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量子力學在化學中的應用范文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：引言；2.用開放量子系統來探討生物系統；3.廣義Frster共振能的轉換；4.多維電子光譜的原理。第二部分 在微生物光合成能量轉換中的量子效應，包括第5-7章：5.顏料―蛋白質復合物的結構、函數和量子動力學；6.量子相干性的直接觀測；7.在環境輔助下的量子輸運。第三部分 高級生物體中的量子效應及其應用，包括第8-15章：8.光合作用中激發能的轉換及能量守恒；9.蛋白質中的電子傳輸：根據量子力學的隧道效應，生物體內的電子能直接穿過蛋白質的骨架，這種電子隧道是生物體內能量傳遞的主要途徑；10.用于鳥類導航的化學指南針；11.視網膜的量子生物學；12.嗅覺的量子振動效應；13.從某個視角來看生物體系中可能出現的糾纏；14.仿生量子材料的設計和應用；15.碳納米管中的相干激發。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家，他開發了以量子動力學為理論基礎的機器學習算法。他在研究量子輸運、量子測量以及開放量子體系在生物學中的應用方面做出了突出貢獻。

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

量子力學在化學中的應用范文2

關鍵詞：經典理論 量子力學 聯系

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

量子力學于20世紀早期建立以來，經過飛速的發展，逐漸成為現代物理學科中不可分割的一部分。量子力學是現代量子理論的核心，它的發展不僅關乎人類的物質文明，還使人們對量子世界的認識有了革命性的進展[1]。

但是，量子力學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，即經典理論與量子力學的聯系。為解決這些迷惑，歷史上相關科學家提出了很多實驗與理論。該文旨在以量子力學發展史上提出的幾個實驗為例，對其進行簡單分析，以展示經典理論與量子力學的聯系。

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”的概念，所謂的“量子糾纏態”是以兩個及以上粒子為對象的。在某種意義上，“量子糾纏態”可以理解為是把迭加態應用于兩個及以上的粒子。若存在兩個處于“量子糾纏態”的粒子，那這兩個粒子一定是相互關聯的，用量子力學的知識去理解，只要人們不去探測，那么每個粒子的狀態都不能夠確定。但是，假如同時使這兩個粒子保持某一時刻的狀態不變，也就是說，使兩個粒子的迭加態在一瞬間坍縮，粒子1這時會保持一個狀態不再發生變化，根據守恒定律，粒子2將會處于一個與粒子1狀態相對應的狀態。如果二者相距非常遙遠，又不存在超距作用的話，是不可能在一瞬間實現兩個粒子的相互通信的。但超距作用與當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”。設想把一只貓關在盒子里，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行觸發，若原子衰變，裝置會被觸發，貓會立即死去。于是，量子力學中的原子核衰變間接決定了經典理論中貓的生死。由量子力學可知，原子核應該處于一種迭加態，這種迭加態是由“衰變”和“不衰變”兩個狀態形成的，那么貓應該也是處在一種迭加態，這種迭加態應該是由“死”與“生”兩個狀態形成的，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，都是經典理論與量子理論之間的關系。

2 近代研究進展

2.1 驗證量子糾纏的存在

華裔物理學家Yanhua Shih[3]曾做過一個被稱為“幽靈成像”的實驗，其實驗過程及現象大致可以描述為：假設存在一個糾纏光源，這個光源可以發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，結果發現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。

人們發現，如果僅僅使用經典理論，實驗現象是無法解釋的，必須應用量子理論，才能解釋“幽靈成像”的現象。這個實驗也恰好驗證了“量子糾纏”現象的存在。

2.2 量子世界中的歐姆定律

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

18世紀二、三十年代，人們認為經典方法在宏觀領域是正確的，但是在微觀領域將會被打破。Landauer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）。由此發現，在宏觀領域，樣品的電阻是隨著樣品的長度增加而增加的，而在微觀領域，樣品的電阻與樣品的長度沒有關系。

Weber[4]等人制備了原子尺度的納米線并進行觀察，實驗發現，在微觀領域，歐姆定律也是滿足的。Ferry[5]認為樣品的電阻是由多種機理所導致的，而他最后得到的結果正是由于多種機理的相互疊加。經過分析，他認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。低溫條件下歐姆定律的成立要求在進行實驗研究時，必須花費更多的精力來使得經典理論與量子理論分離開。

2.3 生活中的量子力學――光合作用與量子力學

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合體的化學物質，并在其正常的生活條件下，通過二維電子光譜術對其作用機理進行了分析研究。他們首先使用了飛秒激光脈沖模擬太陽光來激發這些蛋白，發現了會長時間存在的量子狀態。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，而這實際上是一種量子迭加態。由此可見，量子力學與光合作用是有很大聯系的。

3 結語

從近幾年來量子力學的基本問題和相關的實驗研究可以看出，雖然經典理論與量子理論的聯系仍然是一個懸而未決的問題，但是當代科學家已經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，使得微觀領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象的微觀本質，將生活與量子力學逐漸的聯系起來。對于“經典理論與量子力學的聯系”這一專題還需要進行不斷研究，使量子力學得到進一步完善與發展。

參考文獻

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

[2] 孫昌璞.經典與量子邊界上的“薛定諤貓”[J].科學，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.

量子力學在化學中的應用范文3

只有讓學生深刻認識結構化學的重要性，才能使他們產生學習興趣，激發起學習的動力，充分發揮其主觀能動性，使教學達到事半功倍的效果。

(1)結構化學是化學各學科的理論基礎。

結構化學為化學各學科提供理論指導，是聯系基礎化學與高等化學的階梯。結構化學已經滲透到現代化學的各個領域。以學生學習過的課程為例，無機化學中涉及了原子結構、分子結構、晶體結構和配合物結構等方面的內容;有機化學中運用雜化軌道理論和分子軌道理論說明有機物的結構，使用分子對稱性理論描述分子空間結構，利用前線軌道理論解釋化學反應機理等;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，都與結構化學知識緊密相關。從這些學生熟悉的課程入手，可使他們很快體會到結構化學的重要基礎地位。

(2)結構化學是分子設計的理論基礎。

“結構決定性能，性能反映結構”。如果找到某類具有特殊性質的物質的規律性，就能設計出性能更好的分子。結構化學及在其基礎上發展起來的計算化學、分子模擬等對分子設計起理論指導作用。為了讓學生了解這方面的內容，可用如下實例進行說明。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展關系密切的重要元素。碳單質有多種存在形式，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良的結構性質而成為材料科學領域的研究熱點。在教學中可先向學生提出問題:石墨烯的結構是怎樣的呢?這就要從石墨的結構談起。石墨為層狀結構，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動，所以石墨可以導電和導熱，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的海姆和諾沃肖洛夫通過微機械力剝離法制得，二人因在二維空間材料石墨烯方面的開創性實驗而獲得2010年諾貝爾物理學獎。從結構上來看，石墨烯可以看做是構成富勒烯、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。由于石墨烯獨特的結構，決定了其具有多種優異特性，如低密度、高強度、良好的導熱性、室溫下較高的電子遷移率等，這些特性決定了它在半導體工業、材料、力學和光學領域擁有巨大的應用潛力。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業的發展。研究者正在不斷對石墨烯的結構進行修飾和改造，以挖掘和發揮其優良性質，優化使用效果，擴大應用范圍。通過這個例子，可以讓學生深刻感受到結構化學與科技前沿領域的聯系，意識到結構、性能、用途三者間的辯證關系。然后以計算機輔助藥物設計為例進行講解。作為在結構化學基礎上發展起來的新興交叉學科，計算化學正在科學領域內逐漸嶄露頭角。計算化學基于三維分子結構，以量子力學或經典力學原理為指導，確定算法并實現程序，再通過計算機運算來模擬和預測分子體系的性質;計算化學在實際生產中的一個重要應用就是計算機輔助藥物設計。例如研究者通過生物學方面的研究，發現了與某類疾病相關的大分子如蛋白質，將其作為靶標(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構，尤其是得到其作用(活性)位點的結構。這時就可以通過計算機模擬的方式，在數據庫里尋找分子形狀和理化性質與受體作用位點相匹配的小分子(配體)，研究受體與配體的詳細相互作用信息(包括結構信息和能量信息)，合成并測試這些分子的生物活性，這樣就有可能發現新的先導化合物，開發出治愈疾病的藥物分子［。這就是基于受體結構的藥物設計方法，可為藥物開發節省大量時間和資金，已在藥物設計方面取得了巨大成功。如HIV-1蛋白酶抑制劑的設計就是一個典型的成功案例，標志著計算機輔助藥物設計從方法研究過渡到實際應用階段。2013年的諾貝爾化學獎授予美國科學家卡普拉斯，萊維特和瓦謝爾，以表彰他們“為復雜化學體系發展多尺度模型”。這個獎項是對計算化學進步的認可，強調了計算化學在科學領域內越來越大的作用。在計算化學領域有兩種主要的計算方法，一種是基于量子力學原理的量子力學計算方法，另一種是基于牛頓力學的分子力學/分子動力學模擬方法。將這兩種方法有機結合、取長補短而建立起來的量子力學/分子力學方法已獲得巨大成功。例如在研究藥物分子與蛋白質結合時，對藥物及與藥物相作用的蛋白部分采取精確的量子力學計算，對蛋白的剩余部分采取快速的分子力學計算，這樣就兼顧了準確性和計算量，取得了很好的結果。計算機作為當今化學家的工具就像試管一樣重要，模擬是如此真實以至于傳統實驗的結果也能被計算機預測出來。萊維特曾經這樣描述他的一個夢想:利用計算機處理復雜化學過程的能力，實現在分子水平上模擬一個完整生物，構建“數字生命”。通過這個例子，使學生認識到結構化學并非只是“紙上談兵”，而是具有重要的實際應用，可以激發他們的學習興趣。最后，向學生介紹結構化學的發展歷史，將其發展史與諾貝爾獎緊密聯系在一起，進一步突出其重要性。在結構化學中的一些重大科學發現和理論突破基本上都獲得了諾貝爾獎。例如在開創量子力學的過程中，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獎。另外，在研究物質結構的實驗方法方面，如在X射線衍射法、核磁技術和應用、質譜技術、電子顯微鏡技術等領域，都有很多科學家獲得諾貝爾獎。而且還有很多科學家因在結構方面的研究而獲獎，如克里克、沃森和威爾金斯發現DNA雙螺旋結構，科爾、克羅托和斯莫利發現富勒烯，謝克特曼發現準晶體等。將結構化學的發展史與化學史尤其是諾貝爾獎聯系起來，能夠培養學生的科學精神和素養，促使他們樹立遠大的科學理想，使他們獲得強大的學習動力。

2結構化學的學習方法

在讓學生意識到結構化學的重要性以后，接下來就要結合課程特點傳授給他們結構化學的學習方法。首先要重視定理、公式和方法的數學計算和推導。在結構化學中尤其是量子力學部分涉及許多數學和物理方面的內容，比較抽象和難懂。對于定理、公式和方法，學生要嘗試跟著教師的板書一起進行計算和推導，只有這樣，才能理解這些定理、公式和方法，并有助于記憶。當然，并不是要求學生死記硬背，關鍵還是理解。要讓學生體會到演算、推導和邏輯思維的快樂，感受科學的魅力。其次要提高對空間結構的想象能力。在分子結構和晶體結構等內容中，判斷點群、堆積類型、結構型式等都需要發揮學生的空間想象能力。所以對于典型的分子結構和晶體結構要多看多想，通過觀察實物模型和計算機三維模型，尋找特點和規律，根據定理和規則，把看到的具體模型簡化成抽象結構，體味結構之美。最后要求學生要提前預習和及時復習。結構化學難度高、內容多，不提前預習很難跟上教師的講課節奏。即使在課堂上聽懂了，若課下不及時復習，經過一段時間后就容易忘記。因此，要提前預習以做好課前準備，及時復習以鞏固所學知識。另外，要加強習題練習，通過做題來查找學習中的問題，加強對知識的理解。另外，還要向學生說明一些其他教學事宜。如介紹課外參考書和網絡教學資源，說明模型實習的具體安排，制定課堂紀律，明確考試考核要求以及成績構成百分比等。

3結語

量子力學在化學中的應用范文4

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

專業的課程設置

由完成工作所需要的能力，確定以下學習領域：1、物理化學的知識體系一般公認的物理化學的研究內容大致可以概括為三個方面:化學體系的宏觀平衡性質以熱力學的三個基本定律為理論基礎，研究宏觀化學體系在氣態、液態、固態、溶解態以及高分散狀態的平衡物理化學性質及其規律性。在這一情況下，時間不是一個變量。屬于這方面的內容有化學熱力學,溶液、膠體和表面化學。化學體系的微觀結構和性質以量子理論為理論基礎，研究原子和分子的結構，物體的體相中原子和分子的空間結構、表面相的結構，以及結構與物性的規律性。屬于這方面的內容有結構化學和量子化學。化學體系的動態性質研究由于化學或物理因素的擾動而引起體系中發生的化學變化過程的速率和變化機理。在這一情況下，時間是重要的變量。屬于這方面的內容有化學動力學、催化、光化學和電化學。物理化學的主要理論支柱是熱力學、統計力學和量子力學三大部分。熱力學和量子力學分別適用于宏觀和微觀系統，統計力學則為二者的橋梁。原則上用統計力學方法能通過個另分子、原子的微觀數據來推斷或計算物質的宏觀現象。物理化學由化學熱力學、化學動力學和結構化學三大部分組成。2、應用化工專業所需內容的選擇對照操作崗位的知識和能力需要，本著實用、夠用，適當拓展的原則，選取化學熱力學、化學動力學兩大部分，主要內容有物質PVT性質、熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱力學在多組分體系和相平衡體系中的應用、化學平衡、化學動力學基礎、膠體、粗分散系和表面化學。根據課程內容及深度，決定選用高職高專化學教材編寫組編寫的《物理化學》（第三版，化學工業出版社）為基本教材，以傅獻彩主編《物理化學》（第五版，高等教育出版社）為主要參考資料。3、物理化學課程定位學習物理化學需要大學物理、高等數學、基礎化學的基礎知識，同時，物理化學又為學習化工設備基礎、化工熱力學、化學反應工程、煤化工工藝學等課程打下基礎。因此，《物理化學》課程是應用化工專業的重要專業課，是其他主要專業課的基礎。

基于工作過程的教學方法

確定了內容，就需要對知識按照工藝崗位的實際情況，進行解構和重構，即以工作過程為載體，以工作任務為情境，構建認知系統。通過綜合分析周邊化工企業生產工藝，歸納典型崗位，決定選取新能鳳凰甲醇的生產工藝為載體，對物理化學內容進行重構。新能鳳凰甲醇的生產采用的是德士古技術工藝，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，各工段對應的知識如下表：（表略）通過完成任務，提高了學生掌握知識的目的性；在學生自主決策與計劃中，激發其主觀能動性，掌握解決問題的方法與步驟；通過任務實施，培養其動手實踐能力；通過教師的檢查與評價，讓學生體驗成功的愉悅，激發其學習的興趣，提高學習效率和效果。

量子力學在化學中的應用范文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，它體現了流體原子在靜磁場下的核磁能量。由普通物理學得知閉合載流線圈磁矩μ=isn，其中i為電流強度、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。當在磁感應強度（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，系統勢能最低，最為穩定；當兩者反向時系統勢能最高，最不穩定。

1.2 磁矩宏觀表現介紹

在實際應用中，人們關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。例如核磁測井所關注的是地層中大量氫核的綜合效應，而單個氫核的特性只是理解宏觀特性的基礎。含有磁矩的某種樣品，當沒有外磁場時，其磁矩取向是隨機的。宏觀表現為沒有磁性。當有外磁場時，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動，核自旋的空間取向將與塞曼能級相對應。達到熱平衡時，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目略大于反方向的磁矩數目，其矢量和不再等于零，呈現一定大小的宏觀磁矩，稱為磁化矢量。圖2為磁矩的宏觀表現示意圖。

圖2 核矩的宏觀表現示意圖

單位體積的磁化矢量稱為磁化強度，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為單位體積樣品內的粒子數，k為玻耳茲曼常數，t為樣品的熱力學溫度。

2 核磁共振基本理論分析

2.1 經典物理解釋

核磁共振測井主要測量地層中的氫原子信息，可用量子力學做精確描述。但在工程應用中為描述方便，往往采用經典力學或半經典力學方法。為此先說明核磁旋進的概念。圖3是一個旋轉著的陀螺，當它的旋轉軸偏離垂線時，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所示的軌跡和方向做圓周運動，不斷改變自旋軸的方向。這種運動在力學中叫作旋進或進動。如果做自旋運動的帶電物體具有磁矩，若磁矩偏離外磁場方向，將繞磁場方向進動[2]。按照經典理論，具有磁矩的原子核，由于自旋運動相當于一個高速旋轉著的陀螺。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進動，稱為拉莫爾進動，其角頻率為（即對應該點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，即動量矩與磁矩的比值。

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

2.2 量子力學解釋

原子核從某一能量狀態轉變到另一能量狀態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行，根據量子力學理論，若將電磁波作用于原子核系統，當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，引起核能態在兩個相鄰能級之間的躍遷，這就是核磁共振現象[3]。在此系統中，低能態的核不斷從旋轉磁場中吸收能量而轉變為高能態的核，原來過剩的低能態的核就逐漸減少，吸收信號的強度就會減弱，最后完全消失，達到飽和。產生核磁共振的條件是：

hν （2）

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

（3）

量子力學在化學中的應用范文6

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

量子化學是將量子力學的原理應用到化學中而產生的一門學科，經過化學家們的努力，量子化學理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發展，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受到足夠的重視。目前，量子化學已被廣泛應用于化學的各個分支以及生物、醫藥、材料、環境、能源、軍事等領域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導作用。本文僅對量子化學原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領域做一簡要介紹。

一、在材料科學中的應用

（一）在建筑材料方面的應用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學開始廣泛地應用于許多水泥熟料礦物和水化產物體系的研究中，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物相之一，它對水泥石的強度起著關鍵作用。程新等[1,2]在假設材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發現，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，由此認為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。

將量子化學理論與方法引入水泥化學領域，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構與宏觀性能聯系起來，也為水泥材料的設計提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質的超精細場和電子結構，通過量子化學計算表明，含有雜質石原子的磁矩要降低，這與實驗結果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結果表明，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構及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結構和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質方面存在的差異[6]。

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

二、在能源研究中的應用

（一）在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發展和量子化學計算方法以及計算技術的進步，量子化學方法對于深入探索煤的結構和反應性之間的關系成為可能。

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優點，被人們稱之為“最有前途的化學電源”，被廣泛應用于便攜式電器等小型設備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領域發展。

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-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago等[8]用半經驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。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，預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種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，對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究，研究表明，鋰優先插入到石墨層間反應，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構的進一步認識和計算機水平的更高發展，相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領域會更廣泛、更深入、更具指導性。

三、在生物大分子體系研究中的應用

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

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，量子化學發揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便。可以預言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領域發揮更加重要的作用。

參考文獻：

[1]程新.[學位論文].武漢:武漢工業大學材料科學與工程學院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業大學學報,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學報,1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學學報,1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學院學報,1994,8(2):1

[6]閔新民.化學學報,1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262