量子化学读书笔记 - 001 - P1-7

如果真正想系统地学习量子化学，请阅读书籍。

量子化学概述

概念

量子化学将量子力学应用于化学问题。

应用

量子化学在化学、材料、生物学领域具有非常多且非常有意义的应用，是现代化学、现代生物学的重要理论工具。 在生物学领域，可以用于预测配体与受体发生反应的情况。传统的分子动力学模拟实验无法预测化学反应，更无法从量子化学角度描述相关原子。如果将蛋白质大部分原子使用传统力场参数进行描述，而把在关键位点（如共价抑制剂的反应位点）的相关原子用量子化学的方法进行描述，这样可以同时结合分子动力学模拟和量子化学的优点得到更有意义的研究，这种方法即称为QM/MM（量子力学/分子力学）。目前这种方法已被多种软件支持，如GROMACS的CP2K接口，不过这种方式的建模较为复杂，对于经验不足的初学者来讲，不要过早尝试。如果Gaussian软件都用不顺畅的话，不建议尝试CP2K。

以下引自维基：

QM/MM 方法是在阿里耶·瓦谢尔和迈克尔·莱维特的 1976 年论文中引入的 （doi:10.1016/0022-2836(76)90311-9）。他们与Martin Karplus一起因“为复杂化学系统开发多尺度模型”而获得 2013 年诺贝尔化学奖

同时，在化学、材料（尤其是纳米材料）领域，量化可以预测化学反应的过渡态、反应速度、熵变等等一系列重要参数。量化的重要性不言而喻。

量子力学的历史背景

量子化学依托量子力学理论发展而来。了解量子力学的发展史很有必要。如果想充分了解这段历史推荐一本书——《上帝掷骰子吗？量子物理史话》（曹天元）

• 1803年，Thomas Young做了一个著名的双缝干涉实验，证明了光具有波动性。（Thomas Young在科学领域具有诸多重要的贡献，除了这一著名的双峰干涉实验，材料领域的杨氏模量亦是此大神提出，医学领域中他是最先研究散光的医生同时在语言学领域也有所建树，堪称通才）
• 1864年，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了麦克斯韦方程。
• 1888年，赫兹 (Heinrich Hertz) 测到火花中加速电荷产生的无线电波，正如麦克斯韦方程所预测的那样。这使物理学家确信光确实是一种电磁波。
• 基于这些这些认识，可以知道频率（frequency）$ν$，波长$ν$，光速$c$之间的关系为： \(λν=c\)

…………………………….省略一些内容

• 发现电子和光子有“波粒二象性”（wave–particle duality）。不过二者也有区别，光子在真空中以速度$c$传播且静止质量为0。研究光子的行为时应当始终从相对论的角度看待，但速度远小于$c$的电子可以以非相对论的方式处理。
• 物质波公式：

\[λ=\frac{h}{p} =\frac{h}{mv}\]

不确定性原理（Uncertainty Principle）

又称测不准原理，公式如下：

\[\Delta x \Delta p_{x} \approx h\]

下篇继续说