Н.Ф. Степанов - Квантовая механика и квантовая химия (1124204)
Текст из файла
УДК 530.145 + 541.1 ЬБК 17.8 С79 Предисловие 1БВХ 5-03-003414-5 Редакция литературы по химии 1ЯВХ 5-03-003414-5 © <(Мир», 2001 Степанов Н. Ф. С79 Квантовая механика и квантовая химия. — М.: Мир, 2001.— 519 с., ил. (Теоретические основы химии). Учебное издание соответствует программе учебных курсов университетов.
Подробно излагаются основные положения квантовой теории и ее химические приложения. Каждая глава снабжена набором вопросов и задач для самостоятельной работы. Для студентов университетов и технических вузов. Издание осуществлено совместно с Издательством Московского университета Учебное издание Николай Федорович Степанов КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА И КВАНТОВАЯ ХИМИЯ Зав. редакцией канд. хим.
наук Т. И. Почкаева. Ведущий редактор Р. Г. Есакова. Художник 3, А. Смирнов. Художественный редактор Н. В. Зотова. Технический редактор Е. В. Денюкова. Корректор Н. Ф. Мазотова Лицензия ЛР № 010174 от 20.05.97 г. Подписано в печать 22.03.01. Формат 60х90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура 1ЧежтопС.
Объем 16,25 бум. л. Усл. печ л. 32,50. Уч -изд. л. 31,23. Изд. № 3/9781. Тираж 5000 экз. Зак, ~395 Издательство «Мир» Министерства РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций. 107996, ГСП-6, Москва, 1-й Рижский пер., 2 ППП «Типография Наука» 121099, Москва, Шубинский пер., 6 ° Курс квантовой механики и квантовой химии на химических факультетах университетов представляет собой начальное введение в основной раздел современной теоретической химии, без знания которого работать в химии, конечно, можно, как можно работать без знания математики. Любая теория, однако, дает определенную широту взгляда, позволяет увидеть общие стороны казалось бы разнородных явлений и открывает возможности для сравнения различных объектов и проведения аналогий между их свойствами.
Математически оформленная теория дает к тому же и возможность рассчитать свойства объектов. Так, классическая теория химического строения позволяет сказать, пусть на основе только лишь феноменологических построений, какова может быть структура химического соединения, каковы особенности этой структуры и свойств рассматриваемого соединения сравнительно с другими соединениями, каков набор химических и физико- химических свойств должен быть присущ этому соединению. Квантовая теория оперирует более детальной информацией о строении вещества, что позволяет ей объяснять и предсказывать многие свойства химических соединений ~и особенности проявления этих свойств), в том числе такие, которые подчас неподвластны классической теории, например свойства возбужденных состояний, хотя, конечно, по своей общности выводов квантовая теория в чем-то и уступает классической теории.
Квантовая химия — это раздел теоретической химии, в котором строение и свойства химических соединений, их взаимодействия и превращения рассматриваются на основе представлений квантовой механики и экспериментально установленных закономерностей, в том числе описываемых классической теорией химического строения, Одно из наиболее важных ее направлений— изучение элементарных актов химических превращений, подчас выделяемое в последние годы отдельно как химическая динамика.
Квантовая химия использует математический аппарат и методы квантовой механики для описания и расчета свойств химических соединений, начиная с атомов и простейших молекул и кончая такими высокомолекулярными соединениями, как белки, и позволяя привлекать для анализа данные не только по частотам переходов, но и по интенсивностям и по контурам полос.
Она играет определяющую роль при получении информации о межмолекулярных взаимодействиях, при разработке моделей влияния среды на молекулу, в том числе в задачах адсорбции и гетерогенного катализа. В настоящее время быстро развиваются квантовохимические подходы к описанию эволюции химических систем, в частности эволюции возбужденных молекул после воздействия на них того ино~о внешнего поля, например лазерного излучения.- Можно упомянуть и о роли квантовой химии при изучении высокомолекулярных соединений, при построении моделей в молекулярной биологии и квантовой фармакологии, а также в химическом материаловедении.
Очевидно, что при первоначальном знакомстве с квантовой механикой и квантовой химией все многообразие проблем затрагивать не имеет смысла. Такое знакомство должно лишь дать представление о самой науке и о тех основных методах, которыми она пользуется при получении результатов. К тому же квантовая химия подчас опирается на такой математический аппарат, который в университетских курсах по математике для студентов химического профиля отсутствует, что также не позволяет ввести ряд ее важных разделов в начальный курс. По этим соображениям в настоящем учебнике опущены разделы по динамике молекул при их возбуждении и химических превращениях, по использованию методов вторичного квантования и функции Грина, по квантовохимическим проблемам теории твердого тела и т.п.
В лучшем случае они лишь бегло упоминаются. Кроме того, почти не представлена теория атома, поскольку имеется учебник И. В. Абаренкова, В. Ф. Братцева и А. В. Тулуба "Начала квантовой химии", в котором этот раздел изложен подробно и хорошо. И наконец, не представлены и очень многие качественные подходы, особенно распространенные в органической химии, которые возникли на базе квантовохимических представлений путем настолько значительных их упрощений, что превратились, по-существу, в некоторое подобие мнемонических правил, весьма полезных для практики, но уже заметно выходящих за рамки квантовой химии.
Построение учебника таково. Первые главы посвящены началам квантовой механики. Далее следуют главы, в которых представлен основной каркас системы приближений, вводимых при рассмотрении молекулярных задач, а также принципы отвечающих этим приближениям квантовохимических методов. Наконец, в последующих главах представлены прикладные и более специальные задачи квантовой химии. Каждая глава нумеруется римской цифрой, каждая формула в тексте — номером главы, параграфа и порядковым номером в параграфе (при ссылке на формулу из этого же параграфа указывается лишь ее порядковый номер). Такая же нумерация принята и для рисунков, причем для простоты в номерах формул и рисунков римская цифра заменена на арабскую.
Автор весьма благодарен сотрудникам лаборатории строения и квантовой механики молекул: В. И. Пупышеву, Ю. В. Новаковской, А. В. Щербинину, А. Ю. Ермилову, А. В. Медведеву, а также В. И. Путляеву, М. Н. Путляевой, А. А. Кубасову и Т. И. Пархоменко за исключительно большую помощь в ходе написания и подготовки рукописи книги к изданию. Вуду искренне признателен всем, кто выскажет свои замечания по тексту книги и предложения по его улучшению. Краткая вспомогательная сводка определений и соотношений из линейной алгебры и функционального анализа Математический аппарат квантовой механики во многом опирается на линейную алгебру и функциональный анализ, поэтому имеет смысл предпослать изложению квантовой механики краткую сводку ряда определений и результатов из этих разделов математики.
а. В векторном пространстве Я конечной размерности и всегда можно выбрать базис из векторов е„е„..., е, так что любой вектор х, принадлежащий Я (записывается как х Е Я), может быть представлен в виде линейной комбинации базисных векторов; х = х,е, + х,е, + ... + х е = х;е; . (О 1) ~ 1 Каждое из чисел х., определяющее вектор х в заданном базисе, называется компонентой вектора, так что вектор х задается совокупностью его компонент. Базис фактически определяет систему координат, в которой определен каждый вектор пространства. Для каждой пары векторов х и у можно определить их скалярное произведение х.у в (х, у) как такое в общем случае комплексное число, которое удовлетворяет следующим требованиям (аксиомам): 1'.
(х, у) = (у, х); 2". (ах, у) = а*(х, у); (0.2) 3'. (х + х, у) = (х, у) + (х, у); 4'. (х, х) ~0. Здесь а — произвольное (комплексное) число, звездочка обозначает знак комплексного сопряжения, и знак равенства в 4' выполняется только при условии, что х = О. Из 2" и 1' непосредственно следует, что (х, ау) = а(х, у). Скалярное произведение вектора х на самого себя определяет квадрат его длины: 2 х = ~~ к~~ ' = (х, х). Два вектора, скалярное произведение которых равно нулю, называются ортогональными. Если учесть для х и у представление в виде (1), то с учетом аксиом (2) придем к соотношению'- (х,у) = ~х;у,(е;,е,), (ОЗ) ~,:~ав1 позволяющему сказать, что скалярное произведение любых двух векторов из Я полностью определяется заданием их компонент х. и у. в выбранном базисе и набором чисел 5,. = (е;,е ), Этот набор чисел можно записать в виде матрицы Я с элементами 5, причем индекс ~ есть номер строки, а индекс~ — номер столбца этой матрицы. Для базиса ортогональных векторов (е., е.) = О при ~ ~ у.
Кроме того, будем всегда предполагать (если не оговорено противное), что в качестве базисных выбираются векторы единичной длины: (е, е ) = 1 для любого г (что обозначается как % ). Другими и словами (е. е.) = о, причем о.. — символ Кронекера, равныи Р ) с'р' з Ц при ~ = ~ и равный нулю при ~ ~~. Такой базис называется ортонормированным. Компоненты у. Ц = 1, 2, ..., и) вектора у допускают запись в виде матрицы с и строками и одним столбцом, т.е.
Характеристики
Тип файла DJVU
Этот формат был создан для хранения отсканированных страниц книг в большом количестве. DJVU отлично справился с поставленной задачей, но увеличение места на всех устройствах позволили использовать вместо этого формата всё тот же PDF, хоть PDF занимает заметно больше места.
Даже здесь на студизбе мы конвертируем все файлы DJVU в PDF, чтобы Вам не пришлось думать о том, какой программой открыть ту или иную книгу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
