量子化學基礎范文10篇

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

摘要：物理學是一項國際事業，它對人類未來的進步起著關鍵的作用。在中學的各門課程中，物理課在提高學生的科學素質方面起著無可替代的作用。本文從物理學的重要作用出發闡述了對中學物理教師的要求。

國際純粹物理和應用物理聯合會第23屆代表大會(1999美國亞特蘭大市)通過決議，呼吁社會正視物理學的重要性。對物理學的作用，大會的口號是“探索自然，驅動技術，拯救生命”。決議指出：“物理學——研究物質、能量和它們相互作用的學科——是一項國際事業，它對人類未來的進步起著關鍵的作用。對物理教育的支持和研究，對所有國家都是重要的。”

中等教育階段，是一個人從少年步入青年的時期，是身心成長趨于成型的時期，是在知識上和能力上為今后的工作和學習打基礎、作準備的時期，有著特殊的重要意義。在中學的各門課程中，物理課在提高學生的科學素質方面起著無可替代的作用。對于這個問題，我想從20世紀科技發展大的背景談起。

1、物理學推動了20世紀科學技術的高速發展

20世紀，是科學技術空前高速發展的世紀。在此世紀內，人類社會在科技進步上經歷了一個又一個劃時代的變革。這個世紀之初，無論在動力和信息交流方面，人類社會就全面地進入了“電氣化時代”。這是19世紀安培、法拉第、麥克斯韋等一批物理學家和愛迪生等發明家努力的結果。從上個世紀之交放射性的發現，經過近半個世紀原子物理、核物理的研究，40年代物理學使人類掌握了核能的奧秘，把人類社會帶進了“原子時代”。今天核技術的應用遠不止于為社會提供長久可靠的能源，放射性與核磁共振在醫學上的診斷與治療作用，已為人所共知。這個成果是和盧瑟福、玻爾、愛因斯坦、居里夫人和她的女婿和女兒約里奧-居里夫婦、海森伯、費米、哈恩等一大串光輝的名字分不開的。到了50、60年代，物理學家又發明了激光，它的理論基礎是愛因斯坦1916年提出的光的受激發射過程。今天激光技術已廣泛應于尖端科學研究、工業、農業、醫學、通訊、計算、軍事和日常生活，成為幾十億、上百億的巨大產業。

20世紀科學技術給人類社會帶來的最大的沖擊，莫過于以現代計算機為基礎發展起來的信息技術。號稱“信息時代”的到來被譽為“第二次產業革命”。的確，計算機給人類社會帶來如此廣泛而深刻的變化，是二三十年前任何有遠見的科學家都不可能預見到的。現代計算機的硬件核心是半導體集成電路，PN結是基礎。半個多世紀前，巴丁、肖克萊、布賴頓等三位物理學家發明了晶體管，標志著信息時代的誕生。從我們物理學家的眼光看來，這個嬰兒在娘胎里至少孕育了20年。這就是說，20年代建立量子力學之后，物理學家發展了費米-狄拉克統計、能帶論，從此有了電子和空穴的概念。爾后用摻雜的辦法產生了N型和P型的半導體，這才為晶體管的發明打下基礎。

摘要：物理學是一項國際事業，它對人類未來的進步起著關鍵的作用。在中學的各門課程中，物理課在提高學生的科學素質方面起著無可替代的作用。本文從物理學的重要作用出發闡述了對中學物理教師的要求。

國際純粹物理和應用物理聯合會第23屆代表大會（1999美國亞特蘭大市）通過決議，呼吁社會正視物理學的重要性。對物理學的作用，大會的口號是“探索自然，驅動技術，拯救生命”。決議指出：“物理學——研究物質、能量和它們相互作用的學科——是一項國際事業，它對人類未來的進步起著關鍵的作用。對物理教育的支持和研究，對所有國家都是重要的。”

中等教育階段，是一個人從少年步入青年的時期，是身心成長趨于成型的時期，是在知識上和能力上為今后的工作和學習打基礎、作準備的時期，有著特殊的重要意義。在中學的各門課程中，物理課在提高學生的科學素質方面起著無可替代的作用。對于這個問題，我想從20世紀科技發展大的背景談起。

1、物理學推動了20世紀科學技術的高速發展

20世紀，是科學技術空前高速發展的世紀。在此世紀內，人類社會在科技進步上經歷了一個又一個劃時代的變革。這個世紀之初，無論在動力和信息交流方面，人類社會就全面地進入了“電氣化時代”。這是19世紀安培、法拉第、麥克斯韋等一批物理學家和愛迪生等發明家努力的結果。從上個世紀之交放射性的發現，經過近半個世紀原子物理、核物理的研究，40年代物理學使人類掌握了核能的奧秘，把人類社會帶進了“原子時代”。今天核技術的應用遠不止于為社會提供長久可靠的能源，放射性與核磁共振在醫學上的診斷與治療作用，已為人所共知。

這個成果是和盧瑟福、玻爾、愛因斯坦、居里夫人和她的女婿和女兒約里奧-居里夫婦、海森伯、費米、哈恩等一大串光輝的名字分不開的。到了50、60年代，物理學家又發明了激光，它的理論基礎是愛因斯坦1916年提出的光的受激發射過程。今天激光技術已廣泛應于尖端科學研究、工業、農業、醫學、通訊、計算、軍事和日常生活，成為幾十億、上百億的巨大產業。

[摘要]畢業論文是高等學校人才培養方案的重要組成部分，是實現本科培養目標的重要實踐教學環節。根據近年來化學化工專業畢業生畢業論文答辯過程中發現的問題，本文提出了政策上保障畢業論文的實施、優化畢業論文指導教師隊伍、強化畢業論文的教學質量監控、嚴格把關畢業論文答辯、探索校企聯合的畢業論文教學實踐工作新模式、量子化學軟件輔助完成畢業論文等6個方面，以提高畢業論文質量，構建化學化工專業本科畢業生的畢業論文質量保障體系。

[關鍵詞]化學化工專業；畢業論文；本科教學；建設與管理；對策研究

1引言

近年來在畢業論文答辯過程中發現，畢業論文存在寫作缺少創新，研究深度不夠，如有的同學的畢業論文工作量僅相當于完成了一個大學化學實驗課程中的一個實驗，對實驗條件、實驗結果沒有系統深入的研究，或重復了已有論文的實驗條件，創新性不足；有的畢業論文存在知識點錯誤的問題，比如分光光度法測定的吸光度為負值；有的同學在回答教師提問的時候，化學實驗原理、概念不清；有的論文格式、參考文獻引文不規范、甚至存在代寫畢業論文等一系列問題。教育部印發《本科畢業論文(設計)抽檢辦法(試行)》(簡稱《辦法》)，啟動了本科畢業論文(設計)抽檢試點工作。從2021年1月1日起，每年進行一次本科畢業論文抽檢，抽檢比例原則上應不低于2%[1]。加強對化學化工專業本科生畢業論文的科學管理，提高高校本科生畢業論文質量，構建本科畢業論文質量保障體系以提升畢業論文質量，是值得探索的重要課題。

2提高畢業論文質量的對策

為了規范畢業論文寫作，提高化學化工學院的畢業論文質量，本文提出了以下對策：

摘要：物理學是一項國際事業，它對人類未來的進步起著關鍵的作用。在中學的各門課程中，物理課在提高學生的科學素質方面起著無可替代的作用。本文從物理學的重要作用出發闡述了對中學物理教師的要求。

國際純粹物理和應用物理聯合會第23屆代表大會(1999美國亞特蘭大市)通過決議，呼吁社會正視物理學的重要性。對物理學的作用，大會的口號是“探索自然，驅動技術，拯救生命”。決議指出：“物理學——研究物質、能量和它們相互作用的學科——是一項國際事業，它對人類未來的進步起著關鍵的作用。對物理教育的支持和研究，對所有國家都是重要的。”

中等教育階段，是一個人從少年步入青年的時期，是身心成長趨于成型的時期，是在知識上和能力上為今后的工作和學習打基礎、作準備的時期，有著特殊的重要意義。在中學的各門課程中，物理課在提高學生的科學素質方面起著無可替代的作用。對于這個問題，我想從20世紀科技發展大的背景談起。

1、物理學推動了20世紀科學技術的高速發展

20世紀，是科學技術空前高速發展的世紀。在此世紀內，人類社會在科技進步上經歷了一個又一個劃時代的變革。這個世紀之初，無論在動力和信息交流方面，人類社會就全面地進入了“電氣化時代”。這是19世紀安培、法拉第、麥克斯韋等一批物理學家和愛迪生等發明家努力的結果。從上個世紀之交放射性的發現，經過近半個世紀原子物理、核物理的研究，40年代物理學使人類掌握了核能的奧秘，把人類社會帶進了“原子時代”。今天核技術的應用遠不止于為社會提供長久可靠的能源，放射性與核磁共振在醫學上的診斷與治療作用，已為人所共知。這個成果是和盧瑟福、玻爾、愛因斯坦、居里夫人和她的女婿和女兒約里奧-居里夫婦、海森伯、費米、哈恩等一大串光輝的名字分不開的。到了50、60年代，物理學家又發明了激光，它的理論基礎是愛因斯坦1916年提出的光的受激發射過程。今天激光技術已廣泛應于尖端科學研究、工業、農業、醫學、通訊、計算、軍事和日常生活，成為幾十億、上百億的巨大產業。

20世紀科學技術給人類社會帶來的最大的沖擊，莫過于以現代計算機為基礎發展起來的信息技術。號稱“信息時代”的到來被譽為“第二次產業革命”。的確，計算機給人類社會帶來如此廣泛而深刻的變化，是二三十年前任何有遠見的科學家都不可能預見到的。現代計算機的硬件核心是半導體集成電路，PN結是基礎。半個多世紀前，巴丁、肖克萊、布賴頓等三位物理學家發明了晶體管，標志著信息時代的誕生。從我們物理學家的眼光看來，這個嬰兒在娘胎里至少孕育了20年。這就是說，20年代建立量子力學之后，物理學家發展了費米-狄拉克統計、能帶論，從此有了電子和空穴的概念。爾后用摻雜的辦法產生了N型和P型的半導體，這才為晶體管的發明打下基礎。

經過約200多年的努力，化學進入現代時期。總結起來說現代化學有五大特點和兩個發展方向。

五大特點是

（1）化學家對物質的認識和研究，從宏觀向微觀深入。20世紀以來，化學家已用實驗打開原子大門，深入地了解原子內部的情況，并且用量子理論探討原子內的電子排布、能量變化等。就是對復雜的化學反應來說，也可以測量反應機理，了解反應過渡態的情況以及分子、原子間能量的交換。

（2）從定性和半定量化向高度定量化深入。雖然近代化學也曾廣泛地使用各種定量化工具，但是還只能說停留在定性和半定量化水平。本世紀60年代后，電子計算機大規模地引進化學領域，用它來計算分子結構已取得巨大的成功。如今任何化學論文如無詳盡的定量數據就難以發表，發表了也難取得公認。而且如今化學實驗的精密度愈來愈高，幾乎所有儀器都是定量化的，有的還用電子計算機來控制。

（3）對物質的研究從靜態向動態伸展。近代化學對物質的研究基本上停留在靜態的水平或從靜態出發，推出一些動態情況。例如，從熱力學定律出發，通過狀態函數的變化，從始態及終態情況推斷反應變化中一些可能情況。現代化學已擺脫這種間接研究推理，而采用直接的方法去了解或描述動態情況，特別是激光技術、同位素技術、微微秒技術、分子束技術在現代化學里的大規模應用。化學家目前已能了解皮秒內微粒運動的情況，反應中化學鍵的斷裂以及能量交換等情況。特別值得一提的是有關動態薛定諤方程的研究，一旦成功它將會為動態研究開辟光輝前景。

（4）由描述向推理或設計深化。近代化學幾乎全憑經驗，主要通過實驗來了解和闡述物質。雖然也有一些理論如溶液理論、結構理論等可以指示研究方向，但總體來說近代化學基本上是描述性的。原來化學中四大學科（無機化學、有機化學、分析化學、物理化學）彼此存在很大獨立性。然而現代化學已打破傳統的界限，化學不僅自身各學科相互滲透，而且跟物理、生物、數學、醫學等學科相互交融和滲透。特別是近年量子化學的發展，已滲透到各學科，使化學擺脫歷史傳統，可以預先預測和推理，然后用實驗來驗證或合成。例如，當今許多高難度的合成工作都事先根據理論設計，然后決定合成路線。著名的維生素B12的合成工作就是一個典范，它標志著化學已從描述向設計飛躍。

我自己是學化學的，從事學化學、教化學、研究化學也幾十年了，但現在似乎有點兒不太認得了。我覺得世紀之交，大家要重新有一個認識，認識學科本位的問題。

一門科學的內涵和定義至少有四個屬性：

整體和局部性科學是一個復雜的知識體系，好比一塊蛋糕。為了便于研究，要把它切成大、中、小塊。首先切成自然科學、技術科學和社會科學三大塊。在自然科學中，又有許多切法。一種傳統的切法是分為物理學、化學、生物學、天文學、地理學等一級學科。近年來又有切成物質科學、生命科學、地球科學、信息科學、材料科學、能源科學、生態環境科學、納米科學、認知科學、系統科學等的分類方法。化學是從科學整體中分割開來的一個局部，它和整體必然有千絲萬縷的聯系。這是它的第一個屬性。

學科之間的關聯和交叉如果把科學整體看成一條大河，那么按照各門科學研究的對象由簡單到復雜，可以分為上游、中游和下游。數學、物理學是上游科學，化學是中游科學，生命科學、社會科學等是下游科學。上游科學研究的對象比較簡單，但研究的深度很大。下游科學的研究對象比較復雜，除了用本門科學的方法以外，如果借用上游科學的理論和方法，往往可以收到事半功倍之效。所以“移上游科學之花，可以接下游科學之木”。具有上游科學的深厚基礎的科學家，如果把上游科學的花，移植到下游科學，往往能取得突破性的成就。例如1994年諾貝爾經濟獎授予納什，他在1950年得數學博士學位，1951－1958年任美國麻省理工學院數學講師、副教授，后轉而研究經濟學，把數學中概率論之花，移到經濟學中來，提出預測經濟發展趨勢的博弈論，因而獲得諾貝爾經濟獎。

發展性化學的內涵隨時代前進而改變。在19世紀，恩格斯認為化學是原子的科學（參見《自然辯證法》），因為化學是研究化學變化，即改變原子的組合和排布，而原子本身不變的科學。到了20世紀，人們認為化學是研究分子的科學，因為在這100年中，在《美國化學文摘》上登錄的天然和人工合成的分子和化合物的數目已從1900年的55萬種，增加到1999年12月31日的2340萬種。沒有別的科學能像化學那樣制造出如此眾多的新分子、新物質。現在世紀之交，我們大家深深感受到化學的研究對象和研究內容大大擴充了，研究方法大大深化和延伸了，所以21世紀的化學是研究泛分子的科學。

定義的多維性一門科學的定義，按照從簡單到詳細的程度可以分為：（1）一維定義或X－定義，X是指研究對象。（2）二維定義或XY－定義。Y是指研究的內容。（3）三維定義或XYZ－定義。Z是指研究方法。（4）四維定義或WXYZ定義，W是指研究的目的。（5）多維定義或全息定義。一門科學的全息定義還要說明它的發展趨勢、與其他科學的交叉、世紀難題和突破口等等。這樣才能對這門科學有全面的了解。下面以化學為例加以說明。

一門科學的內涵和定義至少有四個屬性：

整體和局部性科學是一個復雜的知識體系，好比一塊蛋糕。為了便于研究，要把它切成大、中、小塊。首先切成自然科學、技術科學和社會科學三大塊。在自然科學中，又有許多切法。一種傳統的切法是分為物理學、化學、生物學、天文學、地理學等一級學科。近年來又有切成物質科學、生命科學、地球科學、信息科學、材料科學、能源科學、生態環境科學、納米科學、認知科學、系統科學等的分類方法。化學是從科學整體中分割開來的一個局部，它和整體必然有千絲萬縷的聯系。這是它的第一個屬性。

學科之間的關聯和交叉如果把科學整體看成一條大河，那么按照各門科學研究的對象由簡單到復雜，可以分為上游、中游和下游。數學、物理學是上游科學，化學是中游科學，生命科學、社會科學等是下游科學。上游科學研究的對象比較簡單，但研究的深度很大。下游科學的研究對象比較復雜，除了用本門科學的方法以外，如果借用上游科學的理論和方法，往往可以收到事半功倍之效。所以“移上游科學之花，可以接下游科學之木”。具有上游科學的深厚基礎的科學家，如果把上游科學的花，移植到下游科學，往往能取得突破性的成就。例如1994年諾貝爾經濟獎授予納什，他在1950年得數學博士學位，1951－1958年任美國麻省理工學院數學講師、副教授，后轉而研究經濟學，把數學中概率論之花，移到經濟學中來，提出預測經濟發展趨勢的博弈論，因而獲得諾貝爾經濟獎。

發展性化學的內涵隨時代前進而改變。在19世紀，恩格斯認為化學是原子的科學（參見《自然辯證法》），因為化學是研究化學變化，即改變原子的組合和排布，而原子本身不變的科學。到了20世紀，人們認為化學是研究分子的科學，因為在這100年中，在《美國化學文摘》上登錄的天然和人工合成的分子和化合物的數目已從1900年的55萬種，增加到1999年12月31日的2340萬種。沒有別的科學能像化學那樣制造出如此眾多的新分子、新物質。現在世紀之交，我們大家深深感受到化學的研究對象和研究內容大大擴充了，研究方法大大深化和延伸了，所以21世紀的化學是研究泛分子的科學。

定義的多維性一門科學的定義，按照從簡單到詳細的程度可以分為：（1）一維定義或X－定義，X是指研究對象。（2）二維定義或XY－定義。Y是指研究的內容。（3）三維定義或XYZ－定義。Z是指研究方法。（4）四維定義或WXYZ定義，W是指研究的目的。（5）多維定義或全息定義。一門科學的全息定義還要說明它的發展趨勢、與其他科學的交叉、世紀難題和突破口等等。這樣才能對這門科學有全面的了解。下面以化學為例加以說明。

化學的一維定義

經過約200多年的努力，化學進入現代時期。總結起來說現代化學有五大特點和兩個發展方向。

五大特點是

（1）化學家對物質的認識和研究，從宏觀向微觀深入。20世紀以來，化學家已用實驗打開原子大門，深入地了解原子內部的情況，并且用量子理論探討原子內的電子排布、能量變化等。就是對復雜的化學反應來說，也可以測量反應機理，了解反應過渡態的情況以及分子、原子間能量的交換。

（2）從定性和半定量化向高度定量化深入。雖然近代化學也曾廣泛地使用各種定量化工具，但是還只能說停留在定性和半定量化水平。本世紀60年代后，電子計算機大規模地引進化學領域，用它來計算分子結構已取得巨大的成功。如今任何化學論文如無詳盡的定量數據就難以發表，發表了也難取得公認。而且如今化學實驗的精密度愈來愈高，幾乎所有儀器都是定量化的，有的還用電子計算機來控制。

（3）對物質的研究從靜態向動態伸展。近代化學對物質的研究基本上停留在靜態的水平或從靜態出發，推出一些動態情況。例如，從熱力學定律出發，通過狀態函數的變化，從始態及終態情況推斷反應變化中一些可能情況。現代化學已擺脫這種間接研究推理，而采用直接的方法去了解或描述動態情況，特別是激光技術、同位素技術、微微秒技術、分子束技術在現代化學里的大規模應用。化學家目前已能了解皮秒內微粒運動的情況，反應中化學鍵的斷裂以及能量交換等情況。特別值得一提的是有關動態薛定諤方程的研究，一旦成功它將會為動態研究開辟光輝前景。

（4）由描述向推理或設計深化。近代化學幾乎全憑經驗，主要通過實驗來了解和闡述物質。雖然也有一些理論如溶液理論、結構理論等可以指示研究方向，但總體來說近代化學基本上是描述性的。原來化學中四大學科（無機化學、有機化學、分析化學、物理化學）彼此存在很大獨立性。然而現代化學已打破傳統的界限，化學不僅自身各學科相互滲透，而且跟物理、生物、數學、醫學等學科相互交融和滲透。特別是近年量子化學的發展，已滲透到各學科，使化學擺脫歷史傳統，可以預先預測和推理，然后用實驗來驗證或合成。例如，當今許多高難度的合成工作都事先根據理論設計，然后決定合成路線。著名的維生素B12的合成工作就是一個典范，它標志著化學已從描述向設計飛躍。

摘要結合構象教學、立體化學教學、反應機理教學等，簡單地介紹了Chem3D軟件的一些功能及其在有機化學多媒體授課中的應用。

關鍵詞Chem3D；有機化學；教學

Chem3D是英國劍橋軟件公司（CambridgeSoftCorporation）所編寫的Chemoffice化學辦公軟件的一個組成部分，其界面友好，便于操作，可以顯示分子的立體結構、鍵長、鍵角、分子軌道形狀等，同時還具有簡單的量子化學計算功能，可以對有機分子進行能量、電荷分布、紅外和拉曼光譜、核磁性質、反應動力學等的計算與模擬。作為一款專業的化學形軟件，Chem3D可以為化學教育工作者［1］，特別是有機化學教師在教學工作中帶來很多便利。下面簡單介紹筆者在有機化學［2-3］教學過程中利用Chem3D軟件的實踐和體會。

1在構象教學中的應用

環己烷的構象是有機化學教學中的一個難點，在傳統的教學過程中總是占用大量的時間，但是教學效果也并不理想。利用Chem3D可以簡單形象的把環己烷的兩種經典的構象椅式和船式［1(a),(b)］展現出來，為教學提供很多便利。

在授課時，可以事先在制作的PPT中插入超級鏈接，然后就可以方便地把已經制作好的形文件打開。如1(e)所示，點擊鼠標左鍵，可以使模型任意地旋轉，讓學生從不同的角度觀察分子模型，從而可以清楚地辨認出e鍵和a鍵的位置以及它們的特點。還可以用鼠標選定任意的兩個氫原子，軟件則自動測出兩者之間的距離，從而很方便地說明椅式構象沒有空間張力，而船式構象存在較大的空間張力。并且通過軟件的ModelDisplay選項，可以控制形顯示或不顯示氫原子，便于學生分辨出船式和椅式構象。