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第1章 量子力学基础2

1.1 从经典力学到早期量子论2

1.1.1 黑体辐射与能量量子化2

1.1.2 光电效应与光量子化4

1.1.3 原子光谱与轨道角动量量子化5

1.2 量子力学的建立8

1.2.1 实物粒子的波粒二象性8

1.2.2 Schr？dinger方程10

1.2.3 波函数的概率解释12

1.2.4 不确定原理13

1.2.5 量子力学公设16

1.3 阱中粒子的量子特征25

1.3.1 一维无限深势阱中的粒子25

1.3.2 三维无限深势阱中的粒子29

1.4 隧道效应31

习题32

参考文献36

第2章 原子结构38

2.1 单电子原子的Schr？dinger方程及其解38

2.1.1 单电子原子Schr？dinger方程的建立38

2.1.2 坐标变换与变量分离39

2.1.3 方程的求解：原子轨道与能级41

2.1.4 virial定理与零点能46

2.2 原子轨道和电子云的图形表示48

2.2.1 作图对象与作图方法：三元函数的降维48

2.2.2 轨道和电子云的径向部分与角度部分的对画图50

2.2.3 轨道和电子云的等值面图与界面图：函数参数化55

2.2.4 轨道和电子云的网格图：坐标参数化59

2.2.5 电子云黑点图60

2.2.6 原子轨道的宇称60

2.3 量子数与可测物理量62

2.3.1 算符与可测物理量62

2.3.2 角动量的空间量子化65

2.4 多电子原子的结构67

2.4.1 多电子原子Schr？dinger方程的近似求解67

2.4.2 构造原理与Slater行列式70

2.5 原子结构参数73

2.5.1 电离能73

2.5.2 电子亲和势74

2.5.3 电负性75

2.5.4 化学硬度76

2.6 原子光谱项77

2.6.1 组态与状态77

2.6.2 L-S矢量耦合模型78

2.6.3 原子光谱项和光谱支项的求法79

2.6.4 基谱项的确定：Hund规则83

2.6.5 跃迁选律85

2.6.6 Zeeman效应89

习题90

参考文献94

第3章 双原子分子结构与化学键理论94

3.1 分子轨道理论97

3.1.1 H2+的Schr？dinger方程与B．O．近似98

3.1.2 变分原理及其证明98

3.1.3 H2+的Schr？dinger方程的变分求解101

3.1.4 共价键的本质107

3.1.5 分子轨道理论要点112

3.1.6 分子轨道的类型115

3.1.7 双原子分子的价层轨道与电子组态118

3.2 价键理论127

3.2.1 H2的Schr？dinger方程的变分求解127

3.2.2 电子配对法的量子力学基础129

3.2.3 原子轨道的杂化130

3.3 MO理论与VB理论的比较135

3.4 双原子分子的光谱项137

3.4.1 分子谱项及支项137

3.4.2 非等价组态的谱项139

3.4.3 等价组态的谱项139

3.4.4 混合组态的谱项140

3.4.5 分子谱项的宇称和反映对称性140

习题142

参考文献146

第4章 分子对称性与群论初步148

4.1 对称性概念148

4.2 分子的对称操作与对称元素151

4.2.1 旋转与旋转轴152

4.2.2 反映与镜面153

4.2.3 反演与对称中心153

4.2.4 旋转反映与映轴（旋转反演与反轴）154

4.3 分子点群155

4.3.1 单轴群156

4.3.2 双面群160

4.3.3 高阶群165

4.3.4 无旋转轴群172

4.3.5 确定分子点群的流程图174

4.4 分子对称性与偶极矩、旋光性的关系174

4.4.1 分子对称性与偶极矩175

4.4.2 分子对称性与旋光性176

4.5 群的表示与应用初步183

4.5.1 群的概念184

4.5.2 相似变换与共轭类184

4.5.3 群的表示与特征标184

4.5.4 群论在化学中的应用实例190

习题196

参考文献201

第5章 多原子分子的结构与性质203

5.1 非金属单质的结构化学：8-N法则203

5.2 非共轭分子几何构型与VSEPR规则207

5.3 分子几何构型与Walsh规则209

5.4 共轭分子与SHMO法214

5.4.1 丁二烯离域大π键的SHMO处理214

5.4.2 简并轨道的求解与等贡献规则217

5.4.3 单环和直链共轭体系本征值的图解法220

5.4.4 分子图：π电子密度、π键级、自由价220

5.4.5 共轭效应223

5.4.6 共轭分子在现代科技中的应用225

5.4.7 超共轭效应227

5.5 饱和分子的正则轨道与定域轨道228

5.6 缺电子分子的结构233

5.6.1 缺电子原子化合物的三种类型233

5.6.2 硼烷中的多中心键234

5.6.3 金属烷基化合物中的多中心键239

5.7 等瓣类似性关系240

5.7.1 等瓣类似性概念240

5.7.2 八面体构型金属-配体碎片与有机碎片的等瓣类似性241

5.7.3 其他构型的金属-配体碎片与有机碎片的等瓣类似性245

5.7.4 各种配位的分子碎片的等瓣类似关系小结247

5.7.5 等瓣类似性原理的应用实例248

5.8 多原子分子的谱项249

5.8.1 电子组态与分子谱项249

5.8.2 荧光与磷光252

5.9 配位场理论256

5.9.1 晶体场理论256

5.9.2 配位场理论260

5.9.3 T-S图与电子光谱263

5.10 分子轨道对称性守恒原理264

5.10.1 前线轨道理论264

5.10.2 相关图理论269

习题278

参考文献284

第6章 超分子化学简介286

6.1 超分子的概念286

6.2 分子间相互作用287

6.2.1 van der Waals作用288

6.2.2 氢键289

6.2.3 π-π堆积作用295

6.2.4 疏水效应296

6.3 分子识别与自组装296

6.3.1 分子识别296

6.3.2 自组装297

6.3.3 模板效应298

6.4 超分子实例299

6.4.1 具有分形结构的树状大分子299

6.4.2 杯芳烃／球碳配合物301

6.4.3 球碳的超分子302

6.4.4 卟啉类分子组装的人工天线系统303

6.4.5 轮烷、索烃和纽结303

6.4.6 超分子多面体和“分子胶囊”305

6.4.7 超分子“架、梯、格、楼”306

6.5 晶体工程307

习题308

参考文献310

第7章 晶体的点阵结构与X射线衍射法310

7.1 晶体的性质与结构特征312

7.2 现代科技中的晶体材料315

7.3 晶体结构的周期性和点阵319

7.3.1 结构基元与点阵319

7.3.2 点阵单位和晶格333

7.3.3 平移群336

7.3.4 晶胞338

7.4 晶体结构的对称性340

7.4.1 晶体的对称操作和对称元素341

7.4.2 32种晶体学点群351

7.4.3 7种晶系和6种晶族355

7.4.4 14种空间点阵型式360

7.4.5 点阵点、直线点阵、平面点阵的指标366

7.4.6 空间群370

7.4.7 晶体对称性各种概念的相互关系378

7.5 X射线衍射法379

7.5.1 晶体对X射线的相干散射379

7.5.2 衍射方向与晶胞参数381

7.5.3 衍射强度与晶胞中原子的分布385

7.5.4 多晶粉末衍射389

7.6 实际晶体中的缺陷396

7.6.1 固有点缺陷397

7.6.2 杂质点缺陷397

习题398

参考文献402

第8章 金属晶体与离子晶体的结构402

8.1 金属单质的晶体结构405

8.1.1 等径圆球最密堆积：A1,A3型结构405

8.1.2 最密堆积结构中的空隙类型411

8.1.3 非最密堆积结构414

8.1.4 空间利用率415

8.1.5 金属原子半径418

8.2 合金的结构419

8.2.1 金属固溶体419

8.2.2 金属化合物420

8.2.3 间隙化合物与间隙固溶体423

8.3 离子晶体的结构和性质424

8.3.1 离子键和晶格能424

8.3.2 离子半径429

8.3.3 离子半径比与配位数的关系430

8.3.4 离子堆积与晶体结构434

8.3.5 二元离子晶体的结晶化学规律443

8.3.6 多元离子晶体的结晶化学规律：Pauling规则443

8.3.7 硅酸盐的结构简介446

8.3.8 钙钛矿型结构451

8.3.9 离子极化效应452

8.3.10 结晶化学定律与键型变异原理454

8.4 固体能带理论简介455

8.4.1 近自由电子近似模型455

8.4.2 紧束缚近似模型459

习题466

参考文献471

第9章 新型功能材料的结构简介473

9.1 液晶473

9.1.1 液晶的结构特点与分类473

9.1.2 液晶的应用475

9.2 非晶态材料476

9.2.1 非晶态固体及其结构特征476

9.2.2 非晶态合金477

9.2.3 非晶态半导体477

9.3 准晶态材料481

9.4 高温超导材料486

9.5 新型合金材料488

9.5.1 储氢合金488

9.5.2 形状记忆合金490

9.6 纳米材料491

9.6.1 纳米材料491

9.6.2 纳米材料的基本物理效应493

9.6.3 球碳493

9.6.4 碳纳米管497

9.6.5 氮化硼纳米管501

9.6.6 单层石墨502

9.6.7 扫描探针显微技术503

9.6.8 纳米材料在信息技术方面的应用506

9.7 光子晶体508

9.8 左手材料510

9.9 仿生材料511

习题514

参考文献516

第10章 结构分析原理519

10.1 分子中的量子化能级519

10.2 分子光谱520

10.2.1 转动光谱521

10.2.2 振动光谱526

10.2.3 电子光谱540

10.3 核磁共振谱544

10.3.1 核自旋磁矩的量子化与核磁能级544

10.3.2 核磁共振546

10.3.3 化学位移547

10.3.4 自旋耦合与自旋分裂550

10.3.5 一级谱的简单规律性552

10.4 电子自旋共振谱554

10.4.1 电子自旋磁矩的量子化与自旋磁能级554

10.4.2 电子自旋共振（顺磁共振）556

10.4.3 自旋-轨道耦合557

10.4.4 超精细结构557

10.4.5 ESR谱的应用560

10.5 光电子能谱561

10.5.1 基本原理562

10.5.2 仪器565

10.5.3 紫外光电子能谱566

10.5.4 X射线光电子能谱568

10.5.5 Auger能谱569

习题571

参考文献577

第11章 计算化学简介580

11.1 量子化学计算基本原理580

11.1.1 从头计算方法580

11.1.2 本征方程的矩阵表述与厄米方阵对角化581

11.1.3 HFR方程583

11.1.4 计算方法585

11.1.5 基组587

11.2 三种基本的任务类型：SP、OPT、FREQ589

11.2.1 Gaussian程序简介589

11.2.2 分子几何构型的输入590

11.2.3 分子势能面上的驻点596

11.2.4 单点能量计算597

11.2.5 分子几何构型优化605

11.2.6 频率分析609

11.3 Gaussian在科学研究中的应用614

11.3.1 电子给体-电子受体之间的相互作用614

11.3.2 双自由基损耗臭氧的机理研究615

11.3.3 高精度能量模型：G2方法616

11.3.4 IRC与反应途径617

11.3.5 NMR化学位移的计算618

11.3.6 溶液中的分子618

11.3.7 分子间相互作用的计算618

11.3.8 洋葱算法619

11.4 HyperChem程序应用简介619

11.4.1 概述619

11.4.2 分子模型的构建620

11.4.3 分子几何构型的优化621

11.4.4 单点能计算622

11.4.5 红外光谱的计算623

11.4.6 电子光谱的计算625

11.4.7 分子势能曲线的计算627

11.4.8 生物大分子的构建628

11.5 一些常用计算程序简介629

11.5.1 材料模拟软件Materials Studio629

11.5.2 纳米器件模拟软件ATK631

11.5.3 计算机辅助药物设计软件Sybyl631

习题632

参考文献635

第12章 结构信息与QSAR638

12.1 结构与物性数据的采掘638

12.1.1 QSAR中常用的结构参数及理论计算639

12.1.2 Internet上的结构化学信息资源642

12.2 2D-QSAR647

12.2.1 多元线性回归647

12.2.2 模式识别方法648

12.2.3 人工神经网络655

12.2.4 支持向量机简介659

12.3 3D-QSAR:CoMFA和CoMSIA659

12.4 3D以上的QSAR简介663

习题664

参考文献667

附录A669

附录B 习题参考答案选681