量子化学基础范文

导语：如何才能写好一篇量子化学基础，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

（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。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

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篇2

关键词：基因 基因概念 历史渊源

中图分类号：Q3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）08（b）-0234-03

遗传学是研究生物起源，基因和基因组结构、功能及其演变规律的学科，而基因的研究对促进遗传学发展具有重要意义。自20世纪开始以来，基因的发展经历了理论水平、细胞水平的遗传学阶段和分子水平上的遗传学阶段，在前人大量实验的基础上，人们对基因的认识不断深入，特别是随着人类基因组计划和“DNA元件百科全书”计划（Encyclopedia of DNA Elements， ENCODE）的完成，人们对基因的认识又有了新的变化，并将遗传学中基因的概念和理论应用到了计算机、商业和信息技术等领域。

如今的21世纪，随着学科交叉研究的发展，一些科学研究者开始利用物理化学工具来研究核酸结构，从分子水平上阐述遗传现象背后的化学本质。本文结合大量文献综述了基因的发展历程以及现阶段物理化学方法在遗传学研究中的应用，并展望了量子化学理论在遗传学领域的应用前景。

1 基因概念的历史渊源

19世纪，由于农业生产发展的需要，人们开始重视动植物的遗传变异现象并对这些现象进行了系统研究，这为基因概念的产生创造了条件。1868年，Darwin C.受Hippocrates和Anaxagoras的生源说影响提出了泛生论的假说，认为生物体的细胞能产生自我繁殖的微粒，这些微粒可以汇聚于生殖细胞并决定后代的遗传性状，这种观点缺乏实验论证，不过它充分肯定了生物体内部存在特殊的物质负责遗传性状的传递。之后，Weismann A.又在前人基础上提出了种质论（Germpiasm），认为种质是生物体的遗传物质，它可能作为遗传单位存在于染色体上，这对基因概念的形成奠定了理论基础[1]。

2 基因的研究发展

2.1 基因概念的提出

在前人的遗传学理论研究基础上，Mendel G.J.第一个对遗传现象做了系统的实验研究。通过豌豆杂交实验，他认为生物性状是由“遗传因子”来控制的，这些遗传现象符合分离定律和自由组合定律。之后，Devries H、Correns C.和Tschermak E.分别证实了孟德尔的实验结果，到1909年，丹麦的Johannsen W.L.首次用“基因”一词表示遗传因子。不过，当时的遗传因子没有涉及到基因的具体物质概念，只是一个经过统计学分析的理论概念。

2.2 基因学说的创立

Mendel的遗传因子学说是宏观水平上的发现，其所提出的遗传因子到底是否存在于细胞中需要进行细胞水平上的研究。随着当时工业生产的发展，用以研究生物学实验的仪器设备有了极大的改进。20世纪初，Boveri T.[2]和Sutton W.S.[3]各自在研究减数分裂时，发现遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系，提出了基因就在染色体上的假说。然后，1910年，Morgan T. H.等[4]用果蝇作材料，进行了一系列杂交实验，发现了伴性遗传现象和基因连锁互换定律，直接证实了基因在染色体上，建立了染色体遗传理论。1926年，Morgan T.H.正式提出了基因学说，即“三位一体”的基因概念，基因首先是决定性状的功能单位，能控制蛋白质的表达，决定一定的表型效应；其次是一个突变单位，可以发生在等位基因之间，表现出变异类型；最后它是一个重组单位，只发生在基因之间，可以产生与亲本不同的基因型[5]。这把染色体和基因联系了起来，说明了基因具有物质性，不过，Morgan在其著作中并没有涉及基因的本质是什么以及基因的功能是如何发挥等问题。

2.3 基因化学本质的研究

对于基因的化学本质和功能等问题，早在1909年，英国Garrod A.E.就提出过基因产生酶的观点。之后，1941年斯坦福大学Beadle G.和Tatum E.[6]在研究真菌过程中，提出了“一个基因一个酶”的假说，认为一个基因控制一个酶的合成，基因通过酶控制生物的代谢途径，这从生物化学角度阐述了基因的功能，不过这种基因的概念仍然没有揭示基因的化学本质，只是解释了基因发挥功能的途径。到1944，Avery等通过肺炎双球菌转化实验证明了遗传物质的化学本质是DNA，然后，1956年，美国的Fraenkel又通过烟草花叶病毒实验证明了RNA也可以作为遗传物质进行传递[7]。

2.4 基因功能的研究

1953年，Watson J.D.和Crick F.H.C.[8]提出了DNA的双螺旋结构，人们开始从分子水平上认识基因的本质，即基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位[9]，从此以后，人们对基因功能的认识开始有了深入的了解。1955年，Benzer S.[10]通过T4噬菌体感染大肠杆菌的互补实验提出了顺反子学说，认为基因就是顺反子，即一个遗传功能单位，一个顺反子决定一条多肽链，它并不是一个突变单位和交换单位。一个顺反子可以包含一系列突变子，突变子是DNA中构成的一个或若干个核苷酸，由于基因内的各个突变子之间有一定距离，所以突变子彼此之间能发生重组，重组频率与突变子之间的距离成正比[11]。

20世纪60年代之前，人们已经认识到基因是有着精细结构的DNA分子，其结构可以继续分割，不过，当时对于基因功能表达及其具体作用等问题的研究依然局限于传统的“一个基因一个酶”的学说。1961年，法国遗传学家Jacob F.和Monod J.L.[12]根据对大肠杆菌的试验，提出了大肠杆菌操纵子模型，认为DNA的不同区域存在一个调节基因和一个操纵子，操纵子模型包括若干结构基因、操纵基因和启动基因。这一模型进一步说明了基因是可分的，通过基因间的密切协作，细胞才能表现出独特的功能[13]。此后，随着DNA重组技术和DNA测序技术的发展，人们对基因的研究更加深入，发现了许多基因的其他功能和特点，极大地完善了人们对生物体各种遗传现象的认识。

2.5 基因概念的新发展

20世纪70年代以后，随着分子生物学技术的飞速发展，人们对基因的结构和功能上的特征有了更多的认识，其中比较重要的发现有假基因、重叠基因、跳跃基因、断裂基因、反转录基因、印记基因等。结合基因的这些新发现，现今人们认识基因有以下几种特点[5]：（1）基因不都是离散的，因为有重叠基因；（2）基因不一定是连续的，如断裂基因；（3）基因可以移动，其位置可以改变，如跳跃基因；（4）基因不是全能的结构单位，有很多顺式作用元件影响转录或剪接；（5）基因也不是简单的功能单位，因为基因可以通过顺式或反式剪接，产生多种蛋白质。那么，到底应该怎样给一个基因准确定义呢？近年来，有很多人对此提出了看法。

Gerstein等[14]提出，基因的定义应该和原来的定义有兼容，建立在已有的生物术语基础之上。他们认为，基因是基因组序列的联合体，这些序列可以编码具有潜在重叠功能的产品（蛋白质或RNA），基因与其调节序列是多对多关系。在此基础上，Pesole[15]则认为基因是一个离散的基因组区域，其转录可以被一个或多个启动子和远端调节成分调控，并含有合成功能蛋白质或非编码RNA的信息。基因在最终功能产物上有共同性质，这个定义主要针对真核生物基因组，强调每个基因都分布于基因组的连续区域，基因序列包含5′UTR和3′UTR。此外，还有学者从计算机角度对基因的定义做了描述，他们把基因组比喻为一个生命体的大的操作系统，而基因就是其中的一个子程序。总之，随着当今科技水平的发展，人们通过对DNA、RNA和蛋白质新功能的研究，发现基因并不是以前想得那么简单，其概念、功能和特征是随着一些特殊的生命遗传现象可以改变的。

如阮病毒的发现，朊病毒是一种只有蛋白质而没有核酸的病毒，就之前生物学家对基因的概念而言，朊病毒的复制并非以核酸为模板，而是以蛋白质为模板，这又重现了20世纪遗传物质本质问题的争议，是现阶段基因概念的新挑战。此外，2006年，《自然》杂志在New Feature栏目上刊登了“什么是基因？”一文，这篇文章结合最近的研究成果对基因的概念做了新的诠释，一些研究发现，RNA不是被动的将基因信息传递下去，而是主动地调控细胞的活动，有的RNA链不是传统认为的只由DNA的一条链转录，而是由两条链转录得来，还有一些RNA可以通过某种途径使正常基因沉默，在必要时还会作为模板纠正某些异常基因，跨世代地携带生物体遗传信息[16]。这些研究发现加深了我们对RNA的认识，深化了我们对生物体遗传现象的了解。又20世纪90年代，美籍华人牛满江教授又发现了“外基因”，即一些生物体细胞质中mtRNA能激活一些特定基因，使生物体表达特定的蛋白质，还有，2008年《自然》杂志上报告，美国科学家确认了一种可导致乳腺癌转移的超级基因，这种基因可控制肿瘤细胞中其他基因的表达，它的表达与癌症发生有密切的联系[17]。

总之，随着科学的不断发展，人们对于生物遗传现象的认识越来越深入，基因的概念也随着生物学的发展不断变化和完善。由于其他非生命领域的研究对象显示出了生命力及与生物基因相似的特征，现今，经济领域和计算机领域中又出现了企业基因[18]、产品基因[19]、数据基因[20]等新的定义，基因概念的基本理论已经发展到更多学科中了，对基因本质和特征的研究越来越有必要。

3 量子化学作为研究核酸方法的应用

当前，遗传学的研究已经发展到了分子水平，然而对于生物遗传现象中一些酶、核酸、激素等活性物质的构象、生物活性和其具体作用机制依然存在争议。生物系统研究的最大难题是生物分子的复杂性，常规的实验方法只能得到实验现象的宏观方面解释，而不能从微观方面对实验现象的化学本质做出解释。目前有一些研究者将物理化学方法应用到了生命科学领域，建立了从理论分析到实验优化的方法模式，他们根据实际体系在计算机上进行实验，通过比较模拟结果和实验数据检验理论模型的准确性，并在此基础上模拟生物大分子的结构、性质和反应过程。

随着计算机技术和物理化学理论的发展，以及X射线、NMR等技术的应用，人们可以利用一些物理化学工具在计算机上进行分子模拟，以此来模拟DNA、RNA和蛋白质的结构，预测蛋白质与核酸的功能和性质。而且，随着计算方法的改进，高度变化的核酸体系的精确分子模拟已成为可能，依赖强大的计算机就能模拟一些更复杂的反应，如DNA、RNA和蛋白质的催化及折叠等[21]。

其中应用比较广泛的物理化学工具就是量子化学方法，量子化学方法是应用量子化学基本原理和方法来研究化学体系的结构和化学反应性能的科学，其基本理论主要有价键理论（VB）、分子轨道理论（MO）、密度泛函理论（DFT），基本的计算方法有从头算方法（ab initio）、半经验方法（semi-empirical method）、密度泛函方法（Density Functional Theory）[22]。量子化学的原理和方法在物理化学、药学计算和生命科学领域有广泛的应用，可以很好地分析分子间相互作用的机理，解释实验中一些宏观现象的物理化学本质。如李梅杰[23]利用量子化学方法中的高精度组合从头算方法（ONIOM-G3B3）研究了核酸自由基性质和损伤机理，很好地解释了生命过程中由于自由基和电子转移导致DNA的断链损伤而引起的衰老、癌症、神经紊乱等疾病的发生。又如2002年，Starikov E.B.[24]总结了核酸中量子化学方法的应用，阐述了核酸中电荷转移过程的量子化学描述及其化学机理，并详细地讨论了不同量子化学方法在研究核酸电子构型中的优缺点。此外，于芳[25]运用量子化学工具对胞嘧啶与丙烯酰胺组成的分子体系进行了计算，以此来模拟核酸与蛋白质相互作用的反应过程，分析了DNA与蛋白质的作用形式。

对于利用量子化学方法研究蛋白质的应用，国外在这方面做得比较深入。如纽约州立大学石溪分校Simmerling C.等[26]应用量子化学方法研究了一种小分子量蛋白质，仅有20个色氨酸构成，准确地预测了蛋白质三维结构的折叠过程。又如Berriz和Shakhnovich[27]模拟了小的三螺旋束蛋白的折叠，Daggett和Fersht[28]模拟了小的单结构域蛋白的动力学折叠.还有Akira Shoji等[29]采用密度泛函理论方法优化了右手α-螺旋的PLA（聚L-丙氨酸）分子（如图1所示，即H-Ala18-OH分子），分析了αR-螺旋的PLA形成的机制，获得优化的αR-螺旋H-Ala18-OH构型外侧的1H、13C、15N、17O原子的化学位移与用高分辨率固相NMR检测的相同。

4 展望

近年来，国内外量子化学在分子生物学中的应用日趋广泛，如利用量子化学方法研究纳米微粒促进靶向给药、纯化核酸以及处理废气等技术的发展；应用量子化学方法优化生物活性分子结构，研发新型抗疾病药物；采用分子模拟的量子化学计算方法探究激素与受体以及其他活性分子与核酸的作用机理等等，很大程度上促进了分子生物学和医学的发展。从目前所作的科学研究看，量子化学完全可以作为遗传学工具来研究生物体遗传现象背后的化学本质，其在遗传学的研究中有广阔的应用前景。

参考文献

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篇3

关键词：惰性原子；氢化硅；势能面；散射面

原子与分子碰撞实验及其理论研究是原子分子物理十分重要的研究方向之一[1]，它为冲击波、声波、风洞流扩张的快速压缩过程中出现的弛豫现象、气相反应和输运性质、气体激光、转动激发的共振荧光过程等科技领域提供了适用的方法和大量的参考信息[2-4]，所以对惰性原子与多原子分子比如氢化硅相互作用势的研究具有非常重要的意义。

研究时利用量子化学Gaussian程序包，采用高水平的量子化学从头计算包括单、双取代并加入三重激发贡献的二次组态相互作用方法，单、双取代包括非迭代三激发的耦合簇方法和大基组加键函数，并经基组重叠误差校正，计算原子与双原子分子在Jacobi质心坐标下的相互作用势V（R，r，θ）。其次用逆变换方法得到相互作用势的径向系数Vλ（R，r），并经非线性拟合构造相互作用势V（R，r，θ）的解析形式：

即“矩阵逆变换―拟合”方法。对于原子与同位素双原子分子的相互作用势V（R，r，θ），在Born-Oppenheimer近似下，由于不改变体系中电子的运动状态，相互作用势不变，即

通过质心变换，从原质心相互作用势V（R'，r，θ'）得到新质心的相互作用势V（R，r，θ），其变换关系为：

对于原子与双原子分子相互作用势V（R，r，θ）的振转模型，用Gaussian03程序计算体系在多个刚性转动模型相互作用势的基础上，采用三维非线性拟合构造相互作用势V（R，ri，θ）振转模型的解析形式。

经过编程计算，可以得出一些非常好的结论[5]，但由于有些数据没有实验数据的支撑，所以在探讨的过程中，只有通过有实验数据的分子碰撞，用许多理论上讲，切实可行的计算方法，不断去运算，然后找出最佳计算方法，再用最佳计算方法去计算原子与分子碰撞，得出的结论再引导开展实验研究的科研工作者，一道把原子与分子的碰撞研究得更加深入，全面。

[参考文献]

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篇4

按照公司《关于加强储粮化学药剂管理的通知》要求，库主任亲自带队，对库内的储粮化学药剂管理工作进行全面、彻底的安全隐患排查，发现问题立行立改，做到了严、细、实。现将排查工作情况报告如下：

一、药品库现场安全

药品库在库区西南，离办公区xx米，离储粮仓房xx米，外部周围是农田区。药品库上不漏下不潮，地面铺地板革，高度符合《储粮化学药剂管理和使用规范》要求，周围没有其它建筑物，消防通道畅通，药品库在库区监控覆盖范围内。药品库双门双锁，窗户安装防盗窗，库房标识、安全标识、责任人标牌齐全。药品库配备有8公斤灭火器4个，消防沙1.5立方米，消防锹1把、消防铲1把。药品库室内安装了防爆灯，配备了自动报警仪、换气扇等，电源开关设在库外，库内药剂货架距离地面高度满足要求。

二、2017年1月-7月药剂采购情况

库2016年结转药剂数量为零。2017年上半年储粮化学药剂采购均经过了公司审批，其中保粮磷在服务网上采购。上半年共采购保粮磷xx公斤，惰性粉xx公斤，所购药品均已按计划全部使用。截止7月末剩余药剂数量为零；药剂验收、出库、入库及报废手续记录齐全。

三、药品库管理情况

药品库严格执行药品库双人、双锁收发制度，双锁钥匙分别由两位保管员保管，在药剂出入库时两人同时在场，共同签字确认，手续记录齐全。

药品库安全责任区负责人：，联系电话：

篇5

关键词：白藜芦醇；定量构效关系；多元线性回归

中图分类号：R979.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）24-6129-03

白藜芦醇（Resveratrol）作为天然抗癌药物，与传统化学药物相比，具有来源广、抗癌广谱、不良反应小等优点[1-3]。白藜芦醇通过抑制肿瘤血管生成，可以达到抑制肿瘤细胞增殖，加速其凋亡的效果。白藜芦醇对多种癌细胞均表现出抑制其生长和促进凋亡的作用[4-6]，但分子机理并不明确。白藜芦醇可以通过降低氨基末端激酶活性，抑制蛋白激酶信号转导通路，达到抑制骨髓瘤、宫颈癌等恶性肿瘤细胞转移的目的[7]。白藜芦醇通过减少处在G0到G1期的细胞和阻滞S期的细胞，从而抑制肿瘤细胞的增殖[8]。Stervbo等[9]以HL-60细胞分化系统为试验模型，证明白藜芦醇能降低粒细胞和巨噬细胞数量，对人早幼粒白血病细胞分化有促进作用。

目前已报道了许多白藜芦醇类似物，其抗肿瘤特性甚至强于白藜芦醇。白藜芦醇促进肿瘤细胞凋亡是由多方面机制引起的。因此研究白藜芦醇药性机理对抗癌新药的开发有着指导作用，通过利用定量结构-活性关系（Quantitative structure activity relationship， QSAR）研究白藜芦醇结构与抗癌活性之间的关系，可以优化改性白藜芦醇结构，发现新的先导化合物结构，这将会指导设计活性优良的新型抗肿瘤药物分子。本研究基于白藜芦醇的药效构象，系统构建了顺反异构的14种白藜芦醇类似物，通过B3LYP/6-31G方法对其进行了量子化学研究，并结合定量构效关系为下一步结构改造提供了依据。

1 材料与方法

1.1 材料

14种白藜芦醇类化合物均参照文献[10]，其结构见图1，活性数据以文献提供的抗大肠肿瘤SW480半数有效剂量IC50表示，单位为μmol/L，在定量构效关系研究中以其负对数pIC50表示活性。

1.2 方法

1.2.1 构型优化及电子结构计算 利用chem3D程序包建立白藜芦醇类化合物分子构型。采用PM3优化图1中14种白藜芦醇类化合物的初始结构。得到分子摩尔折射率（R）、疏水性参数（logP）。再采用Gaussian03软件，在B3LYP/6-31G基组精确优化得稳定构型，单点能计算得到分子极化率（P）、分子体积（V）、分子的偶极矩（μ，Debye）、最高占据轨道能（EHOMO，Harte）、最低空轨道能（ELUMO，Harte）。

1.2.2 相关分析和回归分析 为构建白藜芦醇抗肿瘤活性的定量构效关系，以pIC50作为活性参数，对计算得到的量子化学参数进行线性多元回归分析。其中IC50是通过体外人体大肠肿瘤SW480细胞筛选测定的。pIC50为IC50的负对数，pIC50值越大表征抗癌活性越强。

2 结果与分析

2.1 前线轨道理论分析

14种白藜芦醇类化合物前线分子轨道能量见表1。在药物与受体的相互作用中，最高占据轨道能量与最低空轨道能量是非常重要的因素。根据分子轨道理论，最高占据轨道HOMO及其附近占据轨道具有给出电子的作用， 易与生物大分子的正电区域相结合，产生电荷转移作用，形成电荷转移络合物，从而表现出抗癌活性。而最低空轨道及其附近的空轨道具有接受电子的作用，其有效部位能优先接受电子与生物大分子的负电区域相结合，并体现出生物活性。分析白藜芦醇类化合物的前线轨道分布可以看出，白藜芦醇类化合物的HOMO、LUMO轨道分布在2个苯环及苯环间双键上。故与受体作用时该类化合物的苯环与连接苯环的双键可能是影响活性的重要部位。

从表1抗癌活性数据可知，对应构象中，反式构型的抗癌活性均高于顺式构型。结合化合物2、9的前线轨道图（图2）可以看出，反式构型的前线轨道遍布在整个分子平面上，双键与苯环中附近原子也可形成共轭结构，整个分子形成大的共轭体系，这可能是反式构型化合物活性高于顺式构型的重要原因。从表1数据还可知，在顺式构型中，6位有羟基取代基的构型抗癌效果较好，这主要是由于羟基取代基的引入，导致能量增高，环原子轨道成分的比例增加，进而活性增加。但在反式构型中，则不明显。

2.2 定量构效关系

3 结论

通过量子化学研究了14种白藜芦醇类化合物，结果表明反式构型活性均明显高于顺式构型，前线轨道能量对活性作用显著，在顺式构型中，6位有羟基取代基的构型活性会得到增强。结合多元线性回归，得到了统计意义明显的白藜芦醇类化合物的定量构效关系方程，为下一步设计合成新型高效的白藜芦醇类化合物打下了基础。

参考文献：

[1] ADHAMIV M， AFAQ F， AHMAD N. Involvement of the retinoblastom a（prb）-e2f/dp pathway druing antiproliferative effects of resveratrol in human epidermoid carcinoma （a431） cells[J]. Biochem Biophys Res Commun，2001，288：579-585.

[2] GAUTAM S C， XU Y X， DUMAGUIN M， et al. Resveratrol selecticely inhibits leukemia cells： A prospective agent for exvivo bone marrow purging[J]. Bone Marrow Transplant，2000，25：639-645.

[3] SCHNEIDER Y， VINCENT F， DURANTON B， et al. Anti-proliferative effect of resveratrol， A natural component of grapes and wine， on human colonic cancer cells[J]. Cancer Lett，2000， 58：85-91.

[4] 牛培勤，郭传勇.白藜芦醇药理作用的研究进展[J]. 医药导报，2006，25（6）：524-525.

[5] 付招娣，曹 玉，王凯风.白藜芦醇对癌的化学预防作用[J]. 癌症，2004，23（8）：869-873.

[6] 杜海方，李 宁.白藜芦醇抗癌机制的研究进展[J]. 国外医学，2006，33（2）：84-90.

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[8] KIM A L， ZHU Y， ZHU H， et al Resveratrol inhibits proliferation of human epidermoid carcinoma A431 cells by modulating MEK1 and AP-1 signalling pathways[J]. Exp Dermatol， 2006，15（7）：538-546.

篇6

关键词：原子轨道；误概念；概念转变

文章编号：1008-0546（2016）04-0010-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.004

从道尔顿的原子学说到卢瑟福的核型原子模型，人们一步一步地认识原子的内部微观结构。当原有理论不能解释氢原子线状光谱等实验事实时，出现了量子力学。

玻尔引入了部分量子理念，但只能解释氢原子及一些单电子离子的光谱，原因在于其没有完全抛弃经典力学的内容。1926年薛定谔意识到，微观粒子的波粒二象性和不确定性之间的关系，提出了薛定谔方程。通过求解薛定谔方程得出原子的能量和波函数，波函数又被称为“原子轨道”，能量称为原子轨道能。这正是原子轨道的基础，表示核外电子的运动状态，与经典的轨道意义不同，是一种轨道函数。[1]由于高中阶段学生并未接触波函数和薛定谔方程，本文将“原子轨道”理解为电子在核外空间概率密度较大的区域。可由于玻尔行星模型非常形象简单，学生常常深刻记忆，阻碍学生理解原子轨道的本质――概率。本文就此研究学生产生有关“原子轨道”误概念的原因，针对误概念进行概念转变。

一、误概念产生原因分析

1. 受旧量子学说“玻尔理论”干扰

不同水平学生都更喜欢具体、简单的抽象模型。例如：原子和分子的全填充模型；玻尔原子模型；八隅体规则等。即使学生在一个很高的教育水平也可能使用简单的抽象模型，例如原子模型的量子化学或分子轨道。[2]文献整理发现，学生对玻尔模型尤为记忆深刻。

物理学家玻尔（Niels Bohr，1885-1962），建立氢原子核外电子运动模型，解释了氢原子光谱，后人称为“玻尔理论”，主要内容：（1）行星模型；（2）定态假设；（3）量子化条件；（4）跃迁规则。[3]后来的新量子论完全抛弃了玻尔行星模型的“外壳”，而玻尔理论的合理“内核”保留下来的。学生们却恰恰相反，牢固地记住了“外壳”，忽略了“内核”。

（1） “轨道”（orbital）的错误认识

学生混用“轨道”（orbital）和“玻尔轨道”（orbit）。“轨道”（orbital）是用来描述在一定能层和能级上又有一定取向的电子云，即电子在核外空间概率密度较大的区域。

Georgios Papaphotis和Georgios Tsaparlis（2008）[4]通过测验题检测学生对基础量子化学的理解程度。其中有一道题为“根据你的猜想，画出氢原子实际的样子。”超过三分之二的学生坚持“行星模型”（即使已经学习量子力学概率模型）。图1为学生的图画表征。

学生对“玻尔行星模型”记忆深刻，有三个原因：第一，玻尔采用“类比”的方法，将核外电子运行方式比喻成行星围绕太阳运行，非常形象，不用死记硬背；第二，量子化学用电子云表征“轨道”（orbital），学生头脑中并没有类似的“图式”可以“同化”，造成认知记忆障碍；第三，两个理论都用“轨道”表述，使学生产生理解偏差。是否可以将现今的“轨道”（orbital）改称“云层”，以区别于“玻尔轨道”（orbit），一方面体现电子云的表征方式突出本质，另一方面体现了原子轨道（s，p，d.....）能级层次。

（2） “基态”和“激发态”的错误理解

学生受玻尔理论中的行星轨道影响，认为“基态”和“激发态”仍在固定的轨道上，忽略了核外电子在核外运行的本质为“概率”问题。

Georgios Papaphotis和Georgios Tsaparlis（2008）测试题“在基态氢原子的1s轨道的空间外有可能发现电子吗？说明原因。”。这道题目大约20%的人回答正确。大部分认为，在“1s区域”外发现电子，只有可能是被激发了。这些错误答案都是基于对轨道的“确定性”认识，认为电子是在一个固定空间中运动。

2. 对原子轨道本质“概率”问题不清楚

学生无法对原子轨道本质“概率”问题理解清楚的原因在于，无法理解“为什么微观粒子不能像宏观物体一样用确定的‘轨迹’来描述物体的运动规律？”。其中“海森堡不确定原理”起关键作用。只要明白“不确定原理”为什么“不确定”，就能明白为什么要用“概率”描述微观粒子运动规律。

（1）海森堡不确定理论

海森堡（W，Heisenberg，1901-1976）论证到，对于一个物体的动量（mv）的测量的偏差（mv）和相对该物体的运动坐标，也就是该物体的位置（x）的测量偏差（x）的乘积处于普朗克常数的数量级，即：

Δx・ΔP≥h（4∏）

这个关系式被称为海森堡不确定关系式。用此公式考察氢原子的基态电子，发现电子在相当于玻尔半径的约5倍（260/53）的内外空间里都可以找到（包括在原子核上），这样，玻尔半径以及线性轨道变成了无稽之谈。因此采用“概率”描述微粒粒子的运动规律。

学生不理解“海森堡理论的本质是由电子本身特性引起而非测量工具问题”和“为什么是物体动量和物置之间的偏差”。其实不确定性关系适用于所有物质的普遍原理，不确定性是物质的内在本质。对于宏观物体，看似物体的位置和速度是可以准确确定的，但这只是因为宏观物体的不确定性相对微小，不易察觉而已。事实上，不确定关系揭示的是一条重要的物理规律：粒子在客观上不能同时具有确定的坐标位置及相应的动量。[5]“不确定关系式”其实是根据量子力学基本方程推导出来，而非凭空想象。

而为什么是位置和动量之间的关系呢？描述一个物体的运动规律，需要知道物体的位置和速度，但是速度又与质量有密切相关性即动量，不确定关系就是反应微观粒子运动的基本规律，所以体现在位置和动量两个物理量上。

（2）电子云

电子云是电子在原子核外空间概率密度分布的形象描述，图像中每一个小黑点表示电子出现在核外空间中的一次概率（不表示一个电子），概率密度越大，小黑点越密。

Georgios Papaphotis and Georgios Tsaparlis（2008）测试题“观察图中1s和一个2p轨道电子云图[图2（a）和（b）]。在（a）中远离原子核处有稀疏的点，而（b）中这样点则没有。你认为是其中一张错了还是两张图都错了？”

许多学生认为两张图的不同是由于轨道本质的不同（一个s-，另一个是p-）：

“s轨道的形状是圆形的，然而在p轨道有两个‘耳垂’”，“两个图片都是正确的，因为（a）指的是s轨道（圆形）而（b）是p轨道（两个‘耳垂’）――事实上在p轨道中，靠近原子核处电子密度更大，而远离原子核时密度就减小了”……

无论什么轨道，远离核的部分都有可能出现电子，只是出现的概率小、稀疏，并不取决于属于哪一个轨道。而且学生很容易受“电子云轮廓图”所误导，认为电子就是出现在这个范围之内，而忽略了轮廓图只表示了95%的电子出现的区域。

二、概念转变策略

1. 借助实验仪器

由于“原子轨道”的抽象性和不可视性，研究者研发了一些实验仪器将轨道可视化。

Charles Leonard Hurwitz[6]采用原子探测器（atomic explorer）学习原子的电子结构的本质。Shane P. Tully[7]等人用Jmol软件将类氢轨道网络点彩可视化 （web-based pointillist visualization of hydrogrnic orbitals）。类氢轨道的电子密度点彩图是根据蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）进行交互作用。蒙特卡洛方法又称“统计模拟法”，以概率和统计理论为基础的一种计算机方法。将网络应用程序和Jmol观察器相结合，可获得清晰准确的三维轨道形状和大小，最多可呈现到轨道主量子数5（如图3）。

2. 手工活动

Zephen Specht和Duke Raley[8]设计了一项活动帮助高中生理解不同电子轨道类型（特别是s，p，d和f轨道）。学习轨道和相关的电子密度，发现电子围绕原子核的概率问题。

用一个小弹球扔在白纸上（放在一系列复写纸上面），用来表示电子密度（如图4）。根据s，p或d轨道的不同类型，将白纸折成不同的形状，用这个方法可以使得白纸上的一些地方不与复写纸相结合，来表示节点。“原子核”就是白纸的中心位置。首先学生要学会如何将白纸折成不同的轨道类型，在白纸两面都印有虚线方便学生折叠。纸1：s轨道不用折叠；纸2：p轨道沿着三条虚线折叠，使得白纸中间形成一个“山脊”；纸3：d轨道沿着两个垂直的三条虚线折叠，适当的折起白纸，两个交叉的“山脊”，减去中间的部分，形成一个“X”的图案。用纸夹将纸2和3中间的“山脊”夹住。然后模拟电子云，向纸的中心位置原子核扔弹球。由于白纸下有复写纸，当球落在白纸上时留下印记。弹球扔25次就能在纸1上形成很好的点分布（s轨道），纸2用50次（p轨道）和纸3用75次（d轨道）。

整个过程，学生体会到“为什么轨道有特别的形状”，而且能够将轨道表示的字母（s，p，d和f）与它们的光谱发射谱线特征：锋利（sharp）、主要的（principal）、散开的（diffuse）、基础的（fundamental），建立联系。学生最后还要完成一个工作单，将二维图像转换为三维图像，加强了对电子轨道构型的理解。

3. 小组合作学习

Georgios Tsaparlis和Georgios Papaphptis（2009）[9]采用小组形式在教师的观察指导下完成特定学习任务。小组有3-4个成员，其中至少有一个学生持有正确观点。例如，当学生讨论“氢原子的原子轨道表征方式”的时候，有一组学生原本的观点如图5（学生A画的是d图，学生B画的是b图，然而学生C画的更接近a图（并说明外面的一圈是“s轨道”））。

他们的对话如下（教师为T）：

T：B，虚线指的是什么？

B：是1s，...这个空间里有许多轨道，1s，2s，2p，所有的这些组成了层。

T：这个就是你画的轨道吗？

B：是的，轨道和层。

T：C，你是如何理解的呢？

C：我试着解释轨道不是一个能精确描述的空间，...但是在中心位置确实是原子核，但是最大的圈表示一部分在这里面，这个更大的圈里s轨道被包括，就是发现电子的可能范围。

T：A，你是怎么认为的呢？

A：我已经把氢原子的原子中心放上一个质子，这些点随着远离原子核变得更加稀少，实际上我已经画出了可能性，就是可能发现电子的位置。

T：我们已经看到了所有的图画，哪些能体现问题中所提到的真实性？

B：A能够体现，因为有原子核存在，也能体现在1s中发现电子的可能性，甚至从原子核到无穷远的地方也不会是0。

T：C你是如何认为的？

C：同意。

T：那我们对照看自己所画的图？

C：降低了可能性，在一定距离后就变成0了。

从对话中发现，教师能够针对学生理解的“关键处”进行指导。观察多组讨论发现，大部分学生可以接受电子云是电子在瞬间出现的不同可能点的位置，但不能接受用这样的一张图表征氢原子内部“看到”的样子。所以学生不能够用静态图表示，结果又回到了行星模型。此时教师用一个类比的方法帮助学生理解，用一个自行车快速旋转，辐条所呈现的样子帮助学生理解电子云图可以表示氢原子的动态时的样子。这样的讨论可以激发学生最真实的想法，从本质上进行概念转变。

三、小结

总结以上三种概念转变策略，小组合作学习能够从本质上解决对“玻尔理论”的根深蒂固理解，在对话中引发认知冲突并建立正确概念，但这种方法所需时间较多。实验仪器能够将微观结构表现得淋漓尽致，给予视觉冲击的同时理解原子的微观结构。但考虑各学校的条件不同，这种方法的局限性也暴露无遗。手工活动能够让学生亲身体验轨道的形成过程，且所需材料方便易得，体会不同轨道的形状的同时，理解“不确定性理论”。每种方法各有优缺点，只要教师恰当使用，概念转变就不是问题。

参考文献

[1] 宋天佑. 简明无机化学[M]. 北京：高等教育出版社，2007

[2] Christina Stefani，Georgios Tsaparlis. Students’s Levels of Explanations，Models，and Misconceptions in Basic Quantum Chemistry：A Phenomenographic Study[J]. Journal of research in science teaching，2009

[3] 北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学无机化学教研室编.无机化学上册（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：27

[4] Georgios Papaphotis and Georgios Tsaparlis，Conceptual versus algorithmic learning in high school chemistry：the case of basic quantum chemical concepts Part 2. Students’ common errors，misconceptions and difficulties in understanding[J].Chem. Educ. Res. Pract.，2008，9：332C340

[5] 杨福家著. 原子物理学[M]. 北京：高等教育出版社，2008

[6] Charles Leonard Hurwitz. Evaluating conceptual change in high school honors chemistry studentsston[J]. United States：Boston University School of Education，2006

[7] Shane P. Tully，et al. Interactive Web-Based Pointillist Visualization of Hydrogenic Orbitals Using Jmol[J]. J. Chem. Educ. 2013，90：129-131

篇7

近20年以来，基于图形处理器（GPU，Graphics Processing Units）的计算模拟技术快速发展，研究内容几乎涵盖了各个学科。本书通过梳理GPU技术的发展历史，突出了GPU的技术优势，并重点介绍了图形处理器在电子结构计算方面的应用及进展。

全书分为两个部分。第一部分 主要是计算科学的发展历史和常用的电子结构计算方法，包含第1-3章：1.介绍并行计算的历史背景和GPU技术的出现，突出GPU相对于CPU在海量数据处理方面的优势；2.介绍目前最流行的CUDA通用并行计算架构，并分析了GPU技术对硬件和软件的要求；3.总览电子结构计算方法，包括哈特利-福克方法、密度泛函理论、半经验理论等，并分析了不同的基组函数选择对计算效率的影响。第二部分 主要是对各种不同基组函数和不同计算方法的细致分析，含第4-14章：4.基于GPU的高斯型基组的哈特利-福克方法和密度泛函理论的计算，进行了烯烃和水分子相互作用计算的实例，其主要应用于原子与分子的尺度；5.结合ADF软件，分析了GPU对Slater型基组密度泛函理论的计算效率的提高；6.基于小波变换的大规模并行混合架构密度泛函理论计算；7.基于平面波的密度泛函理论电子结构计算方法，并对几何结构弛豫、能带结构与电子密度计算进行了分析。相比于CPU，GPU的计算速度更快，同时也对计算软件的优化提出了更高的要求；8.GPU对线性标度算法中的稀疏矩阵乘法的加速；9.基于格点的投影缀加波方法，GPU在提升该方法计算速度方面还有很大的空间；10.GPU在实空间密度泛函和含时密度泛函理论方面的应用；11.GPU对半经验的量子化学计算方法的优化；12.GPU对MollerPlesset二级微扰理论计算方法的改进；13.基于GPU的迭代耦合簇方法，此方法主要解决多体问题，并主要应用于费米子体系；14.基于GPU的微扰耦合簇方法，并从单参考态耦合簇方法和多参考态耦合簇方法两个方面进行了分析。

本书对于图形处理器的电子结构的计算方法做了细致的介绍，并在每一章都列举了计算实例，辅助读者理解GPU在数据计算方面的优势。由于基于平面波的密度泛函理论是目前材料科学计算领域最常用的方法，因此作者在第7章花费了较多篇幅介绍了该方法的理论背景，并对CPU和GPU计算实例进行了比较，凸显了GPU的计算优势。因此本书对于从事计算软件开发和材料计算科学的研究人员有重要的参考意义。

梁飞，博士研究生

篇8

化学的学科发展，可以提到许多方面，如飞秒化学。化学向生物学和医学、材料设计、能源、大气和环境化学、国家安全与个人安全等领域的拓展等。在本文中，要着重说的是：化学与化学工程的重新融合。

20世纪初，化学工程从应用化学中脱胎而出，经历了单元操作和三传一反，形成了化学工程学，从以经验为主过渡到有一定预测功能的较完整的理论，从而导致化学与化学工程的分离。这种情况在20世纪90年生了变化，基础化学研究与化学工程之间发生了空前的交叠和渗透。化学家越来越多地介入复杂系统的构造、分析和使用中，这些自然而然与工程学中的系统方法有关。化学工程师正日益进入越来越多的化学基础领域，在一些情况下甚至处于领导地位。在2003年美国出版的《超越分子前沿――化学与化学工程面临的挑战》一书中，开始使用化学科学来代表所有化学家和化学工程师的工作范围。

化学是一个多尺度的科学。微观尺度是从电子和原子核到分子，例如分子设计。宏观尺度，例如实验室合成、生产装置、化学和物理操作、产品包装和运输。现在大家更关注介观尺度。从化学方面来说，人们关注超越分子的层次，进入超分子、分子集团、大分子、活性中心、器件的作用域，可以说从微观跨越到介观以至宏观层次。从化学工程来说。人们也不再满足于宏观的三传一反，而是逐步深入到颗粒、液滴、气泡、微孔、界面等介观行为，并对微观的机理也表现了浓厚的兴趣。化学由底向上，化学工程由顶向下，在介观层次相遇，互相借鉴，对于化学科学及其理论的发展，形成了巨大的推动。

二、介观尺度的研究

通常化学以量子力学或量子化学为理论基础，用以研究物质的微观结构、化学键和对称等，现在正逐步重视随时间发展的动态演变。在唯象地说明宏观现象时，则应用热力学。进入介观层次后，要采用平衡态和非平衡态的统计力学，后者需要综合应用流体力学的原理。

化学工程通常以流体力学和热力学为理论基础，特别重视湍流理论、多相流和不可逆过程的热力学。计算流体力学有很大的发展。在研究湍流的强相关机理以及涉及介观层次时，统计力学原理起着重要的作用。而在为特征参数找出规律时，则需要量子力学的帮助。

化学科学理论的发展，进入到综合运用量子力学、统计力学、热力学和流体力学的时代，目标是解决多尺度时空结构与宏观平衡和速率的关系。

进行多尺度时空结构研究，有两个重要方面：一是由下向上的预测。从分子结构逐级预测介观层次的各种结构及其随时间的演变，并进而预测宏观层次的结构、反应和分离的特性，以至在反应器和分离装置中的行为，目标是形成无缝的从微观到宏观的链接。要做到这一点，先要搞清楚各个相邻层次的时空结构是如何相互关联的。研究这种关联，首先要有实验的观察，总结经验的规律，然后是理论的建立和推导，作为过渡步骤，也常常是采用模型的半经验方法。二是由上向下的控制。用宏观的手段，逐级控制各级时空结构的形成。这两个方面有着紧密的联系，有相辅相成的关系。

三、对化学教学的启示

为了适应不断变化的新形势，化学教学要做好以下几点：

第一要打好基础。最重要的是，对于本学科的框架结构，通过教学，应使学生有一个系统的完整的初步认识。新的现象、规律和方法不断出现，要善于在学科的框架结构中找到它的位置。

对于物理化学，我们认识到的学科框架包括：

两大类研究对象：平衡和速率。

三个层次：宏观层次，由微观到宏观的过渡层次，微观层次。

两个方面：普遍规律和物质特性。两者结合，可以解决实际问题。

三种方法：研究物质特性，有实验方法、半经验方法和理论方法。从理论上研究物质特性，将进入下一个更深的层次。

例如生物膜中的促进传递和耦合传递。属于宏观层次的速率过程，具体来说是界面中的速率过程。对于普遍规律，要学教材中“传递过程”的内容(当然还有些特殊的地方)。为得到某一个生物膜的传递特性，要采用实验测定，或半经验方法。而要从理论上得到这种特性，必须应用统计力学。

又如耗散颗粒动态学DPD，它是一种介观层次的模拟，实质上它就是分子动态学模拟MD，属于从微观到宏观的过渡层次的普遍规律范畴。特殊之处是应用了粗粒化，引入更低的介观层次，相应还采用了耗散力和随机力。

第二要强调开放。框架是开放的，可以不断更新和充实。内容是开放的，可以经常介绍新的进展。

对于如此丰富的介观层次，上述框架的精神依旧。微观和宏观之间，可以加入各种由低到高的介观层次之间的过渡层次。研究某一介观层次的特性，仍然有实验、半经验、理论这三种方法。理论方法主要采用平衡态和非平衡态的统计力学，相应进入了下一个层次，即从更低的介观层次到该介观层次的过渡层次。

第三要善用类比。类比永远不会完美，却几乎常常有用。物理学是一个由于类比而兴旺的领域，例如，基于借自超导的概念，我们可以至少部分理解超流的氦。物理化学中类比于由理想气体到实际气体，在研究混合物时，我们由理想混合物到实际混合物。

上面提到的耦合传递，可以和耦合反应进行类比。又如密度泛函理论DFT，则是以密度分布p(r)代替传统的位能函数ε(r)为基本变量构筑泛函。变分原理则等价于最概然分布原理或熵最大原理。

当前的薄弱环节是：从微观到宏观的过渡层次；传递速率；进展。

要加强教学资源建设，包括教材、系列参考书、电子教材、网站建设等。

四、教学方法

篇9

一门科学的内涵和定义至少有四个属性：

整体和局部性科学是一个复杂的知识体系，好比一块蛋糕。为了便于研究，要把它切成大、中、小块。首先切成自然科学、技术科学和社会科学三大块。在自然科学中，又有许多切法。一种传统的切法是分为物理学、化学、生物学、天文学、地理学等一级学科。近年来又有切成物质科学、生命科学、地球科学、信息科学、材料科学、能源科学、生态环境科学、纳米科学、认知科学、系统科学等的分类方法。化学是从科学整体中分割开来的一个局部，它和整体必然有千丝万缕的联系。这是它的第一个属性。

学科之间的关联和交叉如果把科学整体看成一条大河，那么按照各门科学研究的对象由简单到复杂，可以分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游科学，化学是中游科学，生命科学、社会科学等是下游科学。上游科学研究的对象比较简单，但研究的深度很大。下游科学的研究对象比较复杂，除了用本门科学的方法以外，如果借用上游科学的理论和方法，往往可以收到事半功倍之效。所以“移上游科学之花，可以接下游科学之木”。具有上游科学的深厚基础的科学家，如果把上游科学的花，移植到下游科学，往往能取得突破性的成就。例如1994年诺贝尔经济奖授予纳什，他在1950年得数学博士学位，1951－1958年任美国麻省理工学院数学讲师、副教授，后转而研究经济学，把数学中概率论之花，移到经济学中来，提出预测经济发展趋势的博弈论，因而获得诺贝尔经济奖。

发展性化学的内涵随时代前进而改变。在19世纪，恩格斯认为化学是原子的科学（参见《自然辩证法》），因为化学是研究化学变化，即改变原子的组合和排布，而原子本身不变的科学。到了20世纪，人们认为化学是研究分子的科学，因为在这100年中，在《美国化学文摘》上登录的天然和人工合成的分子和化合物的数目已从1900年的55万种，增加到1999年12月31日的2340万种。没有别的科学能像化学那样制造出如此众多的新分子、新物质。现在世纪之交，我们大家深深感受到化学的研究对象和研究内容大大扩充了，研究方法大大深化和延伸了，所以21世纪的化学是研究泛分子的科学。

定义的多维性一门科学的定义，按照从简单到详细的程度可以分为：（1）一维定义或X－定义，X是指研究对象。（2）二维定义或XY－定义。Y是指研究的内容。（3）三维定义或XYZ－定义。Z是指研究方法。（4）四维定义或WXYZ定义，W是指研究的目的。（5）多维定义或全息定义。一门科学的全息定义还要说明它的发展趋势、与其他科学的交叉、世纪难题和突破口等等。这样才能对这门科学有全面的了解。下面以化学为例加以说明。

化学的一维定义

21世纪的化学是研究泛分子的科学。泛分子的名词是仿照泛太平洋会议等提出的。泛分子是泛指21世纪化学的研究对象。它可以分为以下十个层次：（1）原子层次，（2）分子片层次，（3）结构单元层次，（4）分子层次，（5）超分子层次，（6）高分子层次，（7）生物分子和活分子层次，（8）纳米分子和纳米聚集体层次，（9）原子和分子的宏观聚集体层次，（10）复杂分子体系及其组装体的层次。

化学的二维定义化学是研究X对象的Y内容的科学。具体地说，就是：化学是研究原子、分子片、结构单元、分子、高分子、原子分子团簇、原子分子的激发态、过渡态、吸附态、超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态，直到分子材料、分子器件和分子机器的合成和反应，制备、剪裁和组装，分离和分析，结构和构象，粒度和形貌，物理和化学性能，生理和生物活性及其输运和调控的作用机制，以及上述各方面的规律，相互关系和应用的自然科学。

化学的三维定义化学是用Z方法研究X对象的Y内容的科学。化学的研究方法和它的研究对象及研究内容一样，也是随时代的前进而发展的。在19世纪，化学主要是实验的科学，它的研究方法主要是实验方法。到了20世纪下半叶，随着量子化学在化学中的应用，化学不再是纯粹的实验科学了，它的研究方法有实验和理论。现在21世纪又将增加第三种方法，即模型和计算机虚拟的方法。化学的四维定义化学是用Z方法研究X对象的Y内容以达到W目的的科学。化学的目的和其他科学技术一样是认识世界和改造世界，但现在应该增加一个“保护世界”。化学和化学工业在保护世界而不是破坏地球这一伟大任务中要发挥特别重要的作用。造成污染的传统化学向绿色化学的转变是必然的趋势。21世纪的化工企业的信条是五个“为了”和五个“关心”：为了社会而关心环保；为了职工而关心安全、健康和福利；为了顾客而关心质量、声誉和商标；为了发展而关心创新；为了股东而关心效益。

化学的多维定义———21世纪化学研究的五大趋势

1、更加重视国家目标，更加重视不同学科之间的交叉和融合在世纪之交，中国和世界各国政府都更加重视国家目标，在加强基础研究的同时，要求化学更多地来改造世界，更多地渗透到与下述十个科学郡的交叉和融合：1数理科学，2生命科学，3材料科学，4能源科学，5地球和生态环境科学，6信息科学，7纳米科学技术，8工程技术科学，9系统科学，10哲学和社会科学。这是化学发展成为研究泛分子的大化学的根本原因。所以培养21世纪的化学家要有宽广的知识面，多学科的基础。

2、理论和实验更加密切结合

1998年，诺贝尔化学奖授予W．Kohn和J．A．Plple。颁奖公告说：“量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具，将化学带入一个新时代，在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。化学不再是纯粹的实验科学了。”所以在21世纪，理论和计算方法的应用将大大加强，理论和实验更加密切结合。

3、在研究方法和手段上，更加重视尺度效应

20世纪的化学已重视宏观和微观的结合，21世纪将更加重视介乎两者之间的纳米尺度，并注意到从小的原子、分子组装成大的纳米分子，以至微型分子机器。

4、合成化学的新方法层出不穷合成化学始终是化学的根本任务，21世纪的合成化学将从化合物的经典合成方法扩展到包含组装等在内的广义合成，目的在于得到能实际应用的分子器件和组装体。合成方法的十化：芯片化，组合化，模板化，定向化，设计化，基因工程化，自组装化，手性化，原子经济化，绿色化。化学实验室的微型化和超微型化：节能、节材料、节时间、减少污染。从单个化合物的合成、分离、分析及性能测试的手工操作方法，发展到成千上万个化合物的同时合成，在未分离的条件下，进行性能测试，从而筛选出我们需要的化合物（例如药物）的组合化学方法。

5、分析化学已发展成为分析科学分析化学已吸收了大量物理方法、生物学方法、电子学和信息科学的方法，发展成为分析科学，应用范围也大大拓宽了。分析方法的十化：微型化芯片化、仿生化、在线化、实时化、原位化、在体化、智能化信息化、高灵敏化、高选择性化、单原子化和单分子化。单分子光谱、单分子检测，搬运和调控的技术受到重视。分离和分析方法的连用，合成和分离方法的连用，合成、分离和分析方法的三连用。

篇10

关键词：氢分子（H2）；能量―核间距曲线；结构化学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章号：1674-9324（2017）10-0217-04

一、前言

结构化学是化学和应用化学（理科）专业的一门专业核心课程，主要讲解原子的电子结构、分子的电子结构和几何构型以及晶体（包括离子晶体、分子晶体、原子晶体以及金属晶体）的微观几何构型和物理性质。结构化学的理论基础是量子化学。大多数的结构化学教材（比如北京大学周公度、段连运教授编著的《结构化学基础（第3、4版）》[1]、厦门大学化学系物构组编写的《结构化学》[2]等）对于氢分子离子的能量核间距曲线都有涉及或详细讲解，学生可以很直观地明白为什么氢分子离子的能量是与核间距相关的。另一方面，可能由于处理比较复杂的原因，大多数教材对于氢分子能量与核间距的关系都涉及很少或者没有进行详细讲解。学生只是知道二者之间是有关系的，但是并不十分清楚二者之间是怎样的关系，怎样根据已有的数据绘制出氢分子的能量核间距曲线。本文旨在详细阐述这一问题。

二、氢分子能量核间距曲线的详细绘制步骤

本文以有关教材中给出的氢分子能量表达式为出发点，首先参考有关文献给出氢分子能量E与核间距R之间的函数关系式，然后以此函数关系式为基础计算出E与R之间的数值关系，最后绘制出E-R关系曲线。

（一）氢分子能量E与核间距R之间的函数关系式

参见《结构化学基础》教材[1]第90页，当用价键法和线性变分法处理氢分子时，描述氢分子中电子运动状态的两个波函数及其对应的能量为：

ψ■=■（ψ■+ψ■）=■[ψ■（1）ψ■（2）+ψ■（1）ψ■（2）]

E■=■=2E■+■

ψ■=■（ψ■-ψ■）=■[ψ■（1）ψ■（2）-ψ■（1）ψ■（2）]

E■=■=2E■+■

这里ψ■、ψ■均为氢原子基态波函数，均已经归一化，均是实数；E■为基态氢原子的能量，S为交换积分，Q称为库伦积分，A称为交换积分：

S=∫ψ■■1ψ■1dτ■=∫ψ■■2ψ■2dτ■

Q=∫∫ψ■■1ψ■■2■'ψ■1ψ■2dτ■dτ■

A=∫∫ψ■■1ψ■■2■'ψ■2ψ■1dτ■dτ■

参考Slater教授编著的《Quantum Theory of Molecules and Solids： Electronic structure of molecules》书[3]中第50―51页，经过一定的推导，可以得到：

Q=■+■J+■J+■J'=J+■J'+■

A=■+■SK+■SK+■K'=KS+■+■

其中：

J=-■+2+■×e■

J'=■-■+■+■+■×e■

K=-2+2R×e■

S=1+R+■×e■

S'=1-R+■×e■

-Ei（-x）=■■dt

K'=■×

-e■×-■+■R+3R■+■？摇+■×S2×0.57722+lnR？摇+S'2×Ei-4R？摇-2×S×S'×Ei-2R？摇？摇

（二）能量―核间距（E-R）之间的数值关系

在上面K'的表达式里面含有指数积分函数Ei（-4R）和Ei（-2R）。它虽然也是核间距R的函数，但并没有解析形式，只有数值形式，因此无法得到E-R的解析表达式，只能得到分散的数值解形式。本文在计算的时候，核间距R的取值区间范围为0.1―4.0a.u.，取值间隔（步长）为0.1a.u.，因此共计40个点。本文主要采用Origin7.5对有关的数值进行计算和处理。

1.S值的计算机实现。

col（S）=（1+col（R）+col（R）^2/3）*exp（-col（R））

这里，“col（S）”表示S的数值，“col（R）”表示核间距R的数值。

2.J值的计算机实现。

col（J）=-2/Col（R）+（2+2/Col（R））*exp（-2*Col（R））

这里，“col（J）”表示J的数值，“col（R）”表示核间距R的数值。

3.K值的计算机实现。

col（K）=-（2+2*col（R））*exp（-col（R））

这里，“col（K）”表示K的数值，“col（R）”表示核间距R的数值。

4.S'值的计算机实现。

col（S'）=（1-col（R）+col（R）^2/3）*exp（col（R））

这里，“col（S'）”表示S'的数值，“col（R）”表示核间距R的数值。

5.J'值的计算机实现。

col（J'）=2/col（R）-（2/col（R）+11/4+3*col（R）/2+col（R）^2/3）*exp（-2*col（R））

这里，“col（J'）”表示J'的数值，“col（R）”表示核间距R的数值。

6.K'值的计算机实现。

col（K'）=2/5*（-exp（-2*col（R））*（-25/8+23/4*col（R）+3*col（R）^2+col（R）^3/3）+6/col（R）*（col（S）^2*（0.57722+ln（col（R）））+col（S'）^2*col（Ei4R）-2*col（S）*col（S'）*col（Ei2R）））

这里，“col（K'）”表示K'的数值，“col（R）”表示核间距R的数值，“col（S）”表示S的数值，“col（S'）”表示S'的数值。另外，还有“col（Ei4R）”和“col（Ei2R）”的数值未知，它们分别表示指数积分函数“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的数值。

7.“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的数值。

根据上面指数积分函数的定义，可以得到：

Ei（-4R）=-■■dt Ei（-2R）=-■■dt

上述两个指数积分可以从Miller和Hurst撰写的“Simplified Calculation of the Exponential Integral”（指数积分的简便计算）论文[4]的表格中查找。比如，当R=

0.1a.u.时，-2R=-0.2a.u.，-4R=-0.4a.u.。⒓该论文189页的表格，最左边x=0.2时，最右边“-Ei（-x）=

0.122265×101=1.22265”，因此“Ei（-0.2）=-1.22265”；最左边x=0.4时，最右边“-Ei（-x）=0.70238×100=

0.70238”，因此“Ei（-0.4）=-0.70238”。类似的，我们可以查到当R取其他数值时“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的数值。需要说明的是，这种查表方法仅仅是求“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”数值的一种可行方法，还有许多其他方法（比如可以使用MatLab软件中的指数积分函数，x取任意正实数都可以得到相应的“Ei（-x）”）。

8.数值列表。

知道了R、J、J'的数值，就可以求得Q的数值；知道了R、S、K、K'的数值，就可以求得A的数值；而知道了S、Q、A的数值，就可以求得E的数值。表1中给出了不同R值时，S、J、K、S'、J'、Ei（-4R）、Ei（-2R）、K'、Q、A以及E+、E-对应的数值。这些物理量的单位均为原子单位。

（三）能量―核间距（E-R）曲线的计算机绘制

根据表1中的E+-R和E--R数据，可以绘制E-R曲线，如下图所示。图中能量和核间距的单位均为原子单位。对于能量，1a.u.=27.2eV=627.51kcal/mol=2625kJ/mol；对于核间距（长度），1a.u.=0.529■=0.0529nm。

三、结论

本文以有关教材中给出的氢分子能量表达式为出发点，首先参考有关文献给出氢分子能量E与核间距R之间的函数关系式，然后以此函数关系式为基础计算出E与R之间的数值关系，最后绘制出E与R之间的关系曲线。这种详细处理对于学生深刻理解量子力学处理化学问题的思路和方法，对于学生深刻理解分子构型（核间距）对分子能量的影响，对于激发学生学习结构化学的兴趣，都有着非常积极的意义。

参考文献：

[1]周公度，段连运.结构化学基础[M].北京大学出版社，2003.

[2]林梦海，林银钟.结构化学[M].北京：科学出版社，2004.