《量子化学基础》课程教学大纲 课程名称：量子化学基础 课程类别：专业选修课 适用专业：化学 考核方式：考试 总学时、学分：32学时2学分 其中实验学时：0学时 一、课程教学目的 掌握和应用现代化学的理论，去分析化学中的原子结构和分子 结构。近二十年来，随着计算机硬件和软件水平的迅速发展，计算 化学已成为理论化学的重要分支，主要通过量子化学方法、分子力 学方法以及分子动力学模拟来解决与化学相关的问题。目前，计算 化学已广泛应用于化学及相关交叉学科的各个领域迅速成为定量 预测的分子结构、性质以及应用性能的有力工具。 二、课程教学要求 《量子化学基础》为本科生开设的一门方向课，在每年第二学 期讲授。本课程计划安排32个学时，采用授课与上机演习相结合 的教学方法，使学生在较短时间内掌握当今国际流行的常用计算软 件的原理、使用方法及技巧，着重培养同学们解决化学实际问题的 能力。要求同学们通过本课程学习，能对计算化学的原理和方法有 一个初步的了解，并能够在化学合成、反应机理、生物、材料等各 个领域中得到应用。 三、先修课程 《结构化学》 四、课程教学重、难点 1、利用量子力学引出新概念（如原子轨道、分子轨道等)， 从微观角度对化学问题作出解释和预测。难点是量子力学基本假设 以及势箱中自由离子的运动状态（波函数、能量）。 2、求解Schrodinger方程初学者往往感到数学复杂，重点是要 使学生搞清解方程基本思路。量子数的物理意义与用量子数求相应 物理量有关，物理量各表达式来源子量子力学，主要在于理解物理 意义。难，点是深入理解波函数业和电子云y2的图形，特别是径向
《量子化学基础》课程教学大纲 课程名称：量子化学基础 课程类别：专业选修课 适用专业： 化学 考核方式：考试 总学时、学分： 32 学时 2 学分 其中实验学时： 0 学时 一、课程教学目的 掌握和应用现代化学的理论，去分析化学中的原子结构和分子 结构。近二十年来，随着计算机硬件和软件水平的迅速发展，计算 化学已成为理论化学的重要分支，主要通过量子化学方法、分子力 学方法以及分子动力学模拟来解决与化学相关的问题。目前，计算 化学已广泛应用于化学及相关交叉学科的各个领域迅速成为定量 预测的分子结构、性质以及应用性能的有力工具。 二、课程教学要求 《量子化学基础》为本科生开设的一门方向课，在每年第二学 期讲授。本课程计划安排 32 个学时，采用授课与上机演习相结合 的教学方法，使学生在较短时间内掌握当今国际流行的常用计算软 件的原理、使用方法及技巧，着重培养同学们解决化学实际问题的 能力。要求同学们通过本课程学习，能对计算化学的原理和方法有 一个初步的了解，并能够在化学合成、反应机理、生物、材料等各 个领域中得到应用。 三、先修课程 《结构化学》 四、课程教学重、难点 1、利用量子力学引出新概念（如原子轨道、分子轨道等）， 从微观角度对化学问题作出解释和预测。难点是量子力学基本假设 以及势箱中自由离子的运动状态（波函数、能量）。 2、求解 Schrödinger 方程初学者往往感到数学复杂，重点是要 使学生搞清解方程基本思路。量子数的物理意义与用量子数求相应 物理量有关，物理量各表达式来源子量子力学，主要在于理解物理 意义。难点是深入理解波函数 ψ 和电子云 ψ2 的图形，特别是径向
分布图、角度分布图和原子轨道等值线图的作图方法和图形的物理 意义。 3、结合量子力学基本假设进一步深入理解分子轨道概念，同 时还应把分子轨道与变分原理结合理解。变分法用原子轨道线性组 合近似表示分子轨道，利用求极值方法调节组合系数，求得能量最 低时对应的波函数（分子轨道)和相应的能量表达式，难，点是对线 性变分原理有完整正确的理解，进而再分子轨道理论的由来有正确 的理解。 4、用休克尔分子轨道理论处理共轭体系，难，点是学会计算其 能量，明白写出分子图的步骤及其意义。 5、各个对称操作以及点群。难点是会判断分子对称性，并进 而判断分子的一些性质。 6、从头算法的基本原理以及过程。 7、HF、MP、CI、CC、DFT等方法的原理，以及计算方法的 思路和原则。难点是熟练应用gaussian程序进行一些计算。 五、课程教学方法与教学手段 课堂讲授和讨论相结合。通过阅读主要参考书目、网上查询、 资料整埋和专题讨论，加深对量子化学基本原理的了解，学会初步 解决实际问题的能力，并掌握该学科的发展动态。 六、课程教学内容 第一章量子力学基础(4学时) 1.教学内容 (1)量子力学的背景(1学时)：黑体辐射与普朗克量子假设、光电效应与爱因斯 坦光子学说、氢原子光谱： (2)实物粒子的波粒二象性及不确定原理(1学时)：实物微粒的波粒二象性、不 确定原理： (3)量子力学基本假设(1学时)：假设1-波函数及性质、假设2-算符、假设3 微观粒子的状态方程、假设4-态叠加原理、假设5-泡利不相容原理： (4)定态薛定谔方程的应用(1学时)：一维势箱中运动的粒子、三维势箱中运动 的粒子、自由电子模型在化学中的应用。 2.重、难点提示
分布图、角度分布图和原子轨道等值线图的作图方法和图形的物理 意义。 3、结合量子力学基本假设进一步深入理解分子轨道概念，同 时还应把分子轨道与变分原理结合理解。变分法用原子轨道线性组 合近似表示分子轨道，利用求极值方法调节组合系数，求得能量最 低时对应的波函数（分子轨道）和相应的能量表达式，难点是对线 性变分原理有完整正确的理解，进而再分子轨道理论的由来有正确 的理解。 4、用休克尔分子轨道理论处理共轭体系，难点是学会计算其 能量，明白写出分子图的步骤及其意义。 5、各个对称操作以及点群。难点是会判断分子对称性，并进 而判断分子的一些性质。 6、从头算法的基本原理以及过程。 7、HF、MP、CI、CC、DFT 等方法的原理，以及计算方法的 思路和原则。难点是熟练应用 gaussian 程序进行一些计算。 五、课程教学方法与教学手段 课堂讲授和讨论相结合。通过阅读主要参考书目、网上查询、 资料整埋和专题讨论，加深对量子化学基本原理的了解，学会初步 解决实际问题的能力，并掌握该学科的发展动态。 六、课程教学内容 第一章 量子力学基础（4 学时） 1．教学内容 （1）量子力学的背景（1 学时）：黑体辐射与普朗克量子假设、光电效应与爱因斯 坦光子学说、氢原子光谱； （2）实物粒子的波粒二象性及不确定原理（1 学时）：实物微粒的波粒二象性、不 确定原理； （3）量子力学基本假设（1 学时）：假设 1-波函数及性质、假设 2-算符、假设 3- 微观粒子的状态方程、假设 4-态叠加原理、假设 5-泡利不相容原理； （4）定态薛定谔方程的应用（1 学时）：一维势箱中运动的粒子、三维势箱中运动 的粒子、自由电子模型在化学中的应用。 2．重、难点提示
(1)重点：利用量子力学引出新概念（如原子轨道、分子轨道等），从微观角度对 化学问题作出解释和预测： (2)难点：量子力学基本假设以及势箱中自由离子的运动状态（波函数、能量）。 第二章原子结构(4学时) 1.教学内容 (1)单电子体系的薛定谔方程及其解(2学时)：定态薛定谔方程、分离变量法求 解方程、解的意义： (2)多电子原子的结构(1.5学时)：零级近似、单电子近似（轨道近似）、中心 立场近似： (3)定态微扰理论简介(0.5学时) 2.重、难点提示 (1)重点：求解Schrodinger方程初学者往往感到数学复杂，重点是要使学生搞清 解方程基本思路。量子数的物理意义与用量子数求相应物理量有关，物理量各表达式来 源子量子力学，主要在于理解物理意义： (2)难点：深入理解波函数"和电子云y2的图形，特别是径向分布图、角度分布 图和原子轨道等值线图的作图方法和图形的物理意义。 第三章分子轨道理论(4学时) 1.教学内容 (1)分子轨道理论：分子轨道理论要点(1.5学时)、成键三原则的理论基础、分 子轨道分类及能级顺序、分子磁性及键级： (2)双原子分子的结构(1.5学时)：同核双原子分子的结构、异核双原子分子的 结构： (3)价键理论(1学时)：价键理论要点、与分子轨道理论的比较。 2.重、难点提示 (1)重点：结合量子力学基本假设进一步深入理解分子轨道概念，同时还应把分子 轨道与变分原理结合理解。变分法用原子轨道线性组合近似表示分子轨道，利用求极值 方法调节组合系数，求得能量最低时对应的波函数（分子轨道）和相应的能量表达式： (2)难点：对线性变分原理有完整正确的理解，进而再分子轨道理论的由来有正确 的理解。 第四章 共轭分子的结构与性能（4学时) 1.教学内容
（1）重点：利用量子力学引出新概念（如原子轨道、分子轨道等），从微观角度对 化学问题作出解释和预测； （2）难点：量子力学基本假设以及势箱中自由离子的运动状态（波函数、能量）。 第二章 原子结构（4 学时） 1．教学内容 （1）单电子体系的薛定谔方程及其解（2 学时）：定态薛定谔方程、分离变量法求 解方程、解的意义； （2）多电子原子的结构（1.5 学时）：零级近似、单电子近似（轨道近似）、中心 立场近似； （3）定态微扰理论简介（0.5 学时） 2．重、难点提示 （1）重点：求解 Schrödinger 方程初学者往往感到数学复杂，重点是要使学生搞清 解方程基本思路。量子数的物理意义与用量子数求相应物理量有关，物理量各表达式来 源子量子力学，主要在于理解物理意义； （2）难点：深入理解波函数 ψ 和电子云 ψ2 的图形，特别是径向分布图、角度分布 图和原子轨道等值线图的作图方法和图形的物理意义。 第三章 分子轨道理论（4 学时） 1．教学内容 （1）分子轨道理论：分子轨道理论要点（1.5 学时）、成键三原则的理论基础、分 子轨道分类及能级顺序、分子磁性及键级； （2）双原子分子的结构（1.5 学时）：同核双原子分子的结构、异核双原子分子的 结构； （3）价键理论（1 学时）：价键理论要点、与分子轨道理论的比较。 2．重、难点提示 （1）重点：结合量子力学基本假设进一步深入理解分子轨道概念，同时还应把分子 轨道与变分原理结合理解。变分法用原子轨道线性组合近似表示分子轨道，利用求极值 方法调节组合系数，求得能量最低时对应的波函数（分子轨道）和相应的能量表达式； （2）难点：对线性变分原理有完整正确的理解，进而再分子轨道理论的由来有正确 的理解。 第四章 共轭分子的结构与性能（4 学时） 1．教学内容
(1)共轭体系和共轭效应(1学时)：共轭体系形成条件、共轭体系的分类、离域 效应： (2)休克尔分子轨道理论(1学时)：HMO法的基本内容、用HMO处理丁二烯、 共轭烯烃久期行列式的规律、HMO对链烯烃的处理规律、利用对称性简化苯的HMO处 理、单环共轭体系的HMO处理： (3)电荷密度、键级、自由价和分子图(2学时)：电荷密度、键级、自由价、分 子图及其应用： (4)分子对称性原理。 2.重、难点提示 (1)重点：用休克尔分子轨道理论处理共轭体系： (2)难点：学会计算其能量，明白写出分子图的步骤及其意义。 第五章分子对称性(4学时) 1.教学内容 (1)对称操作和对称元素(1学时)：恒等元素与恒等操作、旋转轴与旋转操作、 镜面与反映操作、对称中心与反演操作、映轴与旋转反映操作： (2)群的基础知识(0.5学时：) (3)分子点群(1.5学时：) (4)分子的对称性及分子性质(1学时)：对称性及偶极矩、对称性及手性。 2.重、难点提示 (1)重点：各个对称操作以及点群： (2)难点：会判断分子对称性，并进而判断分子的一些性质。 第六章从头计算法的基本原理和概念(5学时) 1.教学内容 (1)从头计算方法(2学时)：从头计算法及三个近似、分子积分和Dirac符号： (2)本征方程的矩阵表示(1学时)： (3)HFR方程(2学时)：分子的纯电子Schrodinger方程、Hartree-Fock-Roothaan (HFR)方程。 2.重、难点提示 (1)重点：从头算法的基本原理： (2)难点：从头算法的过程。 第七章计算方法简介及常用量子化学软件介绍（7学时)
（1）共轭体系和共轭效应（1 学时）：共轭体系形成条件、共轭体系的分类、离域 效应； （2）休克尔分子轨道理论（1 学时）：HMO 法的基本内容、用 HMO 处理丁二烯、 共轭烯烃久期行列式的规律、HMO 对链烯烃的处理规律、利用对称性简化苯的 HMO 处 理、单环共轭体系的 HMO 处理； （3）电荷密度、键级、自由价和分子图（2 学时）：电荷密度、键级、自由价、分 子图及其应用； （4）分子对称性原理。 2．重、难点提示 （1）重点：用休克尔分子轨道理论处理共轭体系； （2）难点：学会计算其能量，明白写出分子图的步骤及其意义。 第五章 分子对称性（4 学时） 1．教学内容 （1）对称操作和对称元素（1 学时）：恒等元素与恒等操作、旋转轴与旋转操作、 镜面与反映操作、对称中心与反演操作、映轴与旋转反映操作； （2）群的基础知识（0.5 学时；） （3）分子点群（1.5 学时；） （4）分子的对称性及分子性质（1 学时）：对称性及偶极矩、对称性及手性。 2．重、难点提示 （1）重点：各个对称操作以及点群； （2）难点：会判断分子对称性，并进而判断分子的一些性质。 第六章 从头计算法的基本原理和概念（5 学时） 1．教学内容 （1）从头计算方法（2 学时）：从头计算法及三个近似、分子积分和 Dirac 符号； （2）本征方程的矩阵表示（1 学时）； （3）HFR 方程（2 学时）：分子的纯电子 Schrödinger 方程、Hartree-Fock-Roothaan （HFR）方程。 2．重、难点提示 （1）重点：从头算法的基本原理； （2）难点：从头算法的过程。 第七章 计算方法简介及常用量子化学软件介绍（7 学时）
1.教学内容 (1)计算方法(2学时)：H亚方法、Post-SCF、DFT、全价电子半经验自洽场方法： (2)基组(1学时)： (3)几种基本任务类型(3学时)：Gaussian程序介绍、利用GuassView建模、 单点能计算、分子几何构型优化、频率分析： (4)一些常用计算程序简介(1学时)：材料模拟软件MS、纳米器件模拟软件ATK、 计算机辅助药物设计软件Syby。1 2.重、难点提示 (1)重点：HF、MP、CI、CC、DFT等方法的原理，以及计算方法的思路和原则： (3)难点：熟练应用gaussian程序进行一些计算。 七、学时分配 章目 教学内容 教学环节 理论教学学时 实验教学学时 一 量子力学基础 4 原子结构 4 三 分子轨道理论 4 四 共轭分子的结构与性能 五 分子对称性 4 六 从头计算法的基本原理和 概念 七 计算方法简介及常用量子 化学软件介绍 7 总计 32 八、课程考核方式 1.考核方式： 闭卷 2.成绩构成 卷面成绩、平时成绩 九、选用教材和参考书目 [1]《量子化学》，陈光巨、黄元河编，华东理工大学出版社，2008年：
1．教学内容 （1）计算方法（2 学时）：HF 方法、Post-SCF、DFT、全价电子半经验自洽场方法； （2）基组（1 学时）； （3）几种基本任务类型（3 学时）：Gaussian 程序介绍、 利用 GuassView 建模、 单点能计算、分子几何构型优化、频率分析； （4）一些常用计算程序简介（1 学时）：材料模拟软件 MS、纳米器件模拟软件 ATK、 计算机辅助药物设计软件 Syby。l 2．重、难点提示 （1）重点：HF、MP、CI、CC、DFT 等方法的原理，以及计算方法的思路和原则； （3）难点：熟练应用 gaussian 程序进行一些计算。 七、学时分配 章目 教学内容 教学环节 理论教学学时 实验教学学时 一 量子力学基础 4 二 原子结构 4 三 分子轨道理论 4 四 共轭分子的结构与性能 4 五 分子对称性 4 六 从头计算法的基本原理和 概念 5 七 计算方法简介及常用量子 化学软件介绍 7 总计 32 八、课程考核方式 1.考核方式： 闭卷 2.成绩构成 卷面成绩、平时成绩 九、选用教材和参考书目 ［1］《量子化学》，陈光巨、黄元河编，华东理工大学出版社，2008 年；
[2]《量子化学基础》，杨照地编，化学工业出版社，2012年； [3]《量子化学教程》，黄明宝编，科学出版社，2015年； [4]《量子化学基本原理与应用》，封继康编，高等教育出版社，2017年
［2］《量子化学基础》，杨照地编，化学工业出版社，2012 年； ［3］《量子化学教程》，黄明宝编，科学出版社，2015 年； ［4］《量子化学基本原理与应用》，封继康编，高等教育出版社，2017 年