量子化学研究进展及应用1103-re3
量子化学的理论研究及其应用
量子化学的理论研究及其应用随着科学技术的不断发展，化学研究也朝着更加精细和深入的方向发展。
量子化学是一种用量子力学理论和方法研究化学现象的学科，它在化学研究中具有十分重要的地位。
本文将从量子化学的理论研究及其应用两个方面进行阐述。
量子化学的理论研究量子化学的理论研究主要包括量子力学理论的应用和计算化学方法的研究。
量子力学理论的应用量子力学理论是研究物质微观特性的重要理论，它描述的不是经典物理学所研究的大块材料，而是极小的化学粒子。
量子力学理论中的波函数可以用来计算化学反应速率、键合能、分子解离等一系列与化学反应相关的性质。
其中，分子轨道理论是一种常用的理论方法。
它利用分子内部电子的波动性质，通过数学方法来模拟分子内部发生的化学反应过程。
通过分子轨道理论，我们可以计算出分子的性质并预测其反应的可能性。
离子解离动力学理论也是量子化学中的重要研究方向。
它可以用来描述大分子的解离过程，从而预测分子物质在不同条件下的反应规律。
在不同条件下，离子解离的反应难度和反应机理都不同，离子解离动力学理论可以帮助我们深入理解分子化学反应的机理和规律，并且为新材料的研究和开发提供理论依据。
计算化学方法的研究在量子化学的实际应用中，计算化学方法是进行物质计算的关键。
计算化学方法主要包括量子化学计算方法和分子动力学模拟方法。
量子化学计算方法可以帮助我们计算复杂分子的性质和反应，如能量、几何构型、振动频率和电子结构。
在物质研究领域，这项技术已被广泛应用于药物、材料和环境等领域，如计算机辅助药物设计、分析材料强度和稳定性等。
另外，在分子动力学模拟中，计算机模拟对于化学反应的预测和理解至关重要。
在分子动力学模拟中，可以建立物质的模型，进行大量实验的开销昂贵和困难的计算机模拟。
从而预测化学物质的生物活性、稳定性和特定性质。
量子化学的应用量子化学的理论研究为化学学科提供了深入研究的基础，它可以帮助研究人员深入理解化学反应的机理和规律，发现新材料的物理化学性质，并预测新合成材料的性质和用途。
量子化学的基本原理及其应用
量子化学的基本原理及其应用量子化学是研究分子和原子尺度问题的一个重要分支，广泛应用于化学、材料科学、生物医学等领域。
量子化学的基本原理源自量子力学，通过对其定律的解读以及实验验证，可以更好地理解和解释分子和原子的行为，并为相关领域的发展提供指导和支持。
量子化学的基本原理包括以下几个方面：1. 波粒二象性：量子力学是基于粒子既具有粒子性质又具有波动性质的基本原理。
在实验中，科学家们通过双缝干涉实验等方法，验证了粒子具有波动性质，并通过探测干涉条纹来观察量子颗粒的行为。
2. 不确定性原理：不确定性原理是量子力学的核心原理之一，表明不能同时准确测量粒子的位置和动量，以及能量和时间。
对于分子和原子系统，我们必须考虑到这个原理，因为它反映了微观世界的本质。
3. 量子力学的数学形式：量子化学利用数学方法描述分子和原子体系，并解决由相关方程组提出的问题。
薛定谔方程是描述量子体系的基本方程之一，它描述了粒子波函数的演化以及相关物理量的测量结果。
在实验准备阶段，进行量子化学实验需要一系列的步骤和设备：1. 实验目标和设计：确定实验的目标，例如分子结构探测、反应动力学等。
设计实验方案，选择合适的实验装置和技术。
2. 实验装置准备：根据实验设计，准备所需的实验装置，如光学仪器、光子学器件、粒子束生成器等。
确保所有设备可以正常运行，并具备所需的控制和检测能力。
3. 样品准备：根据实验要求，准备所需的样品。
这可能涉及到纯化和合成化合物，或者通过特定的技术将分子固定在表面上。
4. 测量设备校准：校准所使用的测量设备，例如光谱仪、真空计等。
在实验过程中，可以通过多种手段获取和分析数据，例如：1. 光谱测量：光谱测量是量子化学中常用的实验技术之一。
通过分析样品吸收、发射或散射的光谱信息，可以获得与分子结构、电子能级等相关的信息。
2. X射线晶体学：通过对射线经过晶体的衍射模式进行测量和分析，可以得到晶体的结构信息。
这种技术在研究分子和晶体结构方面有广泛应用。
论量子化学的应用(一)
论量子化学的应用(一)论文关键词：量子化学材料能源生物大分子论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。
量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。
目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。
本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。
一、在材料科学中的应用（一）在建筑材料方面的应用水泥是重要的建筑材料之一。
1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。
钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。
程新等1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。
计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度3]。
将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径3]。
（二）在金属及合金材料方面的应用过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。
量子化学主要研究方向及使用工具
我整理了一下大家的研究方向和主要工具，编成这个全家福。
如果其中有遗漏和错误请告诉我。
现在一共有22位同行加入这个大家庭了，新来的朋友和还没跟贴的朋友请跟贴说明。
这个全家福将会不定期增补。
(按跟贴顺序)1. gobin34, 主要研究方向：分子间弱相互作用. 工具： ADF, Turbomole, Gaussian, G amess. email: fan@chemie.uni-siegen.de2. O0O0O0O0，研究方向：激光光谱学。
计算主要集中在IIIA族单卤化物双原子分子激发态的相对论量化计算上。
现在主要用GAMESS，DALTON。
ADF，DIRAC，MOLFDIR偶尔用。
初学量化的时候，也用过盗版HyperChem和Gaussian。
本来还准备用MOLCAS或NOLPRO的，无奈老板是实验派。
3. spinsight, 研究方向：固体NMR及其在分子筛研究中的应用。
量化计算是一个辅助手段，主要想计算化学位移，以及研究分子筛的结构，催化反应机理等等。
现在主要是用Gaussian。
4. elizerbeth,主要研究方向纳米尺度上的电阻(conductance on the nanoscale system)主要用工具：Gaussian,V ASP,DFT++email:站内信箱 (注：该版斑竹及创版人)5. Chemis,主要研究领域催化反应机理，粒子-分子反应机理，金属簇；使用软件有gaussian,NWChem,ADF,Gamss等，尽力拓展。
email:chjwang@6. silali, 本人感兴趣的是含离子的分子体系，优化用GA（自造的东东），然后再GAUSS IAN一下，作些性质计算。
一直在WIN下作，目前正向LINUX平台过度。
7. Alwens,曾做过计算材料的东西，使用ADF，Gaussian，Gamess。
现主要集中于从事ab initio Molecular Dynamics，同时将来开展QM/MM的研究。
化学物理学中的量子化学研究
化学物理学中的量子化学研究量子化学是化学物理学中重要的研究领域之一。
它是利用量子力学理论和计算方法研究物质的电子结构和反应行为的学科。
在化学研究中，重要的化学反应、分子的稳定性、光谱、化学键成键关系等不同的问题，都需要量子化学的研究来解决。
量子化学的研究可分为四个方面：量子化学基础、计算化学、光谱学和化学反应动力学。
下面从这四个方面来详细介绍量子化学在化学研究中的应用。
一、量子化学基础量子化学理论是量子力学的一个重要应用领域。
通过量子化学理论，研究人员可以探究分子的电子构型、电子能级、电荷分布、化学键成键方式等。
其中，薛定谔方程是量子化学的基本方程。
薛定谔方程描述了分子中电子的波动性和粒子性。
在化学研究中，薛定谔方程常用来解释分子的化学反应发生机理。
二、计算化学量子化学中的计算化学是将物理化学问题转换为数学问题，并利用计算机进行计算的方法。
这种方法被广泛应用于化学计算、化学预测和化学设计领域。
计算化学的应用涉及到电子结构计算、气相反应动力学探索、化学键性质预测等。
这种方法不仅在实验上可以验证化学规律，还可以减少一些繁琐的实验工作。
三、光谱学光谱学是一种非常有效的手段，可以检测和探测化学物质的性质和结构。
量子化学在光谱学中的研究主要与电子结构和激发态有关。
利用量子力学的理论可以计算物质的光学响应，比如比色、磁旋光、荧光等，通过光谱学技术可以得到各种物理化学信息。
光谱学技术被广泛应用于物质分析、化学诊断以及药物质量控制等领域。
四、化学反应动力学化学反应动力学是研究化学反应过程的关键环节。
通过量子化学的计算方法，可以研究分子间相互作用力及其对化学反应动力学的影响。
例如，通过电负性分析来研究特定反应的化学键活化机制，研究反应类型、反应速率以及反应的立体化学等。
总结总之，量子化学在化学物理学领域中的应用非常广泛。
在化学中, 量子化学可以用来研究不同分子之间的相互作用、预测分子的化学性质、探索各种化学反应的机理等。
量子化学基本原理与应用
量子化学基本原理与应用
量子化学是一种基于量子力学原理的化学研究方法，它可以用来解释和预测分子的结构、反应和性质。
量子化学的基本原理是基于薛定谔方程，它描述了分子中电子的运动和相互作用。
通过求解薛定谔方程，可以得到分子的波函数，从而计算出分子的能量、电荷分布和反应动力学等信息。
量子化学的应用非常广泛，它可以用来研究分子的结构、反应机理、光谱学和材料科学等领域。
例如，在药物设计中，量子化学可以用来预测分子的活性和选择性，从而指导药物的设计和优化。
在材料科学中，量子化学可以用来研究材料的电子结构和光学性质，从而指导材料的设计和合成。
量子化学的计算方法包括从头算和半经验方法。
从头算是指从基本的物理原理出发，通过数值计算求解薛定谔方程，得到分子的波函数和能量等信息。
半经验方法则是基于实验数据和经验参数，通过简化模型来计算分子的性质。
从头算方法的精度更高，但计算量也更大，适用于小分子和简单体系的研究。
半经验方法则更适用于大分子和复杂体系的研究。
量子化学是一种非常重要的化学研究方法，它可以用来解释和预测分子的结构、反应和性质。
随着计算机技术的不断发展，量子化学的应用也越来越广泛，为化学研究和应用带来了巨大的推动力。
量子化学理论在材料科学中的应用
量子化学理论在材料科学中的应用随着材料科学的发展，越来越多的新材料被创造出来。
这些材料在化学、电子学、生物学、医学等领域中都具有重要的应用。
为了设计和合成这些材料，需要对它们的分子和原子结构进行深入的研究。
这时候，量子化学理论就发挥了重要的作用。
本文将介绍量子化学理论在材料科学中的应用。
1. 现有模型的局限在过去，材料科学家们主要使用经验公式和半经验公式来描述物质的性质。
这些公式是基于实验数据来拟合的，适用于某些特殊的化学体系。
但是，这些模型往往无法对新的材料进行有效的描述，因为这些材料的分子结构和反应机制远不同于过去的研究对象。
此外，使用经验公式和半经验公式无法获取分子和原子结构之间更深入的关系，因此无法提供足够的预测。
2. 量子化学的原理量子化学是一种通过量子力学原理来研究分子结构和反应机制的学科。
量子化学的最基本的概念是波函数。
波函数是描述一个物理系统的函数，包括能量、位置和动量等量。
波函数可以通过薛定谔方程来计算，这个方程描述了波函数随时间变化的规律，包括外部力的影响。
在实际研究中，需要根据分子的构成元素和相互作用，求解其总的波函数。
3. 量子化学在材料科学中的应用现在，越来越多的材料科学家开始使用量子化学来设计和合成新材料。
量子化学可以提供精确的结构预测和定量预测，使材料科学家们能够更好地理解和解释性能和反应机制。
例如，研究人员可以使用密度泛函理论（DFT）等工具来计算材料中的电子密度分布。
这样可以预测材料的电子结构、光学性质、热力学性质等。
DFT是一种在量子化学中应用最广泛的方法之一，可以对分子进行精确、详细的计算。
此外，量子化学还应用于新材料的催化反应研究和表面化学反应。
通过这些研究，科学家们可以预测分子发生反应的热力学和动力学性质，以及确定反应的机理。
4. 量子化学的挑战尽管量子化学在材料科学中有着广泛的应用，但是也存在着很多挑战。
这些挑战主要包括计算资源、计算量和理论框架的建立等问题。
量子力学在学术研究中的应用
量子力学在学术研究中的应用量子力学是物理学的一个重要分支，它描述了微观粒子的行为和相互作用。
自从量子力学诞生以来，它已经对许多领域产生了深远的影响，如化学、材料科学、生物科学等。
本文将介绍量子力学在学术研究中的应用，以及它所取得的重大进展。
一、量子化学量子化学是量子力学在化学领域的应用。
在传统的化学中，分子和原子的电子结构是通过经典物理学来描述的。
然而，随着人们对物质微观结构认识的深入，传统的方法已经无法准确地描述分子的行为和性质。
因此，量子化学应运而生。
量子化学利用量子力学的原理和方法，精确地描述分子的电子结构和相互作用，从而更好地理解化学反应和物质的性质。
例如，利用量子化学方法可以预测分子的稳定性、反应性、光学性质等，为药物设计、材料合成等领域提供了重要的理论支持。
二、量子材料科学量子材料科学是量子力学在材料科学领域的应用。
随着科技的发展，人们对物质微观结构的要求越来越高，而量子材料科学正是为了满足这一需求而诞生的。
量子材料科学利用量子力学的原理和方法，精确地描述材料的电子结构和磁学性质，从而更好地理解材料的性能和潜在应用。
例如，利用量子力学可以预测新型材料的光学性质、电学性质、热学性质等，为新材料的设计和开发提供了重要的理论支持。
三、量子生物科学量子生物科学是量子力学在生物学领域的应用。
随着人们对生命本质的认识不断深入，量子生物科学已经成为生物科学的一个重要分支。
量子生物科学利用量子力学的原理和方法，研究生物分子的结构和相互作用，从而更好地理解生命的本质和生物过程的机制。
例如，利用量子生物学可以研究蛋白质的结构和功能、基因调控机制等，为药物设计和治疗提供了新的思路和方法。
四、量子计算量子计算是利用量子力学原理和方法进行计算的一种新型计算模式。
与传统计算相比，量子计算具有更快的计算速度和更低的能耗，因此在密码学、人工智能、优化问题等领域具有广阔的应用前景。
近年来，随着量子计算机技术的不断发展，量子计算已经在一些领域取得了重要的突破。
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量子化学计算常用关键词SCI检索而得
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清华大学
研究方向：量子化学，计算化学，分子光谱学，分子摸拟和分子工程， 生物医学材料与材料微观结构设计，分子信息学 代表作：
4,5-Dimethylthio-4'-[2-(9-anthryloxy)ethylthio]tetrathiafulvalene, a Highly Selective and Sensitive Chemiluminescence Probe for Singlet Oxygen
学与物理学在原子、分子水平上会师，两学
科的界限趋于模糊
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量子化学从二十世纪30年代初的理论奠 基到90年代末在计算技术与应用上的成熟， 经历了漫长的将近七十年 这是几代杰出理论化学家不懈努力的结 果，并得益与计算机和计算技术的巨大进步 1998年诺贝尔化学奖的颁布是计算量子 化学在化学和整个自然科学中的重要地位被 确立和获得普遍承认的重要标志
量子化学计算方法的研究，出 现了严格计算的从头算方法、 半经验计算的全略微分重叠和 间略微分重叠等方法
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1927年Heitler和London用变分法求解了氢分
子的波函数
E
R0 / a0 计算值 实验值
1.518
RAB/a0
解离能 / eV 3.14 4.48
1.518 1.401
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量子化学的进展
量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用 量子力学的基本原理和方法，研究化学问题的 一门基础科学。
量子化学的发展历史可分两个阶段
创建时期(1927年到 20世纪50年代末)
20世纪60年代以后
价键理论(鲍林),分子轨 道理论(马利肯)和配位 场理论(贝特)
１９５７年获得中国科学院颁发的自然科学三等奖 １９８２年获国家自然科学一等奖 １９８７年，获得国家自然科学一等奖 共发表学术论文２６０多篇；与其研究集体合作出版《配位场理论（方法、 英文版）》、《分子轨道图式理论（中、英文版）》、《高分子反应统计理 论》、《量子化学》、《应用量子化学》、《约化密度矩阵引论》、《配位 场理论方法补编（中、英文版）》、《微观反应动态学》等８部学术专著。
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量子化学的进展
量子化学的研究结果在其他化学分支学科的直接应用， 导致了量子化学对这些学科的渗透，并建立了一些边缘学 科，主要有量子有机化学、量子无机化学、量子生物和药 物化学、表面吸附和催化中的量子理论、分子间相互作用 的量子化学理论和分子反应动力学的量子理论等。 其它化学许多分支学科也已使用量子化学的概念、方 法和结论。例如分子轨道的概念已得到普遍应用。绝对反 应速率理论和分子轨道对称守恒原理，都是量子化学应用 到化学反应动力学所取得的成就。 今后，量子化学在其他化学分支学科的研究方面将发 挥更大的作用，如催化与表面化学、原子簇化学、分子动 态学、生物与药物大分子化学等方面。
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表面 催化 分子设计 光电磁 分子动力学 NLO
理论方法
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量子化学的进展
近五年来, 中国所发表的有 关理论研究的SCI文章统计
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量子化学的进展
材料设计 物理 化学 数学 药物学
纳米材料 无机陶瓷 光电材料 材料分子设计 超导功能高分子在机材料 分子生物学 电子材料
生物学
药物筛选 构效关系
环境科学
大气污染 环境监测
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量子化学的进展 1949年10月---- 逐步开展系统地广泛地研究
首次在形式理论的水平上解 释了化学键本质，开创了量 子化学分支学科
实验值
量子力学为在原子－分子水平上揭示化学
问题的本质奠定了牢固的理论基础。因为，
化学反应基本过程是伴随着反应体系原子核
的重排而发生的电子运动状态的改变，这些
微观运动均服从薛定谔方程。
量子力学的统一理论 (United theory) 使化
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瑞典皇家科学院10月13日宣布将1998年度 诺贝尔化学奖授予两位年迈的量子化学家 Kohn和Pople, 表彰他们在开拓用于分子 性质及其参与化学过程研究的理论和方法
上的杰出贡献。
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John Pople’s Contributions
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量子化学的进展
中国老一辈的量子化学家
著名中国理论化学研究的开拓者唐敖庆教授 对中国的量化事业做出了巨大贡献:
• 不足道提出计算复杂分子旋转能量变化规律“势能函数公式” • 对高分子缩聚、交联与固化、同聚、共聚及裂解等反应逐一进行深 入研究，形成的明显特色高分子反应统计理论体系 • 创造性地发展完善了配位场理论及其研究方法 • 与江元生共同着手分子轨道图形理论的系统研究,提出了本征多项式 的计算、分子轨道系统计算、对称性约化三条定理
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量子化学的进展
中国老一辈的量子化学家
徐光宪先生
• • • • 提 分 稀 其 提 出 了 原 子 价 的 新 概 子 的 周 期 律 、 同 系 土 化 合 物 的 电 子 结 “串 级 萃 取 理 论” , 高 到 国 际 先 进 水 平 念 线 构 把 nxcπ 结 构 规 则 性 规 律 的 量 子 化 学 基 础 特 征 我 国 稀 土 萃 取 分 离 工 艺
Ronald Breslow
20世纪的化学取得辉煌的成就， 化学仍是一门中心科学
---中科院院士著名化学家徐光宪
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化学学科地位 化学与很多其他科学领域有关
电子学 农业 生物学
环境科学
化学
药学
我们认为化学 在人类由古代穴 居人的野蛮生活 进化到现在这样 一个世界的变化 中起了“中心” 的作用
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2005年JACS上发表的相关文章
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（瑞典皇家科学院在Web上发表的新闻公告）
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Walter Kohn’s Contributions
瑞典皇家科学院颁奖文件评价:
Walter Kohn’s theoretical work has formed the basis for simplifying the mathematics in descriptions of the bonding of atoms, the density-functional theory (DFT). The simplicity of the method makes it possible to study very large molecules.
邓从豪先生 •建议用一种势函数对双原子分子振动光谱进行研究 •HMO理论研究 还有其它一些量子化学家如孙家钟、张乾二、刘若庄、江 元生、黎乐民等,在艰苦的条件下都作出了许多重要的工 作，并为我国培养了大批的年轻学术骨干。
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量子化学的进展
近五年来, 国际上所发表的有关 理论研究的SCI文章统计
Porphyrins with Four Monodisperse Oligofluorene Arms as Efficient Red Light-Emitting Materials
J. Am. Chem. Soc. (2004), 126, 11543-11548
化学学科分类
从美国化学会的分会看化学学科分类
小型化学企业 工业与工程化学 化学史 化学教育 化学文献 化学技术员 化学和法律 化学保健与安全 化学毒物学 分析化学 计算化学 无机化学 专业联谊会 生物化学 生物化学技术 石油化学 地质化学 有机化学 农业与食品化学 农药 纤维素，造纸与纺织品 环境化学 肥料与土壤化学 物理化学
量子化学进展及其应用
单
位：东北师范大学 教授
讲 座 人：苏忠民
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讲座内容
讲座内容
化学学科的地位 化学学科的分类 量子化学的进展 量子化学计算及其应用 苏忠民组研究成果
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化学学科地位 The Central,Useful,and Creative Science
•
Pople 最辉煌的贡献是 Gaussian 程序
颁奖文件称:
The creation, constant improvement, and the extension of the functionality of GAUSSIAN is an outstanding achievement. It is the example for the success of the field and its impact on chemistry and neighboring fields like physics, astrophysics, biochemistry, material sciences, etc. GAUSSIAN is today used by thousands of scientists all over the world .