量子化学的建立与发展-11
量子化学的发展
量子化学的发展量子化学作为化学领域中的重要分支，通过应用量子力学理论和计算方法，探索分子和原子的性质、反应机理和化学变化等问题。
近年来，随着计算机技术和理论方法的不断进步，量子化学研究得到了广泛应用，并在许多领域取得了重大突破和进展。
1. 量子力学与化学的结合量子化学的发展始于20世纪初，当时科学家开始意识到通过应用量子力学理论可以更好地理解和解释化学现象。
量子理论的基本假设是物质的微观性质是离散的，而非连续的，这与化学中原子和分子的离散性质相符合。
通过量子力学的数学描述和计算方法，可以预测和解释分子的结构、化学键的形成和断裂等重要现象，从而深化了对化学反应和物质性质的认识。
2. 计算方法的发展随着计算机技术的飞速发展，量子化学研究受益于计算方法的不断提升。
早期的量子化学计算主要依赖于近似方法，如Hartree-Fock近似和密度泛函理论等。
然而，这些方法在处理复杂分子和反应体系时存在一定的局限性。
近年来，随着高性能计算机和新的理论方法的出现，例如多体微扰论、耦合簇方法和格林函数方法等，我们能够更精确地研究大分子系统和化学反应的机制。
这些方法的发展使得量子化学计算能够涵盖更多的化学现象，并有望进一步推动化学的研究进展。
3. 应用领域的拓展量子化学的发展也促进了其在多个领域的应用拓展。
在材料科学领域，量子化学计算被广泛用于设计新材料、预测材料性质和开发新的能源材料。
在药物设计和生物化学领域，量子化学方法有助于开发新药物和理解生物分子的相互作用机制。
此外，量子化学在环境科学、催化化学和有机合成等领域也发挥着重要作用。
随着量子化学的不断进步和应用拓展，我们有望在更多领域取得突破和创新。
总结：量子化学作为化学领域的重要组成部分，通过应用量子力学理论和计算方法，为我们深入理解和解释化学现象提供了重要工具。
随着计算机技术和理论方法的快速发展，量子化学研究取得了许多重要进展。
从量子力学与化学的结合，到计算方法的发展和应用领域的拓展，量子化学为我们揭示了化学世界的奥秘，也为各个领域的科学研究和实际应用提供了指导和支持。
量子化学史
量子化学史量子化学是应用量子力学基本原理和方法讨论化学问题的化学分支学科。
所谓的化学问题从静态看主要是结构与性能关系的探讨；从动态看主要涉及分子间的相互作用、相互碰撞与相互反应等。
国际上，理论化学已发展成为二级学科，从物理化学中分离出来，而量子化学则是理论化学的核心。
量子化学就其内容可分为基础理论、计算方法和应用三大部分。
三者之间相辅相承。
其中计算方法是基础理论与实际应用之间的桥梁；基础理论只有通过应用才能获得生命力，验证其正确与否；而具体应用中又将遇到新问题，产生新思想，提出新理论。
一、量子化学发展的历史1927年，W·H·海特勒（Heitler）和F·伦敦（London）开创性地把量子力学处理原子结构的方法应用于解决氢分子的结构问题，定量地阐释了两个中性原子形成化学键的原因，成功地开始了量子力学和化学的结合。
这标志着一门新兴的化学分支学科——量子化学（亦称化学量子力学）的诞生。
量子化学的创立，既是现代物理学实验方法和理论（量子力学原理）不断渗入化学领域的结果，也是经典化学向现代化学发展的历史必然。
量子化学的发展历史可分为两个阶段：①1927年到50年代末为创建时期。
其主要标志是三种化学键理论的建立和发展、分子间相互作用（包括分子间作用力和氢键）的量子化学研究。
在三种化学键理论中，价键理论是由L·C·鲍林（Pauling，1901—1994）在海特勒和伦敦的氢分子结构工作的基础上发展而成，其图象与经典原子价理论接近，先为化学家所接受。
分子轨道理论是在1928年由R·S·马利肯（Mulliken，1896—1986）等首先提出，1931年E·休克尔（Hückel，1896—）提出的简单分子结构理论，对早期处理共轭分子体系起重要作用。
分子轨道理论计算较简便，又得到光电子能谱实验的支持，使它在化学键理论中占主导地位。
量子化学第一章 厦门大学
05
量子化学的未来发展与挑战
量子化学的发展趋势和前沿领域
量子计算的应用
01
随着量子计算技术的不断发展，量子化学在药物研发、材料设
计等领域的应用前景将更加广阔。
人工智能与量子化学的结合
02
利用人工智能技术对量子化学数据进行处理和分析，有助于加
速新材料的发现和优化。
实验与理论的深度融合
03
实验技术和理论模拟的紧密结合将为量子化学研究提供更精确
量子化学第一章 厦门大学
目录
• 量子化学简介 • 厦门大学量子化学研究概况 • 量子化学的基本理论 • 厦门大学在量子化学领域的贡献 • 量子化学的未来发展与挑战
01
量子化学简介
量子化学的发展历程
1920年代
量子力学的发展为量子化学的 诞生奠定了基础。
1930年代
早期量子化学研究主要集中在 氢原子和类氢离子的电子结构 和光谱。
建立量子化学理论体系
厦门大学在量子化学理论方面做出了重要贡献，通过深入 研究量子力学和化学键理论，建立了完善的量子化学理论 体系，为后续的理论研究奠定了基础。
发展密度泛函理论
厦门大学的学者在密度泛函理论方面取得了重要突破，推 动了量子化学计算方法的进步，提高了计算效率和准确性。
探索化学反应机理
厦门大学在化学反应机理的探索方面取得了显著成果，通 过理论计算和模拟，深入揭示了化学反应的微观过程和机 制。
和深入的见解。
量子化学面临的挑战和问题
1 2
量子计算机的规模和可扩展性
目前量子计算机的规模较小，限制了量子化学应 用的发展。
算法效率和精度
提高量子化学算法的效率和精度是当前面临的重 要挑战。
3
第一章 绪论 《量子化学》教学课件 苏州大学
量子化学
例：
第一章
不是基元反应H2源自+eI2
LUMO
2HI
HOMO
H2:
HOMO
H H
不匹配
I2: ······
I LUMO
22
I
量子化学
事实上： 事实上：
第一章
I2 2I + H2
2I 2HI（Key Step） （ ）
基元过程
LUMO
e
HOMO
I：···（ I：···（5s)2(5p)5
5p为SOMO轨道 5p为SOMO轨道,可接受外来电子 轨道,可接受外来电子 H H HOMO 匹配
?openadoortomolecularscience3量子化学第一章11量子化学的发展概况和现状historyandstatusofquantumchemistry12量子化学的重要应用applicationofquantumchemistry13课程内容安排14参考书目4量子化学第一章电子的运动schrodiger方程化学量子力学量子化学解释化学现象化学过程化学规律等11量子化学的发展概况和现状historyandstatusofquantumchemistry5量子化学第一章1926年schr?dinger提出了描述微观粒子运动规律的波动方程即schr?dinger方程标志着现代量子时代的到来这是二十世纪物理学中最伟大的成就之一
24
目录
量子化学
10
量子化学
第一章
至今, 量子化学已经经历了80多年的发展历程 多年的发展历程， 至今 量子化学已经经历了 多年的发展历程，这 期间无数的化学家、物理学家、 期间无数的化学家、物理学家、数学家对这一学科的 发展作出了杰出的贡献。 年以来,诺贝尔奖中与 发展作出了杰出的贡献。从1901年以来 诺贝尔奖中与 年以来 量子化学相关的奖项数目仅次于生物化学，从中足以 量子化学相关的奖项数目仅次于生物化学， 看出这一学科的蓬勃发展史， 看出这一学科的蓬勃发展史，量子化学计算在化学的 各个分支都得到了富有成果的应用， 各个分支都得到了富有成果的应用，足以说明量子化 学在整个化学领域中举足轻重的地位。 学在整个化学领域中举足轻重的地位。
量子化学的发展
承德民族师专学报1998年第2期量子化学的发展宋秀荣量子化学是用量子力学的原理,通过求解“波动方程”,得到原子及分子中电子运动、核运动以及它们的相互作用的微观图象,用以阐明各种谱图(光谱、波谱及电子能谱即ESCA等),总结基元反应的规律,预测分子的稳定性和反应活性的一门学科。
由于分子包含多个核和电子,要精确求解其波动方程是不大可能的。
为了使问题简化的第一个办法是把电子运动和核运动分开,可将核看作固定不动,着重研究电子运动,即波恩—奥本海末Bor n-Oppenheim er近似,然后采用“轨道近似”方法,把多电子问题化简为求解一个或一组近似的单电子波动方程。
这种方法最初仅用于原子物理,五十年代初才提出了分子的“自洽场(SCF)方程”,发展至今已成为量子化学中的一种系统理论,称为分子轨道理论。
根据计算方法的近似水平的不同,分子轨道理论有几种形式。
最早期提出的简单分子轨道理论是起源于双原子分子带状光谱的早期研究工作,它已广泛地用来讨论原子结构的许多方面和各种分子性质。
如电偶矩、吸收光谱、电磁共振和核磁共振等,其中开创的工作是由洪特缪立根,里那一琼斯和斯莱脱等人进行的。
后来休克尔(E・H ckel)提出了一个简化的近似计算法称为HM O法,它主要运用于 电子体系即平面的共轭分子体系,这种方法的基本假定是认为 键与 键电子是相互独立的,即 键电子是在 键所形成的分子骨架中运动的。
在计算处理中把一些积分值定为零,把另一些积分值都定作相等,这样就可使计算大大简化。
HMO法的主要价值在于:它可以方便地用来按定性甚至半定量的方式概括化学现象。
因此就有可能按照这个方法发展为一个有机化学的普遍理论,它代表早期分子轨道法处理的一项重要进展。
但是随着多原子分子中原子数目的增多,计算工作量不断增大,所以如何简化计算法一直是HM O法应用及推广的一个问题。
当然,对于个别类型分子有人提出过一般化的计算公式,但直到最近,对HM O法中分子轨道系数及能量的计算,缺乏统一的处理方法,没有普遍的可用的计算公式。
量子化学发展简史
2020
2008-
2010
2000
努 力 吧, 各 位
!!
Year
1980
1960
1940
1920 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Number
“量子” (quanta)的名字来历
“量子”的生日: 1900 年 12 月 14 日
普朗克: 亥姆霍兹研究所, 德国物 理学会会议, 演讲:
量子概念的延伸
Einstein: 1905年, "光量子假说" 《论光的产生和转化的一个启发性观点》
E=h E = m c2
P=h/
成功解释了"光电效应"
德布罗意: 1923年，"物质波假说"
量子力学的产生之为什么会量子化?
玻尔的原子理论
玻尔的名言：“谁要是第一次听到量子理 论时没有感到困惑，那他一定没听懂。”
and the details developed
N consistent ?
Y
a Theory in mathematical form
always correct for many years
a scientific law
Constructs a model
Approximations
Reality
量子化学发展简史
目的:
从 “数学” 和 “物理” 的角度看 “化学”
运用数学的多 少是一门科学成熟 程度的标志。
马克思
要求: 1. 学习从理论角度思考化学问题 2. 了解化学中的数学物理概念 3. 了解常用计算化学方法 4. 了解常用的计算化学程序
量子化学
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。
1、量子化学的发展史1927年海特勒和伦敦用量子力学基本原理讨论氢分子结构问题，说明了两个氢原子能够结合成一个稳定的氢分子的原因，并且利用相当近似的计算方法，算出其结合能。
由此，使人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题，从而逐渐形成了量子化学这一分支学科。
量子化学的发展历史可分两个阶段：第一个阶段是1927年到20世纪50年代末，为创建时期。
其主要标志是三种化学键理论的建立和发展，分子间相互作用的量子化学研究。
在三种化学键理论中，价键理论是由鲍林在海特勒和伦敦的氢分子结构工作的基础上发展而成，其图象与经典原子价理论接近，为化学家所普遍接受。
分子轨道理论是在1928年由马利肯>等首先提出，1931年休克尔提出的简单分子轨道理论，对早期处理共轭分子体系起重要作用。
分子轨道理论>计算较简便，又得到光电子能谱实验的支持，使它在化学键理论中占主导地位。
配位场理论由贝特<等在1929年提出，最先用于讨论过渡金属离子在晶体场中的能级分裂，后来又与分子轨道理论结合，发展成为现代的配位场理论。
第二个阶段是20世纪60年代以后。
主要标志是量子化学计算方法的研究，其中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的出现，扩大了量子化学的应用范围，提高了计算精度。
1928～1930年，许莱拉斯计算氦原子，1933年詹姆斯和库利奇计算氢分子，得到了接近实验值的结果。
70年代又对它们进行更精确的计算，得到了与实验值几乎完全相同的结果。
计算量子化学的发展，使定量的计算扩大到原子数较多的分子，并加速了量子化学向其他学科的渗透。
2、量子化学的研究应用和前景量子化学的研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能，及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。
量子力学的产生与发展
数学描述——波动力学 数学描述——波动力学
1926年，奥地利科学家提出了描述物质 波连续时空演化的偏微分方程———薛 定愕方程，给出了量子论的另一个数学 描述——波动力学 物理学家将矩阵力学与波动力学统一 起来，统称量子力学。
总结
量子力学在低速、微观的现象范围内具有普遍 适用的意义。它是现代物理学基础之一，在现 代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚 态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学 以及分子生物学等学科的发展中，都有重要的 理论意义。量子力学的产生和发展标志着人类 认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大 飞跃。
经典理论遇到的困难
结合热力学和电磁学的概念似乎可以对 光谱的形状作出解释，不过所有的尝试 均以失败告终。
普朗克的辐射量子假说
德国物理学家普朗克为了解释热辐射能 谱提出了一个大胆的假设：在热辐射的 产生与吸收过程中能量是以hV为最小单 位，一份一份交换的。这个能量量子化 的假设不仅强调了热辐射能量的不连续 性，而且与辐射能量和频率无关由振幅 确定的基本概念直接相矛盾，无法纳入 任何一个经典范畴。
德布罗意关系
1924年，法国物理学家德布罗意提出了 表达波粒二象性的爱因斯坦———德布 罗意关系：E＝hV，p＝h／入，将表征 粒子性的物理量能量、动量与表征波性 的频率、波长通过一个常数h相等。
数学描述———矩阵力学 数学描述———矩阵力学
1925年，德国物理学家海森伯和玻尔， 建立了量子理论第一个数学描述——— 矩阵力学。
量子力学的产生与发展
胡毅
材料物理 0211014
概述
量子力学是描述微观世界结构、运动与 变化规律的物理科学。它是20世纪人类 文明发展的一个重大飞跃，量子力学的 发现引发了一系列划时代的科学发现与 技术发明，对人类社会的进步做出重要 贡献。
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量子化学的建立与发展
• MO－HMO（Huckel引入了某些近似）－半经 验的MO（忽略了双电子积分）－Hartree-FockRoothann方法，自恰场迭代方法－MO的从头 算研究（进行全电子体系非相对论的量子力学 方程计算）。Gaussian是进行从头算的鼻祖， 从70到98，每两年更新一次。Gaussian的核心 思想：50年代的时候，使用类氢离子波函数为 基函数，后来使用Slater函数（STO）为基函数， 后来又采用Gauss函数拟合STO。
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量子化学计算方法概述
• 哈特里方程未考虑由于电子的自旋而需要遵守泡利原 理。1930年，B· 福克（Fock）和J· 斯莱特（Slater） A· C· 分别提出了考虑泡利原理的自洽场迭代方程，称为哈 特里—福克方程。它的单电子轨函数（即分子轨道） 取为自旋轨函数（即电子的空间函数与自旋函数的乘 积）。泡利原理要求，体系的总电子波函数要满足反 对称化要求，即对于体系的任何两个粒子的坐标交换 都使总电子波函数改变正负号，而斯莱特行列式波函 数正是满足反对称化要求的波函数。
30年代后期二战爆发,量子化学计算的发展停顿下来. 50年代计算机的出现 ,为量子化学计算提供了有力工具 . 分子轨道理论因易于程序化而蓬勃发展起来 . 这阶段主要 是半经验的MO的发展.在HMO方法的基础上,Hoffmann等 建立了EHMO法;在PPP方法的基础上,Pople发展了全略微 分重叠的CNDO法、间略略微分重叠的 INDO法,Dewar发 展了MINDO……这些半经验计算方法的特点是计算中使 用了一些参数,这些参数大多是通过实验数据拟合而得. 60年代以来,计算机与理论方法相互促进,交替向前发展.
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量子化学的建立与发展
此外，在研究过渡金属配合物
时发展了配位场理论，该理论由 贝特等在1929年提出，最先用于
讨论过渡金属离子在晶体场中的
能级分裂，后来又与分子轨道理
论结合，发展成为现代的配位场
理论。 贝特
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量子化学的建立与发展
年诺贝尔化学奖) 化学家, 曾获1966
分子轨道理论主要由 Slater, Hund, Huckel, Mulliken 等人建立.
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量子化学的建立与发展
Huckel提出在 MO 方法中引入 某些近似,使计 算大大简化,即 现称的 HMO 法 . 这种方法使被
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量子化学计算概述
20世纪20年代，三个人的出现，改变了历史……
量子化学计算发展史
量子力学体系的建立
薛定鄂、 Heisenberg 、 Dirac 三人创建了“量子力 学体系 “
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量子力学的建立
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量子化学计算方法概述
• 将哈特里—福克方程用于计算多原子分子，会 遇到计算上的困难。C· J· C· 罗特汉（Roothaan） 提出将分子轨道向组成分子的原子轨道（AO） 展开，这样的分子轨道称为原子轨道的线性组 合（简称LCAO）。使用LCAO-MO，原来积 分微分形式的哈特里—福克方程就变为易于求 解的代数方程，称为哈特里—福克—罗特汉方 程，简称HFR方程。
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量子化学的建立与发展 量子化学从一开始就存在两大流派：价键理论(VB)
和分子轨道理论(MO) 。
价键理论是在Heitler-London 的氢分子结构工作基
础上发展起来的现代化学键理论.其核心思想是电子
两两配对形成定域的化学键,每个分子体系可构成几 种价键结构,电子可在它们之间共振.该流派的代表人 物是 Pauling, 其著作《化学键的本质》阐述了价键理 论的基本思想。
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量子力学的建立
以薛定谔方程为核心的量子力学属于非相对论 量子力学。非相对论量子力学只能解决微观低速问题 ，电子的自旋是作为假设引入的。1928年狄拉克建立 了电子的相对论波动方程，这个理论适用于电子速度 接近光速的情况，电子的自旋自然包含了进去。但这 个理论不能处理多电子体系。
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量子化学的建立与发展
• 90年代，以密度泛函理论为基础的DFT方法迅 速发展起来。最大的特点：轨道波函数为基-> 密度函数为基。由此引申出的方法有广义梯度 近似（GGA）、密度泛函与分子轨道的杂化方 法（B3LYP）。我国的XIAMEN99采用的VB 方法。 • 各种方法的主要区别就是采用基函数的不同。
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量子化学计算方法概述
• 分子轨道法的核心是哈特里—福克—罗特汉方法，简 称HFR方程，它是以三个在分子轨道法发展过程中做 出卓越贡献的人命名的方程。1928年D· 哈特里 R· （Hartree）提出了一个将N个电子体系中的每一个电子 都看成是由其余的N-1个电子所提供的平均势场运动的 假设。这样对于体系中的每一个电子都得到了一个单 电子方程（表示这个电子运动状态的量子力学方程）， 称为哈特里方程。使用自洽场迭代方式求解这个方程 （自洽场分子轨道法），就可以得到体系的电子结构 和性质。
80年代,研究对象从中小分子向大分子、重原子体系发 展 .组态相互作用 (CI) 、多组态自洽场 (MCSCF) 及微扰理 论(MP2~4)等用以校正电子相关能的超自洽场计算得到了 发展.建立了用于重原子体系的模型势与赝势价基方法.发
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量子化学的建立与发展 展了能量梯度法或内禀反应坐标 (IRC)等研究反应途 径及反应过渡态的方法 .80 年代是 MO 理论和从头算 技术大发展的时期 ,各种计算方法的发展与程序化刺 激了这一发展. 90 年代 , 研究对象发展到固体表面吸附、溶液中的 化学反应、生物大分子，元素从第 1 ， 2 周期发展到 过渡金属、稀土元素。80~90年代，以密度泛函为基 础的DFT方法迅速发展起来。
在高能情况下，粒子会发生相互转化，在此基础 上发展起量子场论。
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量子化学的建立与发展 一. 量子化学的建立与发展
(1) 量子化学的研究内容
应用量子力学原理研究化学问题的科学。通过求 解波动方程，得到原子及分子中电子运动、核运动以 及它们的相互作用的微观图象，用以阐明各种谱学现 象与规律（光谱、波谱、电子能谱等）、总结基元反 应的机理、预测分子的稳定性和反应性规律。
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量子化学的建立与发展 (2) 量子化学的建立与发展 20世纪20年代末，科学家开始用量子力学方法处理化 学问题。 1927年Heitler和London首先用量子力学的方法讨论了 氢分子的问题，标志着量子化学计算的开始。
• 讨论氢分子结构问题，说明了两个 氢原子能够结合成一个稳定的氢分 子的原因； • 并且利用相当近似的计算方法，算 出其结合能。 海特勒
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量子化学的建立与发展 70年代开始,MO的“从头算”(ab initio)研究逐步展开, 该方法进行全电子体系非相对论的量子力学方程计算 . 对 分子的全部积分进行严格计算 ,不做任何近似处理 ,也不借 助任何经验或半经验参数 . 当时 , 分子轨道法中的 HartreeFock-Roothann方法已经提出,结合自洽场迭代方法,MO的 ab initio计算得到了很大发展,至80年代逐步取代了半经验 方法,成为量子化学计算的主流.
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价键理论和分子轨道理论的区别
• 价键理论和分子轨道理论的根本区别在于，价 键理论是电子两两配对形成定域的化学键，这 里所说的定域，通俗讲就是电子被束缚在某个 固定的位置振动，而不会在分子内部的任何地 方运动。而分子轨道理论的本质是假设分子轨 道是由原子轨道线性组合而成，允许电子离域 在整个分子中运动，而不是在特定的键上。简 单说，价键理论中的电子是固定在某个区域内 运动，分子轨道理论中的电子是在分子内部的 所有区域内运动。
化学数据库 化学人工智能 分子结构建模 与图象显示
计 算 化 学
计算机 分子模拟 量子化学计算 数据采集、统计 分析及其它应用 化学 CAI
分子力学 ( MM )
分子动力学 (MD & MC)
体 系 数 据 和 性 质 的 综 合 分 析
分子 (材料) CAD
合成路线 CAD
计算化学的主要研 究内容
德国物理化学家。 1896 年 生于柏林。主要从事结构 化学和电化学方面的研究 。 1923 年和德拜一起提出 强电解质溶液理论，推导 出强电解质当量电导的数 学表达式。
1931年提出了休克尔分子轨道法，主要用于 π电 处 理 体 系 由 H 2 子体系。他在 30 年代还对芳香烃的电子特性在 扩 大 至 有 机 共 理论上作出了解释，并总结出：环状共轭多烯 化合物中π电子数符合4n+2（n为1，2或3）者， 轭分子. 具有芳香性。
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量子化学计算方法概述
• RHF方程 闭壳层体系是指体系中所有的电子均按自旋 相反的方式配对充满某些壳层（壳层指一个分子能级 或能量相同的即简并的两个分子能级）。这种体系的 特点，是可用单斯莱特行列式表示多电子波函数（分 子的状态），描述这种体系的HFR方程称为限制性的 HFR方程，所谓限制性，是要求每一对自旋相反的电 子具有相同的空间函数。限制性的HFR方程简称RHF 方程。