量子力学基础知识

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量子力学基础知识范文第1篇

关键词: 农林院校 大学物理 高中物理 内容 比较与分析

1999年开始的新一轮基础教育课程改革的力度是空前的,在课程理念、课程目标、课程内容、课程实施方式上进行全方位整体改革。为适应21世纪技术化社会的需要,我国基础教育阶段的物理课程在课程设置和教学内容等方面进行了调整和更新,在内容上体现了时代性、基础性和选择性。在农林院校,物理课程所涉及的物理学知识内容而言,主要包括力、电、原子、热四部分。在知识的讲述上,农林院校的讲述方式是简单介绍物理学基本原理,然后就介绍物理理论知识在农林科技及日常科技中的应用、物理学在现代农业方面的应用,较少涉及公式的推导、数学计算等。

一、力学内容的比较和分析

农林院校大学物理课程力学部分讲述了流体力学、振动和波(机械振动、机械波、声波)。流体力学部分的主要内容有:液体的表面张力、液体的流动性质(液体的定常流动、连续性原理、伯努利方程)、液体的猫滞性质(牛顿勃滞定律、泊肃叶公式)、物体在猫滞液体中的流动(斯托克斯公式、雷诺数和流体相似率、离心分离技术)。振动和波的主要内容有:简谐振动的特征及描述、阻尼振动和受迫振动、简谐振动的合成、频谱、机械波的产生和传播、平面简谐波、惠更斯原理、声波、波的干涉、多普勒效应。此外,有些版本的教材如金仲辉(2000)、王海婴(2000)均讲述了牛顿力学和力学的基本定律,两个版本都讲述了质点运动状态的描述、牛顿三定律、力学相对性原理、力学的三个守恒定律、刚体的转动(简述)。除此之外,王海婴(2000)还讲述了非线性力学(线性和非线性力学系统的特点、两种确定性和两种随机性)、相对论力学(相对论运动学、狭义相对论动力学、广义相对论)。刁岗(2001)对于力学基础知识没有专门介绍,在固体一章中涉及应变与应力、杆的弯曲等力学知识。高中物理共同必修中,没有讲述流体力学方面的知识,但是学生在初中物理中学习过浮力、压强、压力方面的知识,高中物理课程涉及的力学基础知识,以及力的应用方面的知识,学生对于流体力学部分的学习应该不会有什么困难。振动和波这部分涉及的知识内容同工科大学物理大致相同,农林学院校对于声波的讲述有所加强。这部分内容的学习同样是以牛顿力学为基础的。

二、电磁学内容的比较和分析

农林院校大学物理电磁学部分涉及的物理学基础知识同工科院校基本一致,但是,在叙述上更精炼和简单,内容更侧重于物理知识在生物学、医学中的应用,如静电场的应用(静电场处理种子、电晕放电处理种子、人工诱发闪电的应用、静电喷农药和静电人工授粉)、磁的应用(磁场处理、磁性肥料、磁化水、磁法检验)、电磁波在农业上的应用、电容器与细胞电容、生物组织的电阻等,以及基尔霍夫定律及应用、直流电的医学应用。基尔霍夫第一定律的物理背景是电荷守恒定律,基尔霍夫第二定律可以在高中全电路欧姆定律的基础上引申得出。农林院校大学物理电磁学部分同高中物理课程的编排思想是一致的,涉及的电磁学知识提供了学生进一步学习所需要的物理学基础知识。

三、光学内容的比较和分析

农林院校大学物理光学部分涉及光的干涉、衍射、偏振,光的吸收与散射等知识内容,在讲述物理基础知识时,更加侧重于在生物学中的应用,如薄膜干涉的应用、夫琅禾费圆孔衍射与生物显微镜、激光在现代农业和生物学中的作用、生物体发光的性质和实际应用、生物学研究中常用的光学仪器(光学显微镜、分光光度计、特种生物显微镜、电子显微镜)等。由此看到,农林院校大学物理光学部分同高中物理的编排思想基本是一致的,高中物理课程涉及的光学、原子物理的知识提供了学生进一步学习所需要的物理学基础知识。

四、量子物理基础知识内容的比较和分析

农林院校量子物理基础知识部分涉及的内容主要有:第一,光的量子性(黑体辐射定律、光电效应实验规律、爱因斯坦光子理论、爱因斯坦光电效应方程、光电效应的应用、光的波粒二象性);第二,量子力学初步(德布罗意波、不确定关系、薛定愕方程、势阱和势垒、氢原子光谱的规律性、泡利不相容原理、能量最小原理);第三,光谱分析(原子光谱、分子光谱、X射线谱及其应用);第四,激光的原理和应用医学院校大学物理该部分讲述了原子物理和量子力学基础知识,原子物理中介绍了X射线(X射线的产生、X射线的强度和硬度、X射线谱、X射线的性质、X射线衍射、X射线的衰减规律、X射线的医学应用)、原子核和放射性(原子核的角动量和磁矩、原子核的稳定性、放射性核素的衰变种类和衰变规律、射线与物质的相互作用、电离辐射防护、放射性核素在医学上的应用)。量子力学基础讲述了玻尔的氢原子理论、德布罗意假设、物质波的统计解释、不确定关系、波函数、薛定愕方程、势阱与势垒、原子结构理论(四个量子数、原子的壳层结构、分子结构)。此外,还介绍了相对论基础(狭义相对论、广义相对论)和混沌动力学基础知识。高中物理对于相对论与量子物理的知识作了初步的介绍,使学生对此有一个感性的认识,而农林院校大学物理对于这部分内容的讲述,是在高中物理已有知识基础上的提高和扩展。高中物理涉及的激光、放射性同位素、核反应方程、衰变、半衰期、结合能、核裂变、链式反应、核聚变等知识,侧重于从应用的角度展开物理知识,这同农林院校大学物理基本是一致的。

五、热学内容的比较和分析

量子力学基础知识范文第2篇

【关键词】量子化学 薛定谔方程 非相对论近似 伯恩-奥本海墨近似 轨道近似

【基金项目】海南师范大学第六批校级教学改革研究项目（HSJG201121）资助。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）04-0158-02

无机化学是大学一年级化学专业学生接触最早的一门基础课，其中量子化学部分由于内容较抽象，学生普遍反应非常难理解，有些学生甚至因此失去了学习化学的勇气[1-3]。由于这部分内容关系到学生对于后来原子结构、分子结构、晶体结构和配位化合物等相关知识的理解，所以在教学中历来是重中之重，讲解课时也是安排最多的，但是学生仍然普遍觉得内容晦涩难懂。通过多年的教学经验以及和学生们的沟通了解，我们认为主要是课本在编排时只引用了了结果，而没有介绍相关结果的来龙去脉，这一出发点本是为减轻学生的负担，但反而造成知识链条的中断，学生既不知其然，又不知所以然。因此，我们补充了课本中省略的相关知识点，使学生对于量子化学的处理方法有初步的了解，提高了教学效果。由于这一部分涉及许多数学知识，因此在讲解时应突出研究思路，而不是让学生钻研数理公式。这样就会使学生对于微观粒子的运动方程的由来有初步了解，对于原子结构、分子结构和晶体结构的学习有一定的辅助作用。

1.非相对论近似

薛定谔方程是量子力学的基本方程，其解即为体系的波函数，一旦求得了体系的波函数，原则上体系的所有性质都可以推测出来，这是因为量子力学的理论会告诉我们如何获取这些信息。但是由于薛定谔方程是一个偏微分方程，除少数几种情况外，是难于求解的，所以要求采取一系列合理的理论近似及数学处理方法[4-5]。

在研究体系内有有限个原子核和电子，其运动速度远小于光速，在这里没有粒子的产生和湮灭的现象，即粒子数是守恒的，因而可以忽略相对论效应，而采用非相对论近似，其相应的薛定谔方程为：

但在实际计算中，一般只取一个或几个Slater行列式计算，既能满足要求又不致于使计算过分复杂。

经过上述的处理，才能够求得多电子体系中电子运动的波函数和原子轨道。学生才能更好地理解多电子体系中对于电子运动状态的描述，是在基于上述几个近似后才求得的。

参考文献：

[1]曹锡章， 宋天佑， 王杏乔. 无机化学[M]. 北京： 高等教育出版社，1994.

[2]许善锦. 无机化学[M]. 北京： 人民卫生出版社， 2005.

[3]吴国庆. 无机化学[M]. 北京： 高等教育出版社， 2004.

[4]P. W. Atkins. Molecular Quantum Mechanics. London： Oxford University Press， 1983.

[5]徐光宪， 黎乐民， 王德民.量子化学――基本原理和从头计算法[M]. 北京：科学出版社， 1985.

[6]D.E.Ellis. The Discrete Variational Method and its Applications to Large Molecules and Solidstate Systems. Conselho National de Desenvolvimen to Cientificoe Tecnologico， 1997.

[7]肖慎修， 孙泽民. 量子化学中的离散变分Xα方法及计算程序[M]. 四川：四川大学出版社，1986.

量子力学基础知识范文第3篇

1、物理学考研有在于难本专业要求学生具有强大的数学逻辑思维与深厚的基础物理知识为铺垫，并且还要求学生具有极强的空间立体思维和充足的想象力。而且这一专业考研的录取分数线也高，所以说，这一专业考研是非常的不容易的。

2、物理学专业主要培养学生掌握与物理相关的基础知识和实验技能。这个专业主要研究物质运动的规律，了解它的本质，通过一些实践研究和初步训练，获得比较好的科学素养和应用开发能力。

3、物理学专业主要分为应用物理学专业、核物理专业、声学专业等类别。主要学习的课程有高等数学、光学、力学、原子物理学、电磁学、量子力学、数学物理学等。这些课程最核心的学科就是数学，要想学好物理学必须要有良好的数学知识。物理学考研比较难，如果考研成功了，就业的工资待遇很不错。

（来源：文章屋网 ）

量子力学基础知识范文第4篇

关键词：Gaussian程序；教学实践；应用教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）27-0162-02

Gaussian程序起源于上世纪七八十年代，当时计算机硬件条件很差，只能计算比较简单的分子，且计算级别较低，所以几乎不能应用于解决化学问题。随着计算机硬件技术的发展和计算方法的不断优化改良，到上世纪八九十年代，人们已经逐渐可以借助量子化学计算程序去对实验中的化学体系进行模拟和研究。值得一提的是，1998年诺贝尔化学奖授予科恩和波普尔，以表彰他们在理论化学领域做出的重大贡献。他们的工作使实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质，引起整个化学领域经历一场革命的变化，使化学不再是一门纯粹的实验科学。其中，波普尔正是Gaussian程序的原创者之一，此次得奖也是为Gaussian程序在世界范围内被接受和认可奠定了基础。Gaussian的版本从上世纪开始有Gaussian 70、Gaussian 80、Gaussian 90、Gaussian 98等一系列程序。进入21世纪，随着Gaussian 98、Gaussian 03、Gaussian 09[1]等版本的持续更新和改进，Gaussian程序的功能也越来越强大，应用范围也越来越广。目前，Gaussian的主要功能包括：过渡态能量和结构、反应路径、热力学性质、分子轨道、键和反应能量、原子电荷和电势、核磁性质、红外和拉曼光谱、振动频率、极化率和超极化率等，计算不仅可以对具体体系的基态进行计算，还可以对其激发态的结构和性质进行研究。另外，它还可以用来预测周期体系的能量、结构和分子轨道。因此，Gaussian可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能等。该程序近年来的高速发展和广泛应用使其成为化学学科的科研教学人员必须掌握的工具之一。目前国内很多知名高校和科研院所都已经开展了Gaussian程序应用这门课程，并且作为相关专业本科生和研究生的必修课程。鉴于此，我院于2014年也开展了Gaussian程序应用作为研究生选修课程，这对于提高我院研究生专业素养和科研水平具有重要的意义。

一、Gaussian程序应用的参考教材选取

有很多关于Gaussian程序应用方面的书籍，包括中文的和英文的。针对这门课来说，我选择的参考教材主要是Foresman和Frisch编著的《Exploring chemistry with electronic structure methods》[2]以及可在Gaussian官网下载的与其配套的例子。该书分为三个部分，分别是基本概念和技术（包括第一章计算模型、第二章单点能计算、第三章几何优化、第四章 频率分析）、计算化学方法（包括第五章基族的影响、第六章理论方法的选择、第七章高精度计算）和应用部分（包括第八章研究反应和反应性、第九章激发态、第十章溶液中的反应）。我选择此书的出发点是：它的内容从基础到应用、从浅至深地介绍了Gaussian程序的主要功能和应用。书中的例子涉及分子能量和结构研究、过渡态的能量和结构研究、化学键以及反应的能量、振动频率、分子轨道、偶极矩和多极矩、原子电荷和电势、红外和拉曼光谱、核磁、极化率和超极化率、热力学性质、IRC反应途径等计算，另外还举例模拟了在气相和溶液中的体系、模拟基态和激发态分子的结构及性质。这些具体例子能够帮助从事化学及其相关领域的科研工作人员、教师和研究生等从不同的视角把握分子模型设计和计算模拟的策略、原则和方法，从而能够让研究人员全面了解Gaussian程序计算的模拟方法和应用实例。

二、Gaussian教学内容的选取

Gaussian程序主要是以分子力学和量子力学等为理论依据，借助计算机模拟进行化学问题研究的一门交叉学科。该课程教学涉及内容多、范围广，这就要求学生具有良好的数学、计算化学、结构化学、物理化学、有机化学、无机化学和计算机科学等众多专业知识的积累。学习这门课有助于拓宽学生的知识面，培养学生综合多种学科知识，解决实际复杂的化学问题的能力。然而这门课理论概念抽象，学生理解起来非常困难，教学难度也较大。选修这门课的学生主要来自物理化学专业和有机化学专业。对于物理化学专业的学生来说，他们的结构化学、计算化学和物理化学知识基础较好，这门课的学习不是非常困难。然而对于有机化学专业的学生来说，这门课学起来就比较困难了，因为他们的计算化学、结构化学和计算机科学知识比较薄弱。如何将抽象的化学知识简单化，形象化，帮助学生理解复杂的有机反应机理，提高学习积极性，这对老师的教学方法和方式有很高的要求。

针对不同化学专业学生的特点和他们将来要从事的职业，我更加注重实践教学而不是抽象概念的讲解和公式的推导。对于量子化学计算中涉及的一些算法学生只需了解，如果有学生对于基础知识非常感兴趣，我建议他们去听量子力学和结构化学课程。在课堂上，我重点讲解Gaussian程序的常用计算方法、思路和一些典型案例，以及如何运用这些方法解决科研中碰到的实际问题。比如讲解什么是半经验计算、什么是Hartree-Fock近似、什么是密度泛函理论、什么是分子力学算法等，讲解他们的区别以及在不同情况下如何选择不同的算法。此外，我还重点讲解基于量化计算的分子结构（包括稳定态和过渡态）的优化，分子光谱的计算和反应机理研究。这些内容对于化学专业的学生来说都是非常有意义的，可以帮助他们后续的科研工作。为了激发学生的学习兴趣，调动学生的自主性，让学生积极参与到课堂的专题实验交流活动，提高课堂教学的效果，我会教学生使用一些软件图形界面如Gaussview等，直接生动地展示和分析一些分子的三维结构，将抽象的化学分子通过色彩鲜艳的三维立体形象界面予以展示，并教会他们如何使用Gaussview建立分子模型和分析计算结果。在用Gaussview软件建立模型的过程中，我首先对主工具栏里边的元素工具和环工具等建模工具做了讲解，然后再对编辑工具即键长、键角和二面角工具做了使用演示，另外还讲了加H工具和原子消除工具的使用。事实上，上述的这几个工具如果能掌握好，学生们基本上就能根据所学化学知识来建立相应的分子的三维结构模型。随后，在课堂上我再演示如何用鼠标操作来旋转、移动、缩放和叠加结构，如何用鼠标操作来改变分子的显示形式和颜色，如何查看结果如能量数据，以及如何显示分子的原子电荷和分子轨道性质等。等学生基本掌握了Gaussview的模型建立和结果分析工具，我会给他们讲解如何将分子模型通过设置不同的关键词来提交相应任务给Gaussian程序去执行，如结构优化的关键词是OPT，频率计算的关键词是FREQ等。由于Gaussian的功能强大，授课时间有限，我们只介绍一些基本操作和简单例子给学生。例如让学生对邻位、间位和对位的二取代苯进行在不同计算级别（如HF/6-31G（d，p）水平下）进行结构优化模拟，然后对其能量比较分析哪个异构体在气相和液相下最稳定。对于反应机理，我会让学生通过寻找一些简单的常见化学反应如Diels-Alder反应、SN2亲核取代反应的过渡态的构型来加深对反应通道的理解，通过IRC计算直观的看出化学反应中分子结构的变化。此外，我还会讲一些实例介绍光谱的预测，比如首先我们会在基态下用DFT方法优化发光分子的结构，然后对其进行TDDFT计算来预测其紫外吸收光谱和荧光光谱等发光性质，从而为功能分子的设计提供便利。最后，根据本院实际科研需要，我们会适当进行一些应用教学来满足不同专业学生的需求。

三、开展Gaussian程序应用课程的前景展望

自然科学发展的历史和规律表明，多学科的优势交叉促进了最基本的微观过程和最复杂的宏观过程的统一认识。在这个信息大爆炸的时代，Gaussian这一量子化学计算程序应运而生并被广泛认可和应用。它既要求使用者有一定的量子力学等数理基础来理解计算流程，而且要求他们对于化学问题有深刻认识和独特见解，属于一门高度交叉的新兴方法和工具，涉及应用化学、理论化学和计算机科学等众多领域。目前，Gaussian程序已经成为理论化学计算中的常规方法之一，开展此门课程可以使科学研究人将其用于未来的反应机理研究、反应的立体和化学选择性的解释、化合物结构及其光谱等性质预测，并可指导设计小分子催化剂甚至新型催化反应，减少实验上的盲目性和偶然性，从而达到节省人力、物力和财力的最终目的。

理论计算化学在近几十年来取得了实质性进展，已从根本上改变了人们对于化学只是一门实验科学的认知，它已经成为化学学科的一个重要组成部分。我国的理论计算研究发展迅速，化学学科正处于从单纯实验到以实验和理论计算相辅相成转变的关键时期，从专业发展的角度而言，开展理论计算化学相关课程如Gaussian程序应用具有非常广阔的应用前景和发展空间。

参考文献：

量子力学基础知识范文第5篇

1专业知识体系的调整

2006年教育部全国高等学校教学研究中心、材料科学与工程教学指导委员会联合制定的《高等学校材料化学专业规范(讨论稿)》(以下简称“规范”)中所制定的专业知识体系对于我校应用型人才培养来说，显得内容偏多，理论偏深，要求偏理，工程意识不强，因此，结合我校应用型人才办学实际，对“规范”中所界定的专业知识体系中内容做了相应的调整，从而形成了我校材料化学专业发展的专业知识体系。该体系内容调整的思路和原则是:精简内容，保证基本理论和必要的基本知识，降低难度，突出应用特色，体现学科进展;达到学生具备继续学习的理论基础和应用所学知识于工程实践的能力，适于培养应用型、创新型人才的要求。如“规范”中的量子力学基础、计算化学、电子论、材料科学中的数学等理论性强的内容一律删除。调整后，体系由化学基础知识、材料科学基础知识、专业方向知识三个部分所组成，其中化学基础知识包括基本的化学知识，化学原理、化学方法;材料科学基础知识包括材料的结构、材料的化学制备，材料的分析测试、材料的物理性质以及材料的成型加工等;专业方向知识包括高分子材料的制备、结构、性能、加工以及应用等，详见表1。

2课程体系的设置

设置什么样的课程来贯彻实施上述专业知识是我们一直以来探索的一个重要的教学改革问题。课程设置不同所获得的教育效果也就不同。在这方面各学校办学情况不同其做法也不一样［2－4］。经过几年的教学实践，我们认为，材料化学既然是研究材料的化学问题的科学，材料化学专业人才培养理当强调化学基础的学习，只有具备厚实的化学基础，才有可能弄清材料的化学问题，并用化学方法去研究和解决材料的化学以及其他问题，未来发展才有后劲;另外，化学基础好更有利于学生就业。因此，我们设置了无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、化工原理、高分子化学、材料化学和材料科学基础、高分子材料等9门核心课程来完成化学基础、材料学基础和专业方向等三部分知识，并做到统一考虑内容取舍、不重叠，处理好课程的相对完整与课程间融合衔接;精简繁多的数学推导和叙述性的内容，做到“简明”而不弱化基本理论，以满足材料化学专业本科教育专业认证的基本要求;引进学科近展的新内容，反映学科发展的方向。在教学内容上，无机化学、有机化学、化工原理、高分子化学和高分子材料等都紧密联系工业生产实际，渗透工程意念;分析化学以仪器分析方法为主;物理化学强化热力学基础和界面与胶体化学及其在材料化学中的应用;材料化学注重材料制备和分析测试;材料科学基础主要介绍材料的物理性质和材料的成型与加工(如表1所示)。

3课程标准的制定

教学的规范化、标准化是课程实施质量的保障，为此，我们陆续制定了上述核心课程的课程标准。在课程标准中规定了各门课程的性质、课程目标、课程内容，以及学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面的基本要求，全面体现素质教育、创新教育的理念和课程功能。课程标准是教材编写、教学及其评估的依据，同时也是管理和评价课程、加强课程建设的基础，它的制定和实施，将全面推动教学质量的提高，这对于培养素质全面、富有应用型、创新型人才具有深远意义［5］。