学的基本假设和原理;简单体系的精确能量和波函数;氢原子的能量和波函数;近似量子力学方法;多电子原子的结构和光谱;分子的化学键理论;计算量子化学方法和应用研究。

授课目标

通过《量子化学》课程的学习,掌握量子化学的基本概念与理论,并能精确求解势箱、简谐振子、刚性转子、氢原子等模型或简单体系的薛定谔方程;掌握变分法和微扰法这两种近似方法并能用于研究较为复杂的问题;了解量子化学计算方法如Hartree-Fock方法、多体微扰、组态相互作用方法的原理及在原子、分子体系中的应用。在课程讲授过程中,不仅传授知识、而且展现学科的发展趋势与前沿领域,进而培养学生的科学思维与创新能力。

课程大纲

Chapter 1 The Dawn of the Quantum Theory

1.1 Blackbody Radiation and Photoelectric Effect

1.2 Hydrogen Atomic Spectrum and Bohr Theory

1.3 de Broglie Wave and Heisenberg Uncertainty Principle

第一次线上答疑课

Test 1 The Dawn of the Quantum Theory

Exercise 1 The Dawn of the Quantum Theory

Chapter 2 The Postulates and General Principles of Quantum Mechanics

2.1 Wave Functions, Operators and Eigenvalues

2.2 Commutator and Hermitian Operator

2.3 Eigenfunctions of Commutative Operators

2.4 Orthonormal Set

2.5 Time-Dependent Schrödinger Equation

第二次线上答疑课

第三次线上答疑课

Exercise 2 The Postulates and General Principles of Quantum Mechanics

Test 2 The Postulates and General Principles of Quantum Mechanics

Chapter 3 Exact Energies and Wave Functions for Simple Systems

3.1 A particle in a 1-D Box

3.2 Applications and Extensions of a Particle in a Box

3.3 Rigid Rotator and Rotational Spectroscopy of Diatomic Molecules

3.4 Harmonic Oscillator

3.5 Infrared Spectrum of Diatomic Molecules

第四次线上讨论课

第五次线上讨论课

量子化学习题课+答疑

Exercise 3 Exact Energies and Wave Functions for Simple Systems

Test 3 Exact Energies and Wave Functions for Simple Systems

Chapter 4 The Hydrogen Atom

第六次线上讨论课

4.1 Schrödinger Equation for the Hydrogen Atom

4.2 s Orbitals are Spherically Symmetric

4.3 p Orbitals and the Zeeman Effect

4.4 Spin Angular Momentum and Spin-Orbit Interaction

4.5 Term Symbols of a Hydrogen Atom and Spectrum of Atomic Hydrogen in an External Magnetic Field

角动量补充

Test 4 The Hydrogen Atom

Chapter 5 Approximate Methods

5.1 Variational Method

5.2 Linear Variational Principle and Secular Determinant

5.3 Perturbation Theory and its Applications

第七次线上讨论课

Test 5 Approximate Methods

Exercise 5 Approximate Methods

Chapter 6 Many‒Electron Atoms

6.1 Atomic Units and Hamiltonian Operator of a Helium Atom

6.2 Antisymmetric Wave Functions can be Represented by Slater Determinants

6.3 The Hartree-Fock Method

6.4 Hartree‒Fock‒Roothaan Atomic Orbitals are Available On‒Line

6.5 Correlation Energy is the Difference Between Hartree‒Fock Energy and Exact Energy

6.6 Term Symbols

6.7 Atomic Spectra and Spin‒Orbital Effect

第八次线上讨论课

Test 6 Many‒Electron Atoms

Exercise 6 Many‒Electron Atoms

Chapter 7 Theory of Chemical Bonding in Molecules

7.1 Born-Oppenheimer Approximation and H2+

7.2 A Simple Molecular-Orbital Theory for H2 7.3 Hartree‒Fock‒Roothaan Equations Give the Optimum Molecular Orbitals

7.4 Molecular Orbitals for Homonuclear Diatomic Molecules 7.5 Molecular-Orbitals for Heteronuclear Diatomic Molecules

7.6 Molecular Term Symbols

7.7 Hybrid Orbitals are Useful for Understanding Molecular Shape of Polyatomic Molecules

7.8 Applications of Hartree-Fock Method to Polyatomic Molecules

7.9 Hückel MO Theory for Conjugated Hydrocarbons

7.10 Advances in Valence Bond Theory

线上讨论课

Exercise 7 Theory of Chemical Bonding in Molecules

Test 7 Theory of Chemical Bonding in Molecules

Chapter 8 Computational Quantum Chemistry

8.1 Gaussian Basis Sets

8.2 Hartree-Fock Method and its Applications

8.3 Advanced Quantum Chemistry Methods

8.4 Ab Initio Program and Applications : Software and Hardware

8.5 Ab Initio Program and Applications: Calculation of Thermochemistry Parameters

8.6 Ab Initio Program and Applications: Calculation of Potential Energy Surface and Reaction Mechanism

线上讨论课

Test 8 Computational Quantum Chemistry

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预备知识

掌握物理化学、结构化学、高等数学、线性代数的基础知识。

参考资料

Quantum Chemistry (Second Ed.) Donald A. McQuarrie University Science Books, 2008

Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory Attila Szabo; Neil S. Ostlund Dover Publications, Inc. 1996

Quantum Chemistry (Seventh Ed.) Ira N. Levine Prentice Hall, Inc. 2013

Ideas of Quantum Chemistry (Third Ed.) Piela, Lucjan Elsevier 2020

Molecular Quantum Mechanics (Third Ed.) P. W. Atkins; R. S. Friedman Oxford University Press Inc. 1997

量子化学-基本原理和从头计算法 徐光宪 黎乐民 王德民 科学出版社,2001

量子化学 唐敖庆 等 科学出版社,1982

常见问题

暂无

南京大学
3 位授课老师
黎书华

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李伟

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