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量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文1

本書分成三大部分共15章：第一部分 引言，包括第1-4章：1.量子生物學(xué)：引言；2.用開放量子系統(tǒng)來探討生物系統(tǒng)；3.廣義Frster共振能的轉(zhuǎn)換；4.多維電子光譜的原理。第二部分 在微生物光合成能量轉(zhuǎn)換中的量子效應(yīng)，包括第5-7章：5.顏料―蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、函數(shù)和量子動力學(xué)；6.量子相干性的直接觀測；7.在環(huán)境輔助下的量子輸運(yùn)。第三部分 高級生物體中的量子效應(yīng)及其應(yīng)用，包括第8-15章：8.光合作用中激發(fā)能的轉(zhuǎn)換及能量守恒；9.蛋白質(zhì)中的電子傳輸：根據(jù)量子力學(xué)的隧道效應(yīng)，生物體內(nèi)的電子能直接穿過蛋白質(zhì)的骨架，這種電子隧道是生物體內(nèi)能量傳遞的主要途徑；10.用于鳥類導(dǎo)航的化學(xué)指南針；11.視網(wǎng)膜的量子生物學(xué)；12.嗅覺的量子振動效應(yīng)；13.從某個視角來看生物體系中可能出現(xiàn)的糾纏；14.仿生量子材料的設(shè)計和應(yīng)用；15.碳納米管中的相干激發(fā)。本書目錄的后面有各章作者的簡介。書的末尾有參考書目和主題索引。

本書第一編著Masoud Mohseni是谷歌公司資深的研究科學(xué)家，他開發(fā)了以量子動力學(xué)為理論基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。他在研究量子輸運(yùn)、量子測量以及開放量子體系在生物學(xué)中的應(yīng)用方面做出了突出貢獻(xiàn)。

本書是一本適合物理系、生物系和化學(xué)系高年級大學(xué)生以及研究生用來了解量子力學(xué)在生物學(xué)中應(yīng)用的理想的參考書，也是對量子生物學(xué)感興趣的青年科學(xué)家和博士后的有益參考書。

量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文2

關(guān)鍵詞：經(jīng)典理論 量子力學(xué) 聯(lián)系

中圖分類號：O413.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（a）-0143-02

量子力學(xué)于20世紀(jì)早期建立以來，經(jīng)過飛速的發(fā)展，逐漸成為現(xiàn)代物理學(xué)科中不可分割的一部分。量子力學(xué)是現(xiàn)代量子理論的核心，它的發(fā)展不僅關(guān)乎人類的物質(zhì)文明，還使人們對量子世界的認(rèn)識有了革命性的進(jìn)展[1]。

但是，量子力學(xué)并不是一個完備的理論，其體系中還存在許多問題，特別是微觀與宏觀，即經(jīng)典理論與量子力學(xué)的聯(lián)系。為解決這些迷惑，歷史上相關(guān)科學(xué)家提出了很多實驗與理論。該文旨在以量子力學(xué)發(fā)展史上提出的幾個實驗為例，對其進(jìn)行簡單分析，以展示經(jīng)典理論與量子力學(xué)的聯(lián)系。

1 問題的提出

1935年3月，愛因斯坦等人在EPR論文中提出了“量子糾纏態(tài)”的概念，所謂的“量子糾纏態(tài)”是以兩個及以上粒子為對象的。在某種意義上，“量子糾纏態(tài)”可以理解為是把迭加態(tài)應(yīng)用于兩個及以上的粒子。若存在兩個處于“量子糾纏態(tài)”的粒子，那這兩個粒子一定是相互關(guān)聯(lián)的，用量子力學(xué)的知識去理解，只要人們不去探測，那么每個粒子的狀態(tài)都不能夠確定。但是，假如同時使這兩個粒子保持某一時刻的狀態(tài)不變，也就是說，使兩個粒子的迭加態(tài)在一瞬間坍縮，粒子1這時會保持一個狀態(tài)不再發(fā)生變化，根據(jù)守恒定律，粒子2將會處于一個與粒子1狀態(tài)相對應(yīng)的狀態(tài)。如果二者相距非常遙遠(yuǎn)，又不存在超距作用的話，是不可能在一瞬間實現(xiàn)兩個粒子的相互通信的。但超距作用與當(dāng)今很多理論是相悖的，于是，這里就形成了佯謬，即“EPR佯謬”。

同年，薛定諤提出了一個實驗，后人稱之為“薛定諤的貓”。設(shè)想把一只貓關(guān)在盒子里，盒中有一個不受貓直接干擾的裝置，這套裝置是由其中的原子衰變進(jìn)行觸發(fā)，若原子衰變，裝置會被觸發(fā)，貓會立即死去。于是，量子力學(xué)中的原子核衰變間接決定了經(jīng)典理論中貓的生死。由量子力學(xué)可知，原子核應(yīng)該處于一種迭加態(tài)，這種迭加態(tài)是由“衰變”和“不衰變”兩個狀態(tài)形成的，那么貓應(yīng)該也是處在一種迭加態(tài)，這種迭加態(tài)應(yīng)該是由“死”與“生”兩個狀態(tài)形成的，貓的生死不再是一個客觀存在，而是依賴于觀察者的觀測。顯然，這與常理是相悖的[2]。

這兩個佯謬的根源是相同的，都是經(jīng)典理論與量子理論之間的關(guān)系。

2 近代研究進(jìn)展

2.1 驗證量子糾纏的存在

華裔物理學(xué)家Yanhua Shih[3]曾做過一個被稱為“幽靈成像”的實驗，其實驗過程及現(xiàn)象大致可以描述為：假設(shè)存在一個糾纏光源，這個光源可以發(fā)出兩種互為糾纏的光子，通過偏振器使兩種光子相互分離，令第一束光子通過一個狹縫，第二束不處理，然后觀察兩束光的投影，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第二束光的投影形狀與第一束光通過的狹縫形狀完全相同。

人們發(fā)現(xiàn)，如果僅僅使用經(jīng)典理論，實驗現(xiàn)象是無法解釋的，必須應(yīng)用量子理論，才能解釋“幽靈成像”的現(xiàn)象。這個實驗也恰好驗證了“量子糾纏”現(xiàn)象的存在。

2.2 量子世界中的歐姆定律

歐姆定律是由德國物理學(xué)家Ohm于19世紀(jì)早期提出來的，它是一種基于觀察材料的電學(xué)傳輸性質(zhì)得到的經(jīng)驗定律，其內(nèi)容是：在同一電路中，導(dǎo)體中的電流跟導(dǎo)體兩端所加的電壓成正比，跟導(dǎo)體自身電阻成反比，即 （U指導(dǎo)體兩端電壓；R指導(dǎo)體電阻；I指通過導(dǎo)體的電流）。

18世紀(jì)二、三十年代，人們認(rèn)為經(jīng)典方法在宏觀領(lǐng)域是正確的，但是在微觀領(lǐng)域?qū)淮蚱啤andauer公式給出了納米線電阻的計算方法，即（h為普朗克常量；e為電子電量；N為橫波模式數(shù)量）；而在宏觀中，（為材料的密度；l為樣品的長度；s為樣品的橫截面積）。由此發(fā)現(xiàn)，在宏觀領(lǐng)域，樣品的電阻是隨著樣品的長度增加而增加的，而在微觀領(lǐng)域，樣品的電阻與樣品的長度沒有關(guān)系。

Weber[4]等人制備了原子尺度的納米線并進(jìn)行觀察，實驗發(fā)現(xiàn)，在微觀領(lǐng)域，歐姆定律也是滿足的。Ferry[5]認(rèn)為樣品的電阻是由多種機(jī)理所導(dǎo)致的，而他最后得到的結(jié)果正是由于多種機(jī)理的相互疊加。經(jīng)過分析，他認(rèn)為歐姆定律何時開始生效取決于納米線中電子耗散的力度，力度越大說明開始生效時的尺度越小。但這也同時引發(fā)了另一個問題的思考：低溫條件下，歐姆定律是仍然成立的，也就是說經(jīng)典理論仍然成立，但往往是希望在低溫下研究比較純粹的量子效應(yīng)。低溫條件下歐姆定律的成立要求在進(jìn)行實驗研究時，必須花費(fèi)更多的精力來使得經(jīng)典理論與量子理論分離開。

2.3 生活中的量子力學(xué)――光合作用與量子力學(xué)

Scholes等[6]從兩種不同的海藻中提取出了一種名為捕光色素復(fù)合體的化學(xué)物質(zhì)，并在其正常的生活條件下，通過二維電子光譜術(shù)對其作用機(jī)理進(jìn)行了分析研究。他們首先使用了飛秒激光脈沖模擬太陽光來激發(fā)這些蛋白，發(fā)現(xiàn)了會長時間存在的量子狀態(tài)。也就是說，這些蛋白吸收的光能能夠在同一時刻存在于不同地點(diǎn)，而這實際上是一種量子迭加態(tài)。由此可見，量子力學(xué)與光合作用是有很大聯(lián)系的。

3 結(jié)語

從近幾年來量子力學(xué)的基本問題和相關(guān)的實驗研究可以看出，雖然經(jīng)典理論與量子理論的聯(lián)系仍然是一個懸而未決的問題，但是當(dāng)代科學(xué)家已經(jīng)能夠通過各種精妙的實驗逐步解決歷史遺留的一個個謎團(tuán)，使得微觀領(lǐng)域的單個量子的測量與控制成為可能，并且積極研究宏觀現(xiàn)象的微觀本質(zhì)，將生活與量子力學(xué)逐漸的聯(lián)系起來。對于“經(jīng)典理論與量子力學(xué)的聯(lián)系”這一專題還需要進(jìn)行不斷研究，使量子力學(xué)得到進(jìn)一步完善與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫昌璞.量子力學(xué)若干基本問題研究的新進(jìn)展[J].物理，2001，30（5）：310-316.

[2] 孫昌璞.經(jīng)典與量子邊界上的“薛定諤貓”[J].科學(xué)，2001（3）：2，7-11.

[3] Shih Y. The Physics of Ghost Imaging[J].2008.

[4] Weber B， Mahapatra S， Ryu H， et al. Ohm's law survives to the atomic scale[J].Science，2012，335（6064）：64-67.

量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文3

只有讓學(xué)生深刻認(rèn)識結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性，才能使他們產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)起學(xué)習(xí)的動力，充分發(fā)揮其主觀能動性，使教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。

(1)結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)各學(xué)科的理論基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)化學(xué)為化學(xué)各學(xué)科提供理論指導(dǎo)，是聯(lián)系基礎(chǔ)化學(xué)與高等化學(xué)的階梯。結(jié)構(gòu)化學(xué)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代化學(xué)的各個領(lǐng)域。以學(xué)生學(xué)習(xí)過的課程為例，無機(jī)化學(xué)中涉及了原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和配合物結(jié)構(gòu)等方面的內(nèi)容;有機(jī)化學(xué)中運(yùn)用雜化軌道理論和分子軌道理論說明有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，使用分子對稱性理論描述分子空間結(jié)構(gòu)，利用前線軌道理論解釋化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等;儀器分析中紫外光譜中的電子躍遷、紅外光譜中的簡正振動、X射線衍射等，都與結(jié)構(gòu)化學(xué)知識緊密相關(guān)。從這些學(xué)生熟悉的課程入手，可使他們很快體會到結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要基礎(chǔ)地位。

(2)結(jié)構(gòu)化學(xué)是分子設(shè)計的理論基礎(chǔ)。

“結(jié)構(gòu)決定性能，性能反映結(jié)構(gòu)”。如果找到某類具有特殊性質(zhì)的物質(zhì)的規(guī)律性，就能設(shè)計出性能更好的分子。結(jié)構(gòu)化學(xué)及在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算化學(xué)、分子模擬等對分子設(shè)計起理論指導(dǎo)作用。為了讓學(xué)生了解這方面的內(nèi)容，可用如下實例進(jìn)行說明。首先以石墨烯為例。碳元素是自然界中分布廣泛并且與人類社會發(fā)展關(guān)系密切的重要元素。碳單質(zhì)有多種存在形式，主要有石墨、金剛石、富勒烯、碳納米管等，其中石墨烯由于其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性質(zhì)而成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在教學(xué)中可先向?qū)W生提出問題:石墨烯的結(jié)構(gòu)是怎樣的呢?這就要從石墨的結(jié)構(gòu)談起。石墨為層狀結(jié)構(gòu)，同層的碳原子間以sp2雜化形成平面共價鍵，每個碳原子剩余一個p軌道未參與雜化，上面各有一個電子，這些p軌道互相平行且與sp2雜化軌道所在平面垂直，相互重疊形成離域大π鍵。π電子在整個碳原子平面方向運(yùn)動，所以石墨可以導(dǎo)電和導(dǎo)熱，可以用來制作電極和坩堝。而石墨的層與層之間以微弱的范德華力相結(jié)合，容易斷開而滑動，所以石墨具有性，可以用來制作劑。石墨烯可以看做是只有一個原子層厚度的單層石墨片。2004年，石墨烯由英國曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫通過微機(jī)械力剝離法制得，二人因在二維空間材料石墨烯方面的開創(chuàng)性實驗而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。從結(jié)構(gòu)上來看，石墨烯可以看做是構(gòu)成富勒烯、碳納米管和石墨的基本組成單元。將其包裹成球得到富勒烯，沿著固定軸卷曲得到碳納米管，多層堆疊在一起就形成了石墨。由于石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，決定了其具有多種優(yōu)異特性，如低密度、高強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性、室溫下較高的電子遷移率等，這些特性決定了它在半導(dǎo)體工業(yè)、材料、力學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力。例如，石墨烯被分割時其基本物理性能并不改變，而硅不能分割成小于10nm的小片，否則將失去其電子性能。因此，石墨烯極有可能成為硅的替代品推動電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。研究者正在不斷對石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾和改造，以挖掘和發(fā)揮其優(yōu)良性質(zhì)，優(yōu)化使用效果，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。通過這個例子，可以讓學(xué)生深刻感受到結(jié)構(gòu)化學(xué)與科技前沿領(lǐng)域的聯(lián)系，意識到結(jié)構(gòu)、性能、用途三者間的辯證關(guān)系。然后以計算機(jī)輔助藥物設(shè)計為例進(jìn)行講解。作為在結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興交叉學(xué)科，計算化學(xué)正在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)逐漸嶄露頭角。計算化學(xué)基于三維分子結(jié)構(gòu)，以量子力學(xué)或經(jīng)典力學(xué)原理為指導(dǎo)，確定算法并實現(xiàn)程序，再通過計算機(jī)運(yùn)算來模擬和預(yù)測分子體系的性質(zhì);計算化學(xué)在實際生產(chǎn)中的一個重要應(yīng)用就是計算機(jī)輔助藥物設(shè)計。例如研究者通過生物學(xué)方面的研究，發(fā)現(xiàn)了與某類疾病相關(guān)的大分子如蛋白質(zhì)，將其作為靶標(biāo)(受體)，并且通過X射線晶體衍射或核磁共振等方法測定了其三維結(jié)構(gòu)，尤其是得到其作用(活性)位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。這時就可以通過計算機(jī)模擬的方式，在數(shù)據(jù)庫里尋找分子形狀和理化性質(zhì)與受體作用位點(diǎn)相匹配的小分子(配體)，研究受體與配體的詳細(xì)相互作用信息(包括結(jié)構(gòu)信息和能量信息)，合成并測試這些分子的生物活性，這樣就有可能發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物，開發(fā)出治愈疾病的藥物分子［。這就是基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計方法，可為藥物開發(fā)節(jié)省大量時間和資金，已在藥物設(shè)計方面取得了巨大成功。如HIV-1蛋白酶抑制劑的設(shè)計就是一個典型的成功案例，標(biāo)志著計算機(jī)輔助藥物設(shè)計從方法研究過渡到實際應(yīng)用階段。2013年的諾貝爾化學(xué)獎授予美國科學(xué)家卡普拉斯，萊維特和瓦謝爾，以表彰他們“為復(fù)雜化學(xué)體系發(fā)展多尺度模型”。這個獎項是對計算化學(xué)進(jìn)步的認(rèn)可，強(qiáng)調(diào)了計算化學(xué)在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)越來越大的作用。在計算化學(xué)領(lǐng)域有兩種主要的計算方法，一種是基于量子力學(xué)原理的量子力學(xué)計算方法，另一種是基于牛頓力學(xué)的分子力學(xué)/分子動力學(xué)模擬方法。將這兩種方法有機(jī)結(jié)合、取長補(bǔ)短而建立起來的量子力學(xué)/分子力學(xué)方法已獲得巨大成功。例如在研究藥物分子與蛋白質(zhì)結(jié)合時，對藥物及與藥物相作用的蛋白部分采取精確的量子力學(xué)計算，對蛋白的剩余部分采取快速的分子力學(xué)計算，這樣就兼顧了準(zhǔn)確性和計算量，取得了很好的結(jié)果。計算機(jī)作為當(dāng)今化學(xué)家的工具就像試管一樣重要，模擬是如此真實以至于傳統(tǒng)實驗的結(jié)果也能被計算機(jī)預(yù)測出來。萊維特曾經(jīng)這樣描述他的一個夢想:利用計算機(jī)處理復(fù)雜化學(xué)過程的能力，實現(xiàn)在分子水平上模擬一個完整生物，構(gòu)建“數(shù)字生命”。通過這個例子，使學(xué)生認(rèn)識到結(jié)構(gòu)化學(xué)并非只是“紙上談兵”，而是具有重要的實際應(yīng)用，可以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。最后，向?qū)W生介紹結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展歷史，將其發(fā)展史與諾貝爾獎緊密聯(lián)系在一起，進(jìn)一步突出其重要性。在結(jié)構(gòu)化學(xué)中的一些重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和理論突破基本上都獲得了諾貝爾獎。例如在開創(chuàng)量子力學(xué)的過程中，普朗克、愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克、泡利、波恩等都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。另外，在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的實驗方法方面，如在X射線衍射法、核磁技術(shù)和應(yīng)用、質(zhì)譜技術(shù)、電子顯微鏡技術(shù)等領(lǐng)域，都有很多科學(xué)家獲得諾貝爾獎。而且還有很多科學(xué)家因在結(jié)構(gòu)方面的研究而獲獎，如克里克、沃森和威爾金斯發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，科爾、克羅托和斯莫利發(fā)現(xiàn)富勒烯，謝克特曼發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體等。將結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展史與化學(xué)史尤其是諾貝爾獎聯(lián)系起來，能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和素養(yǎng)，促使他們樹立遠(yuǎn)大的科學(xué)理想，使他們獲得強(qiáng)大的學(xué)習(xí)動力。

2結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法

在讓學(xué)生意識到結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性以后，接下來就要結(jié)合課程特點(diǎn)傳授給他們結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法。首先要重視定理、公式和方法的數(shù)學(xué)計算和推導(dǎo)。在結(jié)構(gòu)化學(xué)中尤其是量子力學(xué)部分涉及許多數(shù)學(xué)和物理方面的內(nèi)容，比較抽象和難懂。對于定理、公式和方法，學(xué)生要嘗試跟著教師的板書一起進(jìn)行計算和推導(dǎo)，只有這樣，才能理解這些定理、公式和方法，并有助于記憶。當(dāng)然，并不是要求學(xué)生死記硬背，關(guān)鍵還是理解。要讓學(xué)生體會到演算、推導(dǎo)和邏輯思維的快樂，感受科學(xué)的魅力。其次要提高對空間結(jié)構(gòu)的想象能力。在分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)等內(nèi)容中，判斷點(diǎn)群、堆積類型、結(jié)構(gòu)型式等都需要發(fā)揮學(xué)生的空間想象能力。所以對于典型的分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)要多看多想，通過觀察實物模型和計算機(jī)三維模型，尋找特點(diǎn)和規(guī)律，根據(jù)定理和規(guī)則，把看到的具體模型簡化成抽象結(jié)構(gòu)，體味結(jié)構(gòu)之美。最后要求學(xué)生要提前預(yù)習(xí)和及時復(fù)習(xí)。結(jié)構(gòu)化學(xué)難度高、內(nèi)容多，不提前預(yù)習(xí)很難跟上教師的講課節(jié)奏。即使在課堂上聽懂了，若課下不及時復(fù)習(xí)，經(jīng)過一段時間后就容易忘記。因此，要提前預(yù)習(xí)以做好課前準(zhǔn)備，及時復(fù)習(xí)以鞏固所學(xué)知識。另外，要加強(qiáng)習(xí)題練習(xí)，通過做題來查找學(xué)習(xí)中的問題，加強(qiáng)對知識的理解。另外，還要向?qū)W生說明一些其他教學(xué)事宜。如介紹課外參考書和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，說明模型實習(xí)的具體安排，制定課堂紀(jì)律，明確考試考核要求以及成績構(gòu)成百分比等。

3結(jié)語

量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文4

系里設(shè)立了應(yīng)用化工專業(yè)和化工分析與檢驗專業(yè)（高職專科），專門培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能的化工操作人才，其中，應(yīng)用化工專業(yè)是培養(yǎng)化工總控工的，就業(yè)崗位包括化工工藝操作、化工工程操作，化工設(shè)備操作、維護(hù)，化工儀表控制，化工DCS操作，化工安全管理，化工產(chǎn)品的包裝與銷售等。

專業(yè)的課程設(shè)置

由完成工作所需要的能力，確定以下學(xué)習(xí)領(lǐng)域：1、物理化學(xué)的知識體系一般公認(rèn)的物理化學(xué)的研究內(nèi)容大致可以概括為三個方面:化學(xué)體系的宏觀平衡性質(zhì)以熱力學(xué)的三個基本定律為理論基礎(chǔ)，研究宏觀化學(xué)體系在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、溶解態(tài)以及高分散狀態(tài)的平衡物理化學(xué)性質(zhì)及其規(guī)律性。在這一情況下，時間不是一個變量。屬于這方面的內(nèi)容有化學(xué)熱力學(xué),溶液、膠體和表面化學(xué)。化學(xué)體系的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以量子理論為理論基礎(chǔ)，研究原子和分子的結(jié)構(gòu)，物體的體相中原子和分子的空間結(jié)構(gòu)、表面相的結(jié)構(gòu)，以及結(jié)構(gòu)與物性的規(guī)律性。屬于這方面的內(nèi)容有結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)。化學(xué)體系的動態(tài)性質(zhì)研究由于化學(xué)或物理因素的擾動而引起體系中發(fā)生的化學(xué)變化過程的速率和變化機(jī)理。在這一情況下，時間是重要的變量。屬于這方面的內(nèi)容有化學(xué)動力學(xué)、催化、光化學(xué)和電化學(xué)。物理化學(xué)的主要理論支柱是熱力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)和量子力學(xué)三大部分。熱力學(xué)和量子力學(xué)分別適用于宏觀和微觀系統(tǒng)，統(tǒng)計力學(xué)則為二者的橋梁。原則上用統(tǒng)計力學(xué)方法能通過個另分子、原子的微觀數(shù)據(jù)來推斷或計算物質(zhì)的宏觀現(xiàn)象。物理化學(xué)由化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)三大部分組成。2、應(yīng)用化工專業(yè)所需內(nèi)容的選擇對照操作崗位的知識和能力需要，本著實用、夠用，適當(dāng)拓展的原則，選取化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)兩大部分，主要內(nèi)容有物質(zhì)PVT性質(zhì)、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、熱力學(xué)在多組分體系和相平衡體系中的應(yīng)用、化學(xué)平衡、化學(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)、膠體、粗分散系和表面化學(xué)。根據(jù)課程內(nèi)容及深度，決定選用高職高專化學(xué)教材編寫組編寫的《物理化學(xué)》（第三版，化學(xué)工業(yè)出版社）為基本教材，以傅獻(xiàn)彩主編《物理化學(xué)》（第五版，高等教育出版社）為主要參考資料。3、物理化學(xué)課程定位學(xué)習(xí)物理化學(xué)需要大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、基礎(chǔ)化學(xué)的基礎(chǔ)知識，同時，物理化學(xué)又為學(xué)習(xí)化工設(shè)備基礎(chǔ)、化工熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、煤化工工藝學(xué)等課程打下基礎(chǔ)。因此，《物理化學(xué)》課程是應(yīng)用化工專業(yè)的重要專業(yè)課，是其他主要專業(yè)課的基礎(chǔ)。

基于工作過程的教學(xué)方法

確定了內(nèi)容，就需要對知識按照工藝崗位的實際情況，進(jìn)行解構(gòu)和重構(gòu)，即以工作過程為載體，以工作任務(wù)為情境，構(gòu)建認(rèn)知系統(tǒng)。通過綜合分析周邊化工企業(yè)生產(chǎn)工藝，歸納典型崗位，決定選取新能鳳凰甲醇的生產(chǎn)工藝為載體，對物理化學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)。新能鳳凰甲醇的生產(chǎn)采用的是德士古技術(shù)工藝，主要工段有空氣分離制取液氧，制取水煤漿，水煤漿燃燒氣化，甲醇合成與精制，各工段對應(yīng)的知識如下表：（表略）通過完成任務(wù)，提高了學(xué)生掌握知識的目的性；在學(xué)生自主決策與計劃中，激發(fā)其主觀能動性，掌握解決問題的方法與步驟；通過任務(wù)實施，培養(yǎng)其動手實踐能力；通過教師的檢查與評價，讓學(xué)生體驗成功的愉悅，激發(fā)其學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)習(xí)效率和效果。

量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文5

1 核磁共振磁矩理論介紹

1.1 磁矩概念介紹

核磁共振理論中一個最重要的名詞就是磁矩，它體現(xiàn)了流體原子在靜磁場下的核磁能量。由普通物理學(xué)得知閉合載流線圈磁矩μ=isn，其中i為電流強(qiáng)度、s為閉合面積、n為與電流方向成右手螺旋法則的單方向矢量[1]。閉合載流線圈的磁矩為一矢量，其長度為is而方向與該載流線圈的方向矢量相同。當(dāng)在磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）為b的均勻磁場中，作用在載流線圈上的磁矩mf為磁矩μ與b的矢量積mf=μbsinθ。圖1為磁矩示意圖。

圖1 磁矩示意圖

磁矩mf力圖使載流線圈磁矩μ的方向與磁場b一致，在磁場b中載流線圈具有的勢能為e=-μbcosθ，其中θ是μ和b的夾角。由此可見μ和b方向一致時，系統(tǒng)勢能最低，最為穩(wěn)定；當(dāng)兩者反向時系統(tǒng)勢能最高，最不穩(wěn)定。

1.2 磁矩宏觀表現(xiàn)介紹

在實際應(yīng)用中，人們關(guān)注的是大量粒子的宏觀行為，即大量微觀體系行為的宏觀表現(xiàn)。例如核磁測井所關(guān)注的是地層中大量氫核的綜合效應(yīng)，而單個氫核的特性只是理解宏觀特性的基礎(chǔ)。含有磁矩的某種樣品，當(dāng)沒有外磁場時，其磁矩取向是隨機(jī)的。宏觀表現(xiàn)為沒有磁性。當(dāng)有外磁場時，將會有更多的磁矩順著外磁場的方向排列，各個磁矩都繞著磁場方向進(jìn)動，核自旋的空間取向?qū)⑴c塞曼能級相對應(yīng)。達(dá)到熱平衡時，磁矩的取向服從波爾茲曼分布，縱向分量與磁場方向一致的核磁矩數(shù)目略大于反方向的磁矩數(shù)目，其矢量和不再等于零，呈現(xiàn)一定大小的宏觀磁矩，稱為磁化矢量。圖2為磁矩的宏觀表現(xiàn)示意圖。

圖2 核矩的宏觀表現(xiàn)示意圖

單位體積的磁化矢量稱為磁化強(qiáng)度，通常用m0表示，如

下式：

m0=nμi2/kt×b0=§×b0 （1）

其中§=nμi2/kt稱為該樣品的磁化率，μi為樣品的氫原子核磁矩，n為單位體積樣品內(nèi)的粒子數(shù)，k為玻耳茲曼常數(shù)，t為樣品的熱力學(xué)溫度。

2 核磁共振基本理論分析

2.1 經(jīng)典物理解釋

核磁共振測井主要測量地層中的氫原子信息，可用量子力學(xué)做精確描述。但在工程應(yīng)用中為描述方便，往往采用經(jīng)典力學(xué)或半經(jīng)典力學(xué)方法。為此先說明核磁旋進(jìn)的概念。圖3是一個旋轉(zhuǎn)著的陀螺，當(dāng)它的旋轉(zhuǎn)軸偏離垂線時，通過重心的重力作用并不能使它倒下，而是使其軸線沿圖中圓環(huán)所示的軌跡和方向做圓周運(yùn)動，不斷改變自旋軸的方向。這種運(yùn)動在力學(xué)中叫作旋進(jìn)或進(jìn)動。如果做自旋運(yùn)動的帶電物體具有磁矩，若磁矩偏離外磁場方向，將繞磁場方向進(jìn)動[2]。按照經(jīng)典理論，具有磁矩的原子核，由于自旋運(yùn)動相當(dāng)于一個高速旋轉(zhuǎn)著的陀螺。磁矩在外磁場b0中受到一個力矩μ×b0的作用，在此力矩的作用下核磁矩繞b0進(jìn)動，稱為拉莫爾進(jìn)動，其角頻率為（即對應(yīng)該點(diǎn)氫原子核的拉莫爾頻率）ω0=-γb0，其中γ為氫原子的旋磁比系數(shù)，即動量矩與磁矩的比值。

當(dāng)γ>0的核繞b0作左旋圓運(yùn)動e-iω0t；γ<0的核繞b0作右旋圓運(yùn)動eiω0t。其磁矩μ的旋轉(zhuǎn)示意圖如圖3右側(cè)所示。當(dāng)核磁矩μ以角頻率ω0圍繞b0進(jìn)動時，若對原子核系統(tǒng)再加上一個垂直于b0且角頻率為ω1的旋轉(zhuǎn)磁場b1，在ω1=ω0的條件下，將能使μ和b0之間的夾角發(fā)生變化。磁矩μ在靜磁場b0中的能量為e=-μb0cosθ，當(dāng)θ發(fā)生變化時，μ在b0中的能量也發(fā)生變化。若θ增加，則是核磁矩從外加交變磁場中吸收能量，這就是核磁共振現(xiàn)象。發(fā)生核磁共振的條件是ω1=ω0=γb0，磁性核的進(jìn)動稱之為拉莫爾進(jìn)動，ω0稱之為拉莫爾頻率，它與靜磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度b0成正比。

2.2 量子力學(xué)解釋

原子核從某一能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一能量狀態(tài)稱為原子核在能級之間的躍遷。對于1h核來說，i=1/2，2i+1=2，所以只有兩個能級：-1/2i和+1/2i。躍遷就只能在這兩個能級之間進(jìn)行，根據(jù)量子力學(xué)理論，若將電磁波作用于原子核系統(tǒng)，當(dāng)電磁波頻率所決定的量子的能量hn正好等于原子核兩個相鄰能級之間的能量差時，原子核就會吸收電磁波，引起核能態(tài)在兩個相鄰能級之間的躍遷，這就是核磁共振現(xiàn)象[3]。在此系統(tǒng)中，低能態(tài)的核不斷從旋轉(zhuǎn)磁場中吸收能量而轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣軕B(tài)的核，原來過剩的低能態(tài)的核就逐漸減少，吸收信號的強(qiáng)度就會減弱，最后完全消失，達(dá)到飽和。產(chǎn)生核磁共振的條件是：

hν （2）

式中，?=h/2π，h是普朗克常數(shù)，ν是電磁波的頻率。共振頻率ν和g（或γ）及磁感應(yīng)強(qiáng)度b0成正比，而當(dāng)指示核素選定后（如1h），旋磁比γ為常數(shù)，共振頻率只與b0有關(guān)。對質(zhì)子（1h）：

（3）

量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文6

論文摘要：將量子化學(xué)原理及方法引入材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)域中無疑將從更高的理論起點(diǎn)來認(rèn)識微觀尺度上的各種參數(shù)、性能和規(guī)律，這將對材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。

量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門學(xué)科，經(jīng)過化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡要介紹。

一、在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級與Sr-O，Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來，也為水泥材料的設(shè)計提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學(xué)計算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實驗結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過量子化學(xué)方法進(jìn)行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計算機(jī)時少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時由于電子計算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計算方法以及計算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識對所研究的低級芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設(shè)計路徑的熱力學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了計算。由理論計算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識和計算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計算一直是一個具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過程和作用特點(diǎn)設(shè)計高效低毒的新藥等等，可見運(yùn)用量子化學(xué)的手段來研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計算變得更加迅速和方便。可以預(yù)言，在不久的將來，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

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