導(dǎo)語：如何才能寫好一篇量子化學(xué)基礎(chǔ)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計算發(fā)現(xiàn)，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(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)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(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來，也為水泥材料的設(shè)計提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學(xué)計算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過量子化學(xué)方法進(jìn)行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計算機(jī)時少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時由于電子計算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計算方法以及計算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識對所研究的低級芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設(shè)計路徑的熱力學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了計算。由理論計算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看?、工作電壓高、循環(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實(shí)際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識和計算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計算一直是一個具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過程和作用特點(diǎn)設(shè)計高效低毒的新藥等等，可見運(yùn)用量子化學(xué)的手段來研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計算變得更加迅速和方便?？梢灶A(yù)言，在不久的將來，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

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篇2

關(guān)鍵詞：基因 基因概念 歷史淵源

中圖分類號：Q3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（b）-0234-03

遺傳學(xué)是研究生物起源，基因和基因組結(jié)構(gòu)、功能及其演變規(guī)律的學(xué)科，而基因的研究對促進(jìn)遺傳學(xué)發(fā)展具有重要意義。自20世紀(jì)開始以來，基因的發(fā)展經(jīng)歷了理論水平、細(xì)胞水平的遺傳學(xué)階段和分子水平上的遺傳學(xué)階段，在前人大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，人們對基因的認(rèn)識不斷深入，特別是隨著人類基因組計劃和“DNA元件百科全書”計劃（Encyclopedia of DNA Elements， ENCODE）的完成，人們對基因的認(rèn)識又有了新的變化，并將遺傳學(xué)中基因的概念和理論應(yīng)用到了計算機(jī)、商業(yè)和信息技術(shù)等領(lǐng)域。

如今的21世紀(jì)，隨著學(xué)科交叉研究的發(fā)展，一些科學(xué)研究者開始利用物理化學(xué)工具來研究核酸結(jié)構(gòu)，從分子水平上闡述遺傳現(xiàn)象背后的化學(xué)本質(zhì)。本文結(jié)合大量文獻(xiàn)綜述了基因的發(fā)展歷程以及現(xiàn)階段物理化學(xué)方法在遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用，并展望了量子化學(xué)理論在遺傳學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 基因概念的歷史淵源

19世紀(jì)，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要，人們開始重視動植物的遺傳變異現(xiàn)象并對這些現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，這為基因概念的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。1868年，Darwin C.受Hippocrates和Anaxagoras的生源說影響提出了泛生論的假說，認(rèn)為生物體的細(xì)胞能產(chǎn)生自我繁殖的微粒，這些微?？梢詤R聚于生殖細(xì)胞并決定后代的遺傳性狀，這種觀點(diǎn)缺乏實(shí)驗(yàn)論證，不過它充分肯定了生物體內(nèi)部存在特殊的物質(zhì)負(fù)責(zé)遺傳性狀的傳遞。之后，Weismann A.又在前人基礎(chǔ)上提出了種質(zhì)論（Germpiasm），認(rèn)為種質(zhì)是生物體的遺傳物質(zhì)，它可能作為遺傳單位存在于染色體上，這對基因概念的形成奠定了理論基礎(chǔ)[1]。

2 基因的研究發(fā)展

2.1 基因概念的提出

在前人的遺傳學(xué)理論研究基礎(chǔ)上，Mendel G.J.第一個對遺傳現(xiàn)象做了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。通過豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為生物性狀是由“遺傳因子”來控制的，這些遺傳現(xiàn)象符合分離定律和自由組合定律。之后，Devries H、Correns C.和Tschermak E.分別證實(shí)了孟德爾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，到1909年，丹麥的Johannsen W.L.首次用“基因”一詞表示遺傳因子。不過，當(dāng)時的遺傳因子沒有涉及到基因的具體物質(zhì)概念，只是一個經(jīng)過統(tǒng)計學(xué)分析的理論概念。

2.2 基因?qū)W說的創(chuàng)立

Mendel的遺傳因子學(xué)說是宏觀水平上的發(fā)現(xiàn)，其所提出的遺傳因子到底是否存在于細(xì)胞中需要進(jìn)行細(xì)胞水平上的研究。隨著當(dāng)時工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，用以研究生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備有了極大的改進(jìn)。20世紀(jì)初，Boveri T.[2]和Sutton W.S.[3]各自在研究減數(shù)分裂時，發(fā)現(xiàn)遺傳因子的行為與染色體行為呈平行關(guān)系，提出了基因就在染色體上的假說。然后，1910年，Morgan T. H.等[4]用果蠅作材料，進(jìn)行了一系列雜交實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了伴性遺傳現(xiàn)象和基因連鎖互換定律，直接證實(shí)了基因在染色體上，建立了染色體遺傳理論。1926年，Morgan T.H.正式提出了基因?qū)W說，即“三位一體”的基因概念，基因首先是決定性狀的功能單位，能控制蛋白質(zhì)的表達(dá)，決定一定的表型效應(yīng)；其次是一個突變單位，可以發(fā)生在等位基因之間，表現(xiàn)出變異類型；最后它是一個重組單位，只發(fā)生在基因之間，可以產(chǎn)生與親本不同的基因型[5]。這把染色體和基因聯(lián)系了起來，說明了基因具有物質(zhì)性，不過，Morgan在其著作中并沒有涉及基因的本質(zhì)是什么以及基因的功能是如何發(fā)揮等問題。

2.3 基因化學(xué)本質(zhì)的研究

對于基因的化學(xué)本質(zhì)和功能等問題，早在1909年，英國Garrod A.E.就提出過基因產(chǎn)生酶的觀點(diǎn)。之后，1941年斯坦福大學(xué)Beadle G.和Tatum E.[6]在研究真菌過程中，提出了“一個基因一個酶”的假說，認(rèn)為一個基因控制一個酶的合成，基因通過酶控制生物的代謝途徑，這從生物化學(xué)角度闡述了基因的功能，不過這種基因的概念仍然沒有揭示基因的化學(xué)本質(zhì)，只是解釋了基因發(fā)揮功能的途徑。到1944，Avery等通過肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明了遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是DNA，然后，1956年，美國的Fraenkel又通過煙草花葉病毒實(shí)驗(yàn)證明了RNA也可以作為遺傳物質(zhì)進(jìn)行傳遞[7]。

2.4 基因功能的研究

1953年，Watson J.D.和Crick F.H.C.[8]提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，人們開始從分子水平上認(rèn)識基因的本質(zhì)，即基因是DNA分子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位[9]，從此以后，人們對基因功能的認(rèn)識開始有了深入的了解。1955年，Benzer S.[10]通過T4噬菌體感染大腸桿菌的互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)提出了順反子學(xué)說，認(rèn)為基因就是順反子，即一個遺傳功能單位，一個順反子決定一條多肽鏈，它并不是一個突變單位和交換單位。一個順反子可以包含一系列突變子，突變子是DNA中構(gòu)成的一個或若干個核苷酸，由于基因內(nèi)的各個突變子之間有一定距離，所以突變子彼此之間能發(fā)生重組，重組頻率與突變子之間的距離成正比[11]。

20世紀(jì)60年代之前，人們已經(jīng)認(rèn)識到基因是有著精細(xì)結(jié)構(gòu)的DNA分子，其結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)分割，不過，當(dāng)時對于基因功能表達(dá)及其具體作用等問題的研究依然局限于傳統(tǒng)的“一個基因一個酶”的學(xué)說。1961年，法國遺傳學(xué)家Jacob F.和Monod J.L.[12]根據(jù)對大腸桿菌的試驗(yàn)，提出了大腸桿菌操縱子模型，認(rèn)為DNA的不同區(qū)域存在一個調(diào)節(jié)基因和一個操縱子，操縱子模型包括若干結(jié)構(gòu)基因、操縱基因和啟動基因。這一模型進(jìn)一步說明了基因是可分的，通過基因間的密切協(xié)作，細(xì)胞才能表現(xiàn)出獨(dú)特的功能[13]。此后，隨著DNA重組技術(shù)和DNA測序技術(shù)的發(fā)展，人們對基因的研究更加深入，發(fā)現(xiàn)了許多基因的其他功能和特點(diǎn)，極大地完善了人們對生物體各種遺傳現(xiàn)象的認(rèn)識。

2.5 基因概念的新發(fā)展

20世紀(jì)70年代以后，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對基因的結(jié)構(gòu)和功能上的特征有了更多的認(rèn)識，其中比較重要的發(fā)現(xiàn)有假基因、重疊基因、跳躍基因、斷裂基因、反轉(zhuǎn)錄基因、印記基因等。結(jié)合基因的這些新發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今人們認(rèn)識基因有以下幾種特點(diǎn)[5]：（1）基因不都是離散的，因?yàn)橛兄丿B基因；（2）基因不一定是連續(xù)的，如斷裂基因；（3）基因可以移動，其位置可以改變，如跳躍基因；（4）基因不是全能的結(jié)構(gòu)單位，有很多順式作用元件影響轉(zhuǎn)錄或剪接；（5）基因也不是簡單的功能單位，因?yàn)榛蚩梢酝ㄟ^順式或反式剪接，產(chǎn)生多種蛋白質(zhì)。那么，到底應(yīng)該怎樣給一個基因準(zhǔn)確定義呢？近年來，有很多人對此提出了看法。

Gerstein等[14]提出，基因的定義應(yīng)該和原來的定義有兼容，建立在已有的生物術(shù)語基礎(chǔ)之上。他們認(rèn)為，基因是基因組序列的聯(lián)合體，這些序列可以編碼具有潛在重疊功能的產(chǎn)品（蛋白質(zhì)或RNA），基因與其調(diào)節(jié)序列是多對多關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，Pesole[15]則認(rèn)為基因是一個離散的基因組區(qū)域，其轉(zhuǎn)錄可以被一個或多個啟動子和遠(yuǎn)端調(diào)節(jié)成分調(diào)控，并含有合成功能蛋白質(zhì)或非編碼RNA的信息?；蛟谧罱K功能產(chǎn)物上有共同性質(zhì)，這個定義主要針對真核生物基因組，強(qiáng)調(diào)每個基因都分布于基因組的連續(xù)區(qū)域，基因序列包含5′UTR和3′UTR。此外，還有學(xué)者從計算機(jī)角度對基因的定義做了描述，他們把基因組比喻為一個生命體的大的操作系統(tǒng)，而基因就是其中的一個子程序?？傊?，隨著當(dāng)今科技水平的發(fā)展，人們通過對DNA、RNA和蛋白質(zhì)新功能的研究，發(fā)現(xiàn)基因并不是以前想得那么簡單，其概念、功能和特征是隨著一些特殊的生命遺傳現(xiàn)象可以改變的。

如阮病毒的發(fā)現(xiàn)，朊病毒是一種只有蛋白質(zhì)而沒有核酸的病毒，就之前生物學(xué)家對基因的概念而言，朊病毒的復(fù)制并非以核酸為模板，而是以蛋白質(zhì)為模板，這又重現(xiàn)了20世紀(jì)遺傳物質(zhì)本質(zhì)問題的爭議，是現(xiàn)階段基因概念的新挑戰(zhàn)。此外，2006年，《自然》雜志在New Feature欄目上刊登了“什么是基因？”一文，這篇文章結(jié)合最近的研究成果對基因的概念做了新的詮釋，一些研究發(fā)現(xiàn)，RNA不是被動的將基因信息傳遞下去，而是主動地調(diào)控細(xì)胞的活動，有的RNA鏈不是傳統(tǒng)認(rèn)為的只由DNA的一條鏈轉(zhuǎn)錄，而是由兩條鏈轉(zhuǎn)錄得來，還有一些RNA可以通過某種途徑使正?；虺聊?，在必要時還會作為模板糾正某些異?；?，跨世代地攜帶生物體遺傳信息[16]。這些研究發(fā)現(xiàn)加深了我們對RNA的認(rèn)識，深化了我們對生物體遺傳現(xiàn)象的了解。又20世紀(jì)90年代，美籍華人牛滿江教授又發(fā)現(xiàn)了“外基因”，即一些生物體細(xì)胞質(zhì)中mtRNA能激活一些特定基因，使生物體表達(dá)特定的蛋白質(zhì)，還有，2008年《自然》雜志上報告，美國科學(xué)家確認(rèn)了一種可導(dǎo)致乳腺癌轉(zhuǎn)移的超級基因，這種基因可控制腫瘤細(xì)胞中其他基因的表達(dá)，它的表達(dá)與癌癥發(fā)生有密切的聯(lián)系[17]。

總之，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，人們對于生物遺傳現(xiàn)象的認(rèn)識越來越深入，基因的概念也隨著生物學(xué)的發(fā)展不斷變化和完善。由于其他非生命領(lǐng)域的研究對象顯示出了生命力及與生物基因相似的特征，現(xiàn)今，經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和計算機(jī)領(lǐng)域中又出現(xiàn)了企業(yè)基因[18]、產(chǎn)品基因[19]、數(shù)據(jù)基因[20]等新的定義，基因概念的基本理論已經(jīng)發(fā)展到更多學(xué)科中了，對基因本質(zhì)和特征的研究越來越有必要。

3 量子化學(xué)作為研究核酸方法的應(yīng)用

當(dāng)前，遺傳學(xué)的研究已經(jīng)發(fā)展到了分子水平，然而對于生物遺傳現(xiàn)象中一些酶、核酸、激素等活性物質(zhì)的構(gòu)象、生物活性和其具體作用機(jī)制依然存在爭議。生物系統(tǒng)研究的最大難題是生物分子的復(fù)雜性，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法只能得到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的宏觀方面解釋，而不能從微觀方面對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的化學(xué)本質(zhì)做出解釋。目前有一些研究者將物理化學(xué)方法應(yīng)用到了生命科學(xué)領(lǐng)域，建立了從理論分析到實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的方法模式，他們根據(jù)實(shí)際體系在計算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過比較模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)理論模型的準(zhǔn)確性，并在此基礎(chǔ)上模擬生物大分子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和反應(yīng)過程。

隨著計算機(jī)技術(shù)和物理化學(xué)理論的發(fā)展，以及X射線、NMR等技術(shù)的應(yīng)用，人們可以利用一些物理化學(xué)工具在計算機(jī)上進(jìn)行分子模擬，以此來模擬DNA、RNA和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，預(yù)測蛋白質(zhì)與核酸的功能和性質(zhì)。而且，隨著計算方法的改進(jìn)，高度變化的核酸體系的精確分子模擬已成為可能，依賴強(qiáng)大的計算機(jī)就能模擬一些更復(fù)雜的反應(yīng)，如DNA、RNA和蛋白質(zhì)的催化及折疊等[21]。

其中應(yīng)用比較廣泛的物理化學(xué)工具就是量子化學(xué)方法，量子化學(xué)方法是應(yīng)用量子化學(xué)基本原理和方法來研究化學(xué)體系的結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)性能的科學(xué)，其基本理論主要有價鍵理論（VB）、分子軌道理論（MO）、密度泛函理論（DFT），基本的計算方法有從頭算方法（ab initio）、半經(jīng)驗(yàn)方法（semi-empirical method）、密度泛函方法（Density Functional Theory）[22]。量子化學(xué)的原理和方法在物理化學(xué)、藥學(xué)計算和生命科學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，可以很好地分析分子間相互作用的機(jī)理，解釋實(shí)驗(yàn)中一些宏觀現(xiàn)象的物理化學(xué)本質(zhì)。如李梅杰[23]利用量子化學(xué)方法中的高精度組合從頭算方法（ONIOM-G3B3）研究了核酸自由基性質(zhì)和損傷機(jī)理，很好地解釋了生命過程中由于自由基和電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致DNA的斷鏈損傷而引起的衰老、癌癥、神經(jīng)紊亂等疾病的發(fā)生。又如2002年，Starikov E.B.[24]總結(jié)了核酸中量子化學(xué)方法的應(yīng)用，闡述了核酸中電荷轉(zhuǎn)移過程的量子化學(xué)描述及其化學(xué)機(jī)理，并詳細(xì)地討論了不同量子化學(xué)方法在研究核酸電子構(gòu)型中的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，于芳[25]運(yùn)用量子化學(xué)工具對胞嘧啶與丙烯酰胺組成的分子體系進(jìn)行了計算，以此來模擬核酸與蛋白質(zhì)相互作用的反應(yīng)過程，分析了DNA與蛋白質(zhì)的作用形式。

對于利用量子化學(xué)方法研究蛋白質(zhì)的應(yīng)用，國外在這方面做得比較深入。如紐約州立大學(xué)石溪分校Simmerling C.等[26]應(yīng)用量子化學(xué)方法研究了一種小分子量蛋白質(zhì)，僅有20個色氨酸構(gòu)成，準(zhǔn)確地預(yù)測了蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的折疊過程。又如Berriz和Shakhnovich[27]模擬了小的三螺旋束蛋白的折疊，Daggett和Fersht[28]模擬了小的單結(jié)構(gòu)域蛋白的動力學(xué)折疊.還有Akira Shoji等[29]采用密度泛函理論方法優(yōu)化了右手α-螺旋的PLA（聚L-丙氨酸）分子（如圖1所示，即H-Ala18-OH分子），分析了αR-螺旋的PLA形成的機(jī)制，獲得優(yōu)化的αR-螺旋H-Ala18-OH構(gòu)型外側(cè)的1H、13C、15N、17O原子的化學(xué)位移與用高分辨率固相NMR檢測的相同。

4 展望

近年來，國內(nèi)外量子化學(xué)在分子生物學(xué)中的應(yīng)用日趨廣泛，如利用量子化學(xué)方法研究納米微粒促進(jìn)靶向給藥、純化核酸以及處理廢氣等技術(shù)的發(fā)展；應(yīng)用量子化學(xué)方法優(yōu)化生物活性分子結(jié)構(gòu)，研發(fā)新型抗疾病藥物；采用分子模擬的量子化學(xué)計算方法探究激素與受體以及其他活性分子與核酸的作用機(jī)理等等，很大程度上促進(jìn)了分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展。從目前所作的科學(xué)研究看，量子化學(xué)完全可以作為遺傳學(xué)工具來研究生物體遺傳現(xiàn)象背后的化學(xué)本質(zhì)，其在遺傳學(xué)的研究中有廣闊的應(yīng)用前景。

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篇3

關(guān)鍵詞：惰性原子；氫化硅；勢能面；散射面

原子與分子碰撞實(shí)驗(yàn)及其理論研究是原子分子物理十分重要的研究方向之一[1]，它為沖擊波、聲波、風(fēng)洞流擴(kuò)張的快速壓縮過程中出現(xiàn)的弛豫現(xiàn)象、氣相反應(yīng)和輸運(yùn)性質(zhì)、氣體激光、轉(zhuǎn)動激發(fā)的共振熒光過程等科技領(lǐng)域提供了適用的方法和大量的參考信息[2-4]，所以對惰性原子與多原子分子比如氫化硅相互作用勢的研究具有非常重要的意義。

研究時利用量子化學(xué)Gaussian程序包，采用高水平的量子化學(xué)從頭計算包括單、雙取代并加入三重激發(fā)貢獻(xiàn)的二次組態(tài)相互作用方法，單、雙取代包括非迭代三激發(fā)的耦合簇方法和大基組加鍵函數(shù)，并經(jīng)基組重疊誤差校正，計算原子與雙原子分子在Jacobi質(zhì)心坐標(biāo)下的相互作用勢V（R，r，θ）。其次用逆變換方法得到相互作用勢的徑向系數(shù)Vλ（R，r），并經(jīng)非線性擬合構(gòu)造相互作用勢V（R，r，θ）的解析形式：

即“矩陣逆變換―擬合”方法。對于原子與同位素雙原子分子的相互作用勢V（R，r，θ），在Born-Oppenheimer近似下，由于不改變體系中電子的運(yùn)動狀態(tài)，相互作用勢不變，即

通過質(zhì)心變換，從原質(zhì)心相互作用勢V（R'，r，θ'）得到新質(zhì)心的相互作用勢V（R，r，θ），其變換關(guān)系為：

對于原子與雙原子分子相互作用勢V（R，r，θ）的振轉(zhuǎn)模型，用Gaussian03程序計算體系在多個剛性轉(zhuǎn)動模型相互作用勢的基礎(chǔ)上，采用三維非線性擬合構(gòu)造相互作用勢V（R，ri，θ）振轉(zhuǎn)模型的解析形式。

經(jīng)過編程計算，可以得出一些非常好的結(jié)論[5]，但由于有些數(shù)據(jù)沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐，所以在探討的過程中，只有通過有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分子碰撞，用許多理論上講，切實(shí)可行的計算方法，不斷去運(yùn)算，然后找出最佳計算方法，再用最佳計算方法去計算原子與分子碰撞，得出的結(jié)論再引導(dǎo)開展實(shí)驗(yàn)研究的科研工作者，一道把原子與分子的碰撞研究得更加深入，全面。

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篇4

按照公司《關(guān)于加強(qiáng)儲糧化學(xué)藥劑管理的通知》要求，庫主任親自帶隊，對庫內(nèi)的儲糧化學(xué)藥劑管理工作進(jìn)行全面、徹底的安全隱患排查，發(fā)現(xiàn)問題立行立改，做到了嚴(yán)、細(xì)、實(shí)?，F(xiàn)將排查工作情況報告如下：

一、藥品庫現(xiàn)場安全

藥品庫在庫區(qū)西南，離辦公區(qū)xx米，離儲糧倉房xx米，外部周圍是農(nóng)田區(qū)。藥品庫上不漏下不潮，地面鋪地板革，高度符合《儲糧化學(xué)藥劑管理和使用規(guī)范》要求，周圍沒有其它建筑物，消防通道暢通，藥品庫在庫區(qū)監(jiān)控覆蓋范圍內(nèi)。藥品庫雙門雙鎖，窗戶安裝防盜窗，庫房標(biāo)識、安全標(biāo)識、責(zé)任人標(biāo)牌齊全。藥品庫配備有8公斤滅火器4個，消防沙1.5立方米，消防鍬1把、消防鏟1把。藥品庫室內(nèi)安裝了防爆燈，配備了自動報警儀、換氣扇等，電源開關(guān)設(shè)在庫外，庫內(nèi)藥劑貨架距離地面高度滿足要求。

二、2017年1月-7月藥劑采購情況

庫2016年結(jié)轉(zhuǎn)藥劑數(shù)量為零。2017年上半年儲糧化學(xué)藥劑采購均經(jīng)過了公司審批，其中保糧磷在服務(wù)網(wǎng)上采購。上半年共采購保糧磷xx公斤，惰性粉xx公斤，所購藥品均已按計劃全部使用。截止7月末剩余藥劑數(shù)量為零；藥劑驗(yàn)收、出庫、入庫及報廢手續(xù)記錄齊全。

三、藥品庫管理情況

藥品庫嚴(yán)格執(zhí)行藥品庫雙人、雙鎖收發(fā)制度，雙鎖鑰匙分別由兩位保管員保管，在藥劑出入庫時兩人同時在場，共同簽字確認(rèn)，手續(xù)記錄齊全。

藥品庫安全責(zé)任區(qū)負(fù)責(zé)人：，聯(lián)系電話：

篇5

關(guān)鍵詞：白藜蘆醇；定量構(gòu)效關(guān)系；多元線性回歸

中圖分類號：R979.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）24-6129-03

白藜蘆醇（Resveratrol）作為天然抗癌藥物，與傳統(tǒng)化學(xué)藥物相比，具有來源廣、抗癌廣譜、不良反應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。白藜蘆醇通過抑制腫瘤血管生成，可以達(dá)到抑制腫瘤細(xì)胞增殖，加速其凋亡的效果。白藜蘆醇對多種癌細(xì)胞均表現(xiàn)出抑制其生長和促進(jìn)凋亡的作用[4-6]，但分子機(jī)理并不明確。白藜蘆醇可以通過降低氨基末端激酶活性，抑制蛋白激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，達(dá)到抑制骨髓瘤、宮頸癌等惡性腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的目的[7]。白藜蘆醇通過減少處在G0到G1期的細(xì)胞和阻滯S期的細(xì)胞，從而抑制腫瘤細(xì)胞的增殖[8]。Stervbo等[9]以HL-60細(xì)胞分化系統(tǒng)為試驗(yàn)?zāi)Ｐ停C明白藜蘆醇能降低粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞數(shù)量，對人早幼粒白血病細(xì)胞分化有促進(jìn)作用。

目前已報道了許多白藜蘆醇類似物，其抗腫瘤特性甚至強(qiáng)于白藜蘆醇。白藜蘆醇促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡是由多方面機(jī)制引起的。因此研究白藜蘆醇藥性機(jī)理對抗癌新藥的開發(fā)有著指導(dǎo)作用，通過利用定量結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系（Quantitative structure activity relationship， QSAR）研究白藜蘆醇結(jié)構(gòu)與抗癌活性之間的關(guān)系，可以優(yōu)化改性白藜蘆醇結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)，這將會指導(dǎo)設(shè)計活性優(yōu)良的新型抗腫瘤藥物分子。本研究基于白藜蘆醇的藥效構(gòu)象，系統(tǒng)構(gòu)建了順反異構(gòu)的14種白藜蘆醇類似物，通過B3LYP/6-31G方法對其進(jìn)行了量子化學(xué)研究，并結(jié)合定量構(gòu)效關(guān)系為下一步結(jié)構(gòu)改造提供了依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

14種白藜蘆醇類化合物均參照文獻(xiàn)[10]，其結(jié)構(gòu)見圖1，活性數(shù)據(jù)以文獻(xiàn)提供的抗大腸腫瘤SW480半數(shù)有效劑量IC50表示，單位為μmol/L，在定量構(gòu)效關(guān)系研究中以其負(fù)對數(shù)pIC50表示活性。

1.2 方法

1.2.1 構(gòu)型優(yōu)化及電子結(jié)構(gòu)計算 利用chem3D程序包建立白藜蘆醇類化合物分子構(gòu)型。采用PM3優(yōu)化圖1中14種白藜蘆醇類化合物的初始結(jié)構(gòu)。得到分子摩爾折射率（R）、疏水性參數(shù)（logP）。再采用Gaussian03軟件，在B3LYP/6-31G基組精確優(yōu)化得穩(wěn)定構(gòu)型，單點(diǎn)能計算得到分子極化率（P）、分子體積（V）、分子的偶極矩（μ，Debye）、最高占據(jù)軌道能（EHOMO，Harte）、最低空軌道能（ELUMO，Harte）。

1.2.2 相關(guān)分析和回歸分析 為構(gòu)建白藜蘆醇抗腫瘤活性的定量構(gòu)效關(guān)系，以pIC50作為活性參數(shù)，對計算得到的量子化學(xué)參數(shù)進(jìn)行線性多元回歸分析。其中IC50是通過體外人體大腸腫瘤SW480細(xì)胞篩選測定的。pIC50為IC50的負(fù)對數(shù)，pIC50值越大表征抗癌活性越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 前線軌道理論分析

14種白藜蘆醇類化合物前線分子軌道能量見表1。在藥物與受體的相互作用中，最高占據(jù)軌道能量與最低空軌道能量是非常重要的因素。根據(jù)分子軌道理論，最高占據(jù)軌道HOMO及其附近占據(jù)軌道具有給出電子的作用， 易與生物大分子的正電區(qū)域相結(jié)合，產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移作用，形成電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物，從而表現(xiàn)出抗癌活性。而最低空軌道及其附近的空軌道具有接受電子的作用，其有效部位能優(yōu)先接受電子與生物大分子的負(fù)電區(qū)域相結(jié)合，并體現(xiàn)出生物活性。分析白藜蘆醇類化合物的前線軌道分布可以看出，白藜蘆醇類化合物的HOMO、LUMO軌道分布在2個苯環(huán)及苯環(huán)間雙鍵上。故與受體作用時該類化合物的苯環(huán)與連接苯環(huán)的雙鍵可能是影響活性的重要部位。

從表1抗癌活性數(shù)據(jù)可知，對應(yīng)構(gòu)象中，反式構(gòu)型的抗癌活性均高于順式構(gòu)型。結(jié)合化合物2、9的前線軌道圖（圖2）可以看出，反式構(gòu)型的前線軌道遍布在整個分子平面上，雙鍵與苯環(huán)中附近原子也可形成共軛結(jié)構(gòu)，整個分子形成大的共軛體系，這可能是反式構(gòu)型化合物活性高于順式構(gòu)型的重要原因。從表1數(shù)據(jù)還可知，在順式構(gòu)型中，6位有羥基取代基的構(gòu)型抗癌效果較好，這主要是由于羥基取代基的引入，導(dǎo)致能量增高，環(huán)原子軌道成分的比例增加，進(jìn)而活性增加。但在反式構(gòu)型中，則不明顯。

2.2 定量構(gòu)效關(guān)系

3 結(jié)論

通過量子化學(xué)研究了14種白藜蘆醇類化合物，結(jié)果表明反式構(gòu)型活性均明顯高于順式構(gòu)型，前線軌道能量對活性作用顯著，在順式構(gòu)型中，6位有羥基取代基的構(gòu)型活性會得到增強(qiáng)。結(jié)合多元線性回歸，得到了統(tǒng)計意義明顯的白藜蘆醇類化合物的定量構(gòu)效關(guān)系方程，為下一步設(shè)計合成新型高效的白藜蘆醇類化合物打下了基礎(chǔ)。

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篇6

關(guān)鍵詞：原子軌道；誤概念；概念轉(zhuǎn)變

文章編號：1008-0546（2016）04-0010-03 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.004

從道爾頓的原子學(xué)說到盧瑟福的核型原子模型，人們一步一步地認(rèn)識原子的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)原有理論不能解釋氫原子線狀光譜等實(shí)驗(yàn)事實(shí)時，出現(xiàn)了量子力學(xué)。

玻爾引入了部分量子理念，但只能解釋氫原子及一些單電子離子的光譜，原因在于其沒有完全拋棄經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)容。1926年薛定諤意識到，微觀粒子的波粒二象性和不確定性之間的關(guān)系，提出了薛定諤方程。通過求解薛定諤方程得出原子的能量和波函數(shù)，波函數(shù)又被稱為“原子軌道”，能量稱為原子軌道能。這正是原子軌道的基礎(chǔ)，表示核外電子的運(yùn)動狀態(tài)，與經(jīng)典的軌道意義不同，是一種軌道函數(shù)。[1]由于高中階段學(xué)生并未接觸波函數(shù)和薛定諤方程，本文將“原子軌道”理解為電子在核外空間概率密度較大的區(qū)域?？捎捎诓栃行悄Ｐ头浅Ｐ蜗蠛唵?，學(xué)生常常深刻記憶，阻礙學(xué)生理解原子軌道的本質(zhì)――概率。本文就此研究學(xué)生產(chǎn)生有關(guān)“原子軌道”誤概念的原因，針對誤概念進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變。

一、誤概念產(chǎn)生原因分析

1. 受舊量子學(xué)說“玻爾理論”干擾

不同水平學(xué)生都更喜歡具體、簡單的抽象模型。例如：原子和分子的全填充模型；玻爾原子模型；八隅體規(guī)則等。即使學(xué)生在一個很高的教育水平也可能使用簡單的抽象模型，例如原子模型的量子化學(xué)或分子軌道。[2]文獻(xiàn)整理發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對玻爾模型尤為記憶深刻。

物理學(xué)家玻爾（Niels Bohr，1885-1962），建立氫原子核外電子運(yùn)動模型，解釋了氫原子光譜，后人稱為“玻爾理論”，主要內(nèi)容：（1）行星模型；（2）定態(tài)假設(shè)；（3）量子化條件；（4）躍遷規(guī)則。[3]后來的新量子論完全拋棄了玻爾行星模型的“外殼”，而玻爾理論的合理“內(nèi)核”保留下來的。學(xué)生們卻恰恰相反，牢固地記住了“外殼”，忽略了“內(nèi)核”。

（1） “軌道”（orbital）的錯誤認(rèn)識

學(xué)生混用“軌道”（orbital）和“玻爾軌道”（orbit）?！败壍馈保╫rbital）是用來描述在一定能層和能級上又有一定取向的電子云，即電子在核外空間概率密度較大的區(qū)域。

Georgios Papaphotis和Georgios Tsaparlis（2008）[4]通過測驗(yàn)題檢測學(xué)生對基礎(chǔ)量子化學(xué)的理解程度。其中有一道題為“根據(jù)你的猜想，畫出氫原子實(shí)際的樣子?！背^三分之二的學(xué)生堅持“行星模型”（即使已經(jīng)學(xué)習(xí)量子力學(xué)概率模型）。圖1為學(xué)生的圖畫表征。

學(xué)生對“玻爾行星模型”記憶深刻，有三個原因：第一，玻爾采用“類比”的方法，將核外電子運(yùn)行方式比喻成行星圍繞太陽運(yùn)行，非常形象，不用死記硬背；第二，量子化學(xué)用電子云表征“軌道”（orbital），學(xué)生頭腦中并沒有類似的“圖式”可以“同化”，造成認(rèn)知記憶障礙；第三，兩個理論都用“軌道”表述，使學(xué)生產(chǎn)生理解偏差。是否可以將現(xiàn)今的“軌道”（orbital）改稱“云層”，以區(qū)別于“玻爾軌道”（orbit），一方面體現(xiàn)電子云的表征方式突出本質(zhì)，另一方面體現(xiàn)了原子軌道（s，p，d.....）能級層次。

（2） “基態(tài)”和“激發(fā)態(tài)”的錯誤理解

學(xué)生受玻爾理論中的行星軌道影響，認(rèn)為“基態(tài)”和“激發(fā)態(tài)”仍在固定的軌道上，忽略了核外電子在核外運(yùn)行的本質(zhì)為“概率”問題。

Georgios Papaphotis和Georgios Tsaparlis（2008）測試題“在基態(tài)氫原子的1s軌道的空間外有可能發(fā)現(xiàn)電子嗎？說明原因?！?。這道題目大約20%的人回答正確。大部分認(rèn)為，在“1s區(qū)域”外發(fā)現(xiàn)電子，只有可能是被激發(fā)了。這些錯誤答案都是基于對軌道的“確定性”認(rèn)識，認(rèn)為電子是在一個固定空間中運(yùn)動。

2. 對原子軌道本質(zhì)“概率”問題不清楚

學(xué)生無法對原子軌道本質(zhì)“概率”問題理解清楚的原因在于，無法理解“為什么微觀粒子不能像宏觀物體一樣用確定的‘軌跡’來描述物體的運(yùn)動規(guī)律？”。其中“海森堡不確定原理”起關(guān)鍵作用。只要明白“不確定原理”為什么“不確定”，就能明白為什么要用“概率”描述微觀粒子運(yùn)動規(guī)律。

（1）海森堡不確定理論

海森堡（W，Heisenberg，1901-1976）論證到，對于一個物體的動量（mv）的測量的偏差（mv）和相對該物體的運(yùn)動坐標(biāo)，也就是該物體的位置（x）的測量偏差（x）的乘積處于普朗克常數(shù)的數(shù)量級，即：

Δx?ΔP≥h（4∏）

這個關(guān)系式被稱為海森堡不確定關(guān)系式。用此公式考察氫原子的基態(tài)電子，發(fā)現(xiàn)電子在相當(dāng)于玻爾半徑的約5倍（260/53）的內(nèi)外空間里都可以找到（包括在原子核上），這樣，玻爾半徑以及線性軌道變成了無稽之談。因此采用“概率”描述微粒粒子的運(yùn)動規(guī)律。

學(xué)生不理解“海森堡理論的本質(zhì)是由電子本身特性引起而非測量工具問題”和“為什么是物體動量和物置之間的偏差”。其實(shí)不確定性關(guān)系適用于所有物質(zhì)的普遍原理，不確定性是物質(zhì)的內(nèi)在本質(zhì)。對于宏觀物體，看似物體的位置和速度是可以準(zhǔn)確確定的，但這只是因?yàn)楹暧^物體的不確定性相對微小，不易察覺而已。事實(shí)上，不確定關(guān)系揭示的是一條重要的物理規(guī)律：粒子在客觀上不能同時具有確定的坐標(biāo)位置及相應(yīng)的動量。[5]“不確定關(guān)系式”其實(shí)是根據(jù)量子力學(xué)基本方程推導(dǎo)出來，而非憑空想象。

而為什么是位置和動量之間的關(guān)系呢？描述一個物體的運(yùn)動規(guī)律，需要知道物體的位置和速度，但是速度又與質(zhì)量有密切相關(guān)性即動量，不確定關(guān)系就是反應(yīng)微觀粒子運(yùn)動的基本規(guī)律，所以體現(xiàn)在位置和動量兩個物理量上。

（2）電子云

電子云是電子在原子核外空間概率密度分布的形象描述，圖像中每一個小黑點(diǎn)表示電子出現(xiàn)在核外空間中的一次概率（不表示一個電子），概率密度越大，小黑點(diǎn)越密。

Georgios Papaphotis and Georgios Tsaparlis（2008）測試題“觀察圖中1s和一個2p軌道電子云圖[圖2（a）和（b）]。在（a）中遠(yuǎn)離原子核處有稀疏的點(diǎn)，而（b）中這樣點(diǎn)則沒有。你認(rèn)為是其中一張錯了還是兩張圖都錯了？”

許多學(xué)生認(rèn)為兩張圖的不同是由于軌道本質(zhì)的不同（一個s-，另一個是p-）：

“s軌道的形狀是圓形的，然而在p軌道有兩個‘耳垂’”，“兩個圖片都是正確的，因?yàn)椋╝）指的是s軌道（圓形）而（b）是p軌道（兩個‘耳垂’）――事實(shí)上在p軌道中，靠近原子核處電子密度更大，而遠(yuǎn)離原子核時密度就減小了”……

無論什么軌道，遠(yuǎn)離核的部分都有可能出現(xiàn)電子，只是出現(xiàn)的概率小、稀疏，并不取決于屬于哪一個軌道。而且學(xué)生很容易受“電子云輪廓圖”所誤導(dǎo)，認(rèn)為電子就是出現(xiàn)在這個范圍之內(nèi)，而忽略了輪廓圖只表示了95%的電子出現(xiàn)的區(qū)域。

二、概念轉(zhuǎn)變策略

1. 借助實(shí)驗(yàn)儀器

由于“原子軌道”的抽象性和不可視性，研究者研發(fā)了一些實(shí)驗(yàn)儀器將軌道可視化。

Charles Leonard Hurwitz[6]采用原子探測器（atomic explorer）學(xué)習(xí)原子的電子結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。Shane P. Tully[7]等人用Jmol軟件將類氫軌道網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)彩可視化 （web-based pointillist visualization of hydrogrnic orbitals）。類氫軌道的電子密度點(diǎn)彩圖是根據(jù)蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）進(jìn)行交互作用。蒙特卡洛方法又稱“統(tǒng)計模擬法”，以概率和統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)方法。將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序和Jmol觀察器相結(jié)合，可獲得清晰準(zhǔn)確的三維軌道形狀和大小，最多可呈現(xiàn)到軌道主量子數(shù)5（如圖3）。

2. 手工活動

Zephen Specht和Duke Raley[8]設(shè)計了一項活動幫助高中生理解不同電子軌道類型（特別是s，p，d和f軌道）。學(xué)習(xí)軌道和相關(guān)的電子密度，發(fā)現(xiàn)電子圍繞原子核的概率問題。

用一個小彈球扔在白紙上（放在一系列復(fù)寫紙上面），用來表示電子密度（如圖4）。根據(jù)s，p或d軌道的不同類型，將白紙折成不同的形狀，用這個方法可以使得白紙上的一些地方不與復(fù)寫紙相結(jié)合，來表示節(jié)點(diǎn)?！霸雍恕本褪前准埖闹行奈恢谩Ｊ紫葘W(xué)生要學(xué)會如何將白紙折成不同的軌道類型，在白紙兩面都印有虛線方便學(xué)生折疊。紙1：s軌道不用折疊；紙2：p軌道沿著三條虛線折疊，使得白紙中間形成一個“山脊”；紙3：d軌道沿著兩個垂直的三條虛線折疊，適當(dāng)?shù)恼燮鸢准?，兩個交叉的“山脊”，減去中間的部分，形成一個“X”的圖案。用紙夾將紙2和3中間的“山脊”夾住。然后模擬電子云，向紙的中心位置原子核扔彈球。由于白紙下有復(fù)寫紙，當(dāng)球落在白紙上時留下印記。彈球扔25次就能在紙1上形成很好的點(diǎn)分布（s軌道），紙2用50次（p軌道）和紙3用75次（d軌道）。

整個過程，學(xué)生體會到“為什么軌道有特別的形狀”，而且能夠?qū)④壍辣硎镜淖帜福╯，p，d和f）與它們的光譜發(fā)射譜線特征：鋒利（sharp）、主要的（principal）、散開的（diffuse）、基礎(chǔ)的（fundamental），建立聯(lián)系。學(xué)生最后還要完成一個工作單，將二維圖像轉(zhuǎn)換為三維圖像，加強(qiáng)了對電子軌道構(gòu)型的理解。

3. 小組合作學(xué)習(xí)

Georgios Tsaparlis和Georgios Papaphptis（2009）[9]采用小組形式在教師的觀察指導(dǎo)下完成特定學(xué)習(xí)任務(wù)。小組有3-4個成員，其中至少有一個學(xué)生持有正確觀點(diǎn)。例如，當(dāng)學(xué)生討論“氫原子的原子軌道表征方式”的時候，有一組學(xué)生原本的觀點(diǎn)如圖5（學(xué)生A畫的是d圖，學(xué)生B畫的是b圖，然而學(xué)生C畫的更接近a圖（并說明外面的一圈是“s軌道”））。

他們的對話如下（教師為T）：

T：B，虛線指的是什么？

B：是1s，...這個空間里有許多軌道，1s，2s，2p，所有的這些組成了層。

T：這個就是你畫的軌道嗎？

B：是的，軌道和層。

T：C，你是如何理解的呢？

C：我試著解釋軌道不是一個能精確描述的空間，...但是在中心位置確實(shí)是原子核，但是最大的圈表示一部分在這里面，這個更大的圈里s軌道被包括，就是發(fā)現(xiàn)電子的可能范圍。

T：A，你是怎么認(rèn)為的呢？

A：我已經(jīng)把氫原子的原子中心放上一個質(zhì)子，這些點(diǎn)隨著遠(yuǎn)離原子核變得更加稀少，實(shí)際上我已經(jīng)畫出了可能性，就是可能發(fā)現(xiàn)電子的位置。

T：我們已經(jīng)看到了所有的圖畫，哪些能體現(xiàn)問題中所提到的真實(shí)性？

B：A能夠體現(xiàn)，因?yàn)橛性雍舜嬖?，也能體現(xiàn)在1s中發(fā)現(xiàn)電子的可能性，甚至從原子核到無窮遠(yuǎn)的地方也不會是0。

T：C你是如何認(rèn)為的？

C：同意。

T：那我們對照看自己所畫的圖？

C：降低了可能性，在一定距離后就變成0了。

從對話中發(fā)現(xiàn)，教師能夠針對學(xué)生理解的“關(guān)鍵處”進(jìn)行指導(dǎo)。觀察多組討論發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生可以接受電子云是電子在瞬間出現(xiàn)的不同可能點(diǎn)的位置，但不能接受用這樣的一張圖表征氫原子內(nèi)部“看到”的樣子。所以學(xué)生不能夠用靜態(tài)圖表示，結(jié)果又回到了行星模型。此時教師用一個類比的方法幫助學(xué)生理解，用一個自行車快速旋轉(zhuǎn)，輻條所呈現(xiàn)的樣子幫助學(xué)生理解電子云圖可以表示氫原子的動態(tài)時的樣子。這樣的討論可以激發(fā)學(xué)生最真實(shí)的想法，從本質(zhì)上進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變。

三、小結(jié)

總結(jié)以上三種概念轉(zhuǎn)變策略，小組合作學(xué)習(xí)能夠從本質(zhì)上解決對“玻爾理論”的根深蒂固理解，在對話中引發(fā)認(rèn)知沖突并建立正確概念，但這種方法所需時間較多。實(shí)驗(yàn)儀器能夠?qū)⑽⒂^結(jié)構(gòu)表現(xiàn)得淋漓盡致，給予視覺沖擊的同時理解原子的微觀結(jié)構(gòu)。但考慮各學(xué)校的條件不同，這種方法的局限性也暴露無遺。手工活動能夠讓學(xué)生親身體驗(yàn)軌道的形成過程，且所需材料方便易得，體會不同軌道的形狀的同時，理解“不確定性理論”。每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，只要教師恰當(dāng)使用，概念轉(zhuǎn)變就不是問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋天佑. 簡明無機(jī)化學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2007

[2] Christina Stefani，Georgios Tsaparlis. Students’s Levels of Explanations，Models，and Misconceptions in Basic Quantum Chemistry：A Phenomenographic Study[J]. Journal of research in science teaching，2009

[3] 北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室編.無機(jī)化學(xué)上冊（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：27

[4] Georgios Papaphotis and Georgios Tsaparlis，Conceptual versus algorithmic learning in high school chemistry：the case of basic quantum chemical concepts Part 2. Students’ common errors，misconceptions and difficulties in understanding[J].Chem. Educ. Res. Pract.，2008，9：332C340

[5] 楊福家著. 原子物理學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2008

[6] Charles Leonard Hurwitz. Evaluating conceptual change in high school honors chemistry studentsston[J]. United States：Boston University School of Education，2006

[7] Shane P. Tully，et al. Interactive Web-Based Pointillist Visualization of Hydrogenic Orbitals Using Jmol[J]. J. Chem. Educ. 2013，90：129-131

篇7

近20年以來，基于圖形處理器（GPU，Graphics Processing Units）的計算模擬技術(shù)快速發(fā)展，研究內(nèi)容幾乎涵蓋了各個學(xué)科。本書通過梳理GPU技術(shù)的發(fā)展歷史，突出了GPU的技術(shù)優(yōu)勢，并重點(diǎn)介紹了圖形處理器在電子結(jié)構(gòu)計算方面的應(yīng)用及進(jìn)展。

全書分為兩個部分。第一部分 主要是計算科學(xué)的發(fā)展歷史和常用的電子結(jié)構(gòu)計算方法，包含第1-3章：1.介紹并行計算的歷史背景和GPU技術(shù)的出現(xiàn)，突出GPU相對于CPU在海量數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢；2.介紹目前最流行的CUDA通用并行計算架構(gòu)，并分析了GPU技術(shù)對硬件和軟件的要求；3.總覽電子結(jié)構(gòu)計算方法，包括哈特利-?？朔椒ā⒚芏确汉碚?、半經(jīng)驗(yàn)理論等，并分析了不同的基組函數(shù)選擇對計算效率的影響。第二部分 主要是對各種不同基組函數(shù)和不同計算方法的細(xì)致分析，含第4-14章：4.基于GPU的高斯型基組的哈特利-?？朔椒ê兔芏确汉碚摰挠嬎?，進(jìn)行了烯烴和水分子相互作用計算的實(shí)例，其主要應(yīng)用于原子與分子的尺度；5.結(jié)合ADF軟件，分析了GPU對Slater型基組密度泛函理論的計算效率的提高；6.基于小波變換的大規(guī)模并行混合架構(gòu)密度泛函理論計算；7.基于平面波的密度泛函理論電子結(jié)構(gòu)計算方法，并對幾何結(jié)構(gòu)弛豫、能帶結(jié)構(gòu)與電子密度計算進(jìn)行了分析。相比于CPU，GPU的計算速度更快，同時也對計算軟件的優(yōu)化提出了更高的要求；8.GPU對線性標(biāo)度算法中的稀疏矩陣乘法的加速；9.基于格點(diǎn)的投影綴加波方法，GPU在提升該方法計算速度方面還有很大的空間；10.GPU在實(shí)空間密度泛函和含時密度泛函理論方面的應(yīng)用；11.GPU對半經(jīng)驗(yàn)的量子化學(xué)計算方法的優(yōu)化；12.GPU對MollerPlesset二級微擾理論計算方法的改進(jìn)；13.基于GPU的迭代耦合簇方法，此方法主要解決多體問題，并主要應(yīng)用于費(fèi)米子體系；14.基于GPU的微擾耦合簇方法，并從單參考態(tài)耦合簇方法和多參考態(tài)耦合簇方法兩個方面進(jìn)行了分析。

本書對于圖形處理器的電子結(jié)構(gòu)的計算方法做了細(xì)致的介紹，并在每一章都列舉了計算實(shí)例，輔助讀者理解GPU在數(shù)據(jù)計算方面的優(yōu)勢。由于基于平面波的密度泛函理論是目前材料科學(xué)計算領(lǐng)域最常用的方法，因此作者在第7章花費(fèi)了較多篇幅介紹了該方法的理論背景，并對CPU和GPU計算實(shí)例進(jìn)行了比較，凸顯了GPU的計算優(yōu)勢。因此本書對于從事計算軟件開發(fā)和材料計算科學(xué)的研究人員有重要的參考意義。

梁飛，博士研究生

篇8

化學(xué)的學(xué)科發(fā)展，可以提到許多方面，如飛秒化學(xué)。化學(xué)向生物學(xué)和醫(yī)學(xué)、材料設(shè)計、能源、大氣和環(huán)境化學(xué)、國家安全與個人安全等領(lǐng)域的拓展等。在本文中，要著重說的是：化學(xué)與化學(xué)工程的重新融合。

20世紀(jì)初，化學(xué)工程從應(yīng)用化學(xué)中脫胎而出，經(jīng)歷了單元操作和三傳一反，形成了化學(xué)工程學(xué)，從以經(jīng)驗(yàn)為主過渡到有一定預(yù)測功能的較完整的理論，從而導(dǎo)致化學(xué)與化學(xué)工程的分離。這種情況在20世紀(jì)90年生了變化，基礎(chǔ)化學(xué)研究與化學(xué)工程之間發(fā)生了空前的交疊和滲透?；瘜W(xué)家越來越多地介入復(fù)雜系統(tǒng)的構(gòu)造、分析和使用中，這些自然而然與工程學(xué)中的系統(tǒng)方法有關(guān)?；瘜W(xué)工程師正日益進(jìn)入越來越多的化學(xué)基礎(chǔ)領(lǐng)域，在一些情況下甚至處于領(lǐng)導(dǎo)地位。在2003年美國出版的《超越分子前沿――化學(xué)與化學(xué)工程面臨的挑戰(zhàn)》一書中，開始使用化學(xué)科學(xué)來代表所有化學(xué)家和化學(xué)工程師的工作范圍。

化學(xué)是一個多尺度的科學(xué)。微觀尺度是從電子和原子核到分子，例如分子設(shè)計。宏觀尺度，例如實(shí)驗(yàn)室合成、生產(chǎn)裝置、化學(xué)和物理操作、產(chǎn)品包裝和運(yùn)輸?，F(xiàn)在大家更關(guān)注介觀尺度。從化學(xué)方面來說，人們關(guān)注超越分子的層次，進(jìn)入超分子、分子集團(tuán)、大分子、活性中心、器件的作用域，可以說從微觀跨越到介觀以至宏觀層次。從化學(xué)工程來說。人們也不再滿足于宏觀的三傳一反，而是逐步深入到顆粒、液滴、氣泡、微孔、界面等介觀行為，并對微觀的機(jī)理也表現(xiàn)了濃厚的興趣。化學(xué)由底向上，化學(xué)工程由頂向下，在介觀層次相遇，互相借鑒，對于化學(xué)科學(xué)及其理論的發(fā)展，形成了巨大的推動。

二、介觀尺度的研究

通?；瘜W(xué)以量子力學(xué)或量子化學(xué)為理論基礎(chǔ)，用以研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵和對稱等，現(xiàn)在正逐步重視隨時間發(fā)展的動態(tài)演變。在唯象地說明宏觀現(xiàn)象時，則應(yīng)用熱力學(xué)。進(jìn)入介觀層次后，要采用平衡態(tài)和非平衡態(tài)的統(tǒng)計力學(xué)，后者需要綜合應(yīng)用流體力學(xué)的原理。

化學(xué)工程通常以流體力學(xué)和熱力學(xué)為理論基礎(chǔ)，特別重視湍流理論、多相流和不可逆過程的熱力學(xué)。計算流體力學(xué)有很大的發(fā)展。在研究湍流的強(qiáng)相關(guān)機(jī)理以及涉及介觀層次時，統(tǒng)計力學(xué)原理起著重要的作用。而在為特征參數(shù)找出規(guī)律時，則需要量子力學(xué)的幫助。

化學(xué)科學(xué)理論的發(fā)展，進(jìn)入到綜合運(yùn)用量子力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)的時代，目標(biāo)是解決多尺度時空結(jié)構(gòu)與宏觀平衡和速率的關(guān)系。

進(jìn)行多尺度時空結(jié)構(gòu)研究，有兩個重要方面：一是由下向上的預(yù)測。從分子結(jié)構(gòu)逐級預(yù)測介觀層次的各種結(jié)構(gòu)及其隨時間的演變，并進(jìn)而預(yù)測宏觀層次的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)和分離的特性，以至在反應(yīng)器和分離裝置中的行為，目標(biāo)是形成無縫的從微觀到宏觀的鏈接。要做到這一點(diǎn)，先要搞清楚各個相鄰層次的時空結(jié)構(gòu)是如何相互關(guān)聯(lián)的。研究這種關(guān)聯(lián)，首先要有實(shí)驗(yàn)的觀察，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的規(guī)律，然后是理論的建立和推導(dǎo)，作為過渡步驟，也常常是采用模型的半經(jīng)驗(yàn)方法。二是由上向下的控制。用宏觀的手段，逐級控制各級時空結(jié)構(gòu)的形成。這兩個方面有著緊密的聯(lián)系，有相輔相成的關(guān)系。

三、對化學(xué)教學(xué)的啟示

為了適應(yīng)不斷變化的新形勢，化學(xué)教學(xué)要做好以下幾點(diǎn)：

第一要打好基礎(chǔ)。最重要的是，對于本學(xué)科的框架結(jié)構(gòu)，通過教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生有一個系統(tǒng)的完整的初步認(rèn)識。新的現(xiàn)象、規(guī)律和方法不斷出現(xiàn)，要善于在學(xué)科的框架結(jié)構(gòu)中找到它的位置。

對于物理化學(xué)，我們認(rèn)識到的學(xué)科框架包括：

兩大類研究對象：平衡和速率。

三個層次：宏觀層次，由微觀到宏觀的過渡層次，微觀層次。

兩個方面：普遍規(guī)律和物質(zhì)特性。兩者結(jié)合，可以解決實(shí)際問題。

三種方法：研究物質(zhì)特性，有實(shí)驗(yàn)方法、半經(jīng)驗(yàn)方法和理論方法。從理論上研究物質(zhì)特性，將進(jìn)入下一個更深的層次。

例如生物膜中的促進(jìn)傳遞和耦合傳遞。屬于宏觀層次的速率過程，具體來說是界面中的速率過程。對于普遍規(guī)律，要學(xué)教材中“傳遞過程”的內(nèi)容(當(dāng)然還有些特殊的地方)。為得到某一個生物膜的傳遞特性，要采用實(shí)驗(yàn)測定，或半經(jīng)驗(yàn)方法。而要從理論上得到這種特性，必須應(yīng)用統(tǒng)計力學(xué)。

又如耗散顆粒動態(tài)學(xué)DPD，它是一種介觀層次的模擬，實(shí)質(zhì)上它就是分子動態(tài)學(xué)模擬MD，屬于從微觀到宏觀的過渡層次的普遍規(guī)律范疇。特殊之處是應(yīng)用了粗?；敫偷慕橛^層次，相應(yīng)還采用了耗散力和隨機(jī)力。

第二要強(qiáng)調(diào)開放。框架是開放的，可以不斷更新和充實(shí)。內(nèi)容是開放的，可以經(jīng)常介紹新的進(jìn)展。

對于如此豐富的介觀層次，上述框架的精神依舊。微觀和宏觀之間，可以加入各種由低到高的介觀層次之間的過渡層次。研究某一介觀層次的特性，仍然有實(shí)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)、理論這三種方法。理論方法主要采用平衡態(tài)和非平衡態(tài)的統(tǒng)計力學(xué)，相應(yīng)進(jìn)入了下一個層次，即從更低的介觀層次到該介觀層次的過渡層次。

第三要善用類比。類比永遠(yuǎn)不會完美，卻幾乎常常有用。物理學(xué)是一個由于類比而興旺的領(lǐng)域，例如，基于借自超導(dǎo)的概念，我們可以至少部分理解超流的氦。物理化學(xué)中類比于由理想氣體到實(shí)際氣體，在研究混合物時，我們由理想混合物到實(shí)際混合物。

上面提到的耦合傳遞，可以和耦合反應(yīng)進(jìn)行類比。又如密度泛函理論DFT，則是以密度分布p(r)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的位能函數(shù)ε(r)為基本變量構(gòu)筑泛函。變分原理則等價于最概然分布原理或熵最大原理。

當(dāng)前的薄弱環(huán)節(jié)是：從微觀到宏觀的過渡層次；傳遞速率；進(jìn)展。

要加強(qiáng)教學(xué)資源建設(shè)，包括教材、系列參考書、電子教材、網(wǎng)站建設(shè)等。

四、教學(xué)方法

篇9

一門科學(xué)的內(nèi)涵和定義至少有四個屬性：

整體和局部性科學(xué)是一個復(fù)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(xué)、技術(shù)科學(xué)和社會科學(xué)三大塊。在自然科學(xué)中，又有許多切法。一種傳統(tǒng)的切法是分為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、地理學(xué)等一級學(xué)科。近年來又有切成物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、生態(tài)環(huán)境科學(xué)、納米科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等的分類方法?；瘜W(xué)是從科學(xué)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(lián)系。這是它的第一個屬性。

學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)和交叉如果把科學(xué)整體看成一條大河，那么按照各門科學(xué)研究的對象由簡單到復(fù)雜，可以分為上游、中游和下游。數(shù)學(xué)、物理學(xué)是上游科學(xué)，化學(xué)是中游科學(xué)，生命科學(xué)、社會科學(xué)等是下游科學(xué)。上游科學(xué)研究的對象比較簡單，但研究的深度很大。下游科學(xué)的研究對象比較復(fù)雜，除了用本門科學(xué)的方法以外，如果借用上游科學(xué)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(xué)之花，可以接下游科學(xué)之木”。具有上游科學(xué)的深厚基礎(chǔ)的科學(xué)家，如果把上游科學(xué)的花，移植到下游科學(xué)，往往能取得突破性的成就。例如1994年諾貝爾經(jīng)濟(jì)獎授予納什，他在1950年得數(shù)學(xué)博士學(xué)位，1951－1958年任美國麻省理工學(xué)院數(shù)學(xué)講師、副教授，后轉(zhuǎn)而研究經(jīng)濟(jì)學(xué)，把數(shù)學(xué)中概率論之花，移到經(jīng)濟(jì)學(xué)中來，提出預(yù)測經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢的博弈論，因而獲得諾貝爾經(jīng)濟(jì)獎。

發(fā)展性化學(xué)的內(nèi)涵隨時代前進(jìn)而改變。在19世紀(jì)，恩格斯認(rèn)為化學(xué)是原子的科學(xué)（參見《自然辯證法》），因?yàn)榛瘜W(xué)是研究化學(xué)變化，即改變原子的組合和排布，而原子本身不變的科學(xué)。到了20世紀(jì)，人們認(rèn)為化學(xué)是研究分子的科學(xué)，因?yàn)樵谶@100年中，在《美國化學(xué)文摘》上登錄的天然和人工合成的分子和化合物的數(shù)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(xué)能像化學(xué)那樣制造出如此眾多的新分子、新物質(zhì)?，F(xiàn)在世紀(jì)之交，我們大家深深感受到化學(xué)的研究對象和研究內(nèi)容大大擴(kuò)充了，研究方法大大深化和延伸了，所以21世紀(jì)的化學(xué)是研究泛分子的科學(xué)。

定義的多維性一門科學(xué)的定義，按照從簡單到詳細(xì)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(nèi)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(xué)的全息定義還要說明它的發(fā)展趨勢、與其他科學(xué)的交叉、世紀(jì)難題和突破口等等。這樣才能對這門科學(xué)有全面的了解。下面以化學(xué)為例加以說明。

化學(xué)的一維定義

21世紀(jì)的化學(xué)是研究泛分子的科學(xué)。泛分子的名詞是仿照泛太平洋會議等提出的。泛分子是泛指21世紀(jì)化學(xué)的研究對象。它可以分為以下十個層次：（1）原子層次，（2）分子片層次，（3）結(jié)構(gòu)單元層次，（4）分子層次，（5）超分子層次，（6）高分子層次，（7）生物分子和活分子層次，（8）納米分子和納米聚集體層次，（9）原子和分子的宏觀聚集體層次，（10）復(fù)雜分子體系及其組裝體的層次。

化學(xué)的二維定義化學(xué)是研究X對象的Y內(nèi)容的科學(xué)。具體地說，就是：化學(xué)是研究原子、分子片、結(jié)構(gòu)單元、分子、高分子、原子分子團(tuán)簇、原子分子的激發(fā)態(tài)、過渡態(tài)、吸附態(tài)、超分子、生物大分子、分子和原子的各種不同維數(shù)、不同尺度和不同復(fù)雜程度的聚集態(tài)和組裝態(tài)，直到分子材料、分子器件和分子機(jī)器的合成和反應(yīng)，制備、剪裁和組裝，分離和分析，結(jié)構(gòu)和構(gòu)象，粒度和形貌，物理和化學(xué)性能，生理和生物活性及其輸運(yùn)和調(diào)控的作用機(jī)制，以及上述各方面的規(guī)律，相互關(guān)系和應(yīng)用的自然科學(xué)。

化學(xué)的三維定義化學(xué)是用Z方法研究X對象的Y內(nèi)容的科學(xué)?；瘜W(xué)的研究方法和它的研究對象及研究內(nèi)容一樣，也是隨時代的前進(jìn)而發(fā)展的。在19世紀(jì)，化學(xué)主要是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，它的研究方法主要是實(shí)驗(yàn)方法。到了20世紀(jì)下半葉，隨著量子化學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用，化學(xué)不再是純粹的實(shí)驗(yàn)科學(xué)了，它的研究方法有實(shí)驗(yàn)和理論。現(xiàn)在21世紀(jì)又將增加第三種方法，即模型和計算機(jī)虛擬的方法?；瘜W(xué)的四維定義化學(xué)是用Z方法研究X對象的Y內(nèi)容以達(dá)到W目的的科學(xué)?；瘜W(xué)的目的和其他科學(xué)技術(shù)一樣是認(rèn)識世界和改造世界，但現(xiàn)在應(yīng)該增加一個“保護(hù)世界”。化學(xué)和化學(xué)工業(yè)在保護(hù)世界而不是破壞地球這一偉大任務(wù)中要發(fā)揮特別重要的作用。造成污染的傳統(tǒng)化學(xué)向綠色化學(xué)的轉(zhuǎn)變是必然的趨勢。21世紀(jì)的化工企業(yè)的信條是五個“為了”和五個“關(guān)心”：為了社會而關(guān)心環(huán)保；為了職工而關(guān)心安全、健康和福利；為了顧客而關(guān)心質(zhì)量、聲譽(yù)和商標(biāo)；為了發(fā)展而關(guān)心創(chuàng)新；為了股東而關(guān)心效益。

化學(xué)的多維定義———21世紀(jì)化學(xué)研究的五大趨勢

1、更加重視國家目標(biāo)，更加重視不同學(xué)科之間的交叉和融合在世紀(jì)之交，中國和世界各國政府都更加重視國家目標(biāo)，在加強(qiáng)基礎(chǔ)研究的同時，要求化學(xué)更多地來改造世界，更多地滲透到與下述十個科學(xué)郡的交叉和融合：1數(shù)理科學(xué)，2生命科學(xué)，3材料科學(xué)，4能源科學(xué)，5地球和生態(tài)環(huán)境科學(xué)，6信息科學(xué)，7納米科學(xué)技術(shù)，8工程技術(shù)科學(xué)，9系統(tǒng)科學(xué)，10哲學(xué)和社會科學(xué)。這是化學(xué)發(fā)展成為研究泛分子的大化學(xué)的根本原因。所以培養(yǎng)21世紀(jì)的化學(xué)家要有寬廣的知識面，多學(xué)科的基礎(chǔ)。

2、理論和實(shí)驗(yàn)更加密切結(jié)合

1998年，諾貝爾化學(xué)獎授予W．Kohn和J．A．Plple。頒獎公告說：“量子化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為廣大化學(xué)家所使用的工具，將化學(xué)帶入一個新時代，在這個新時代里實(shí)驗(yàn)和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì)?；瘜W(xué)不再是純粹的實(shí)驗(yàn)科學(xué)了?！彼栽?1世紀(jì)，理論和計算方法的應(yīng)用將大大加強(qiáng)，理論和實(shí)驗(yàn)更加密切結(jié)合。

3、在研究方法和手段上，更加重視尺度效應(yīng)

20世紀(jì)的化學(xué)已重視宏觀和微觀的結(jié)合，21世紀(jì)將更加重視介乎兩者之間的納米尺度，并注意到從小的原子、分子組裝成大的納米分子，以至微型分子機(jī)器。

4、合成化學(xué)的新方法層出不窮合成化學(xué)始終是化學(xué)的根本任務(wù)，21世紀(jì)的合成化學(xué)將從化合物的經(jīng)典合成方法擴(kuò)展到包含組裝等在內(nèi)的廣義合成，目的在于得到能實(shí)際應(yīng)用的分子器件和組裝體。合成方法的十化：芯片化，組合化，模板化，定向化，設(shè)計化，基因工程化，自組裝化，手性化，原子經(jīng)濟(jì)化，綠色化。化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的微型化和超微型化：節(jié)能、節(jié)材料、節(jié)時間、減少污染。從單個化合物的合成、分離、分析及性能測試的手工操作方法，發(fā)展到成千上萬個化合物的同時合成，在未分離的條件下，進(jìn)行性能測試，從而篩選出我們需要的化合物（例如藥物）的組合化學(xué)方法。

5、分析化學(xué)已發(fā)展成為分析科學(xué)分析化學(xué)已吸收了大量物理方法、生物學(xué)方法、電子學(xué)和信息科學(xué)的方法，發(fā)展成為分析科學(xué)，應(yīng)用范圍也大大拓寬了。分析方法的十化：微型化芯片化、仿生化、在線化、實(shí)時化、原位化、在體化、智能化信息化、高靈敏化、高選擇性化、單原子化和單分子化。單分子光譜、單分子檢測，搬運(yùn)和調(diào)控的技術(shù)受到重視。分離和分析方法的連用，合成和分離方法的連用，合成、分離和分析方法的三連用。

篇10

關(guān)鍵詞：氫分子（H2）；能量―核間距曲線；結(jié)構(gòu)化學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章號：1674-9324（2017）10-0217-04

一、前言

結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)（理科）專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，主要講解原子的電子結(jié)構(gòu)、分子的電子結(jié)構(gòu)和幾何構(gòu)型以及晶體（包括離子晶體、分子晶體、原子晶體以及金屬晶體）的微觀幾何構(gòu)型和物理性質(zhì)。結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論基礎(chǔ)是量子化學(xué)。大多數(shù)的結(jié)構(gòu)化學(xué)教材（比如北京大學(xué)周公度、段連運(yùn)教授編著的《結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)（第3、4版）》[1]、廈門大學(xué)化學(xué)系物構(gòu)組編寫的《結(jié)構(gòu)化學(xué)》[2]等）對于氫分子離子的能量核間距曲線都有涉及或詳細(xì)講解，學(xué)生可以很直觀地明白為什么氫分子離子的能量是與核間距相關(guān)的。另一方面，可能由于處理比較復(fù)雜的原因，大多數(shù)教材對于氫分子能量與核間距的關(guān)系都涉及很少或者沒有進(jìn)行詳細(xì)講解。學(xué)生只是知道二者之間是有關(guān)系的，但是并不十分清楚二者之間是怎樣的關(guān)系，怎樣根據(jù)已有的數(shù)據(jù)繪制出氫分子的能量核間距曲線。本文旨在詳細(xì)闡述這一問題。

二、氫分子能量核間距曲線的詳細(xì)繪制步驟

本文以有關(guān)教材中給出的氫分子能量表達(dá)式為出發(fā)點(diǎn)，首先參考有關(guān)文獻(xiàn)給出氫分子能量E與核間距R之間的函數(shù)關(guān)系式，然后以此函數(shù)關(guān)系式為基礎(chǔ)計算出E與R之間的數(shù)值關(guān)系，最后繪制出E-R關(guān)系曲線。

（一）氫分子能量E與核間距R之間的函數(shù)關(guān)系式

參見《結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)》教材[1]第90頁，當(dāng)用價鍵法和線性變分法處理氫分子時，描述氫分子中電子運(yùn)動狀態(tài)的兩個波函數(shù)及其對應(yīng)的能量為：

ψ■=■（ψ■+ψ■）=■[ψ■（1）ψ■（2）+ψ■（1）ψ■（2）]

E■=■=2E■+■

ψ■=■（ψ■-ψ■）=■[ψ■（1）ψ■（2）-ψ■（1）ψ■（2）]

E■=■=2E■+■

這里ψ■、ψ■均為氫原子基態(tài)波函數(shù)，均已經(jīng)歸一化，均是實(shí)數(shù)；E■為基態(tài)氫原子的能量，S為交換積分，Q稱為庫倫積分，A稱為交換積分：

S=∫ψ■■1ψ■1dτ■=∫ψ■■2ψ■2dτ■

Q=∫∫ψ■■1ψ■■2■'ψ■1ψ■2dτ■dτ■

A=∫∫ψ■■1ψ■■2■'ψ■2ψ■1dτ■dτ■

參考Slater教授編著的《Quantum Theory of Molecules and Solids： Electronic structure of molecules》書[3]中第50―51頁，經(jīng)過一定的推導(dǎo)，可以得到：

Q=■+■J+■J+■J'=J+■J'+■

A=■+■SK+■SK+■K'=KS+■+■

其中：

J=-■+2+■×e■

J'=■-■+■+■+■×e■

K=-2+2R×e■

S=1+R+■×e■

S'=1-R+■×e■

-Ei（-x）=■■dt

K'=■×

-e■×-■+■R+3R■+■？搖+■×S2×0.57722+lnR？搖+S'2×Ei-4R？搖-2×S×S'×Ei-2R？搖？搖

（二）能量―核間距（E-R）之間的數(shù)值關(guān)系

在上面K'的表達(dá)式里面含有指數(shù)積分函數(shù)Ei（-4R）和Ei（-2R）。它雖然也是核間距R的函數(shù)，但并沒有解析形式，只有數(shù)值形式，因此無法得到E-R的解析表達(dá)式，只能得到分散的數(shù)值解形式。本文在計算的時候，核間距R的取值區(qū)間范圍為0.1―4.0a.u.，取值間隔（步長）為0.1a.u.，因此共計40個點(diǎn)。本文主要采用Origin7.5對有關(guān)的數(shù)值進(jìn)行計算和處理。

1.S值的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

col（S）=（1+col（R）+col（R）^2/3）*exp（-col（R））

這里，“col（S）”表示S的數(shù)值，“col（R）”表示核間距R的數(shù)值。

2.J值的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

col（J）=-2/Col（R）+（2+2/Col（R））*exp（-2*Col（R））

這里，“col（J）”表示J的數(shù)值，“col（R）”表示核間距R的數(shù)值。

3.K值的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

col（K）=-（2+2*col（R））*exp（-col（R））

這里，“col（K）”表示K的數(shù)值，“col（R）”表示核間距R的數(shù)值。

4.S'值的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

col（S'）=（1-col（R）+col（R）^2/3）*exp（col（R））

這里，“col（S'）”表示S'的數(shù)值，“col（R）”表示核間距R的數(shù)值。

5.J'值的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

col（J'）=2/col（R）-（2/col（R）+11/4+3*col（R）/2+col（R）^2/3）*exp（-2*col（R））

這里，“col（J'）”表示J'的數(shù)值，“col（R）”表示核間距R的數(shù)值。

6.K'值的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

col（K'）=2/5*（-exp（-2*col（R））*（-25/8+23/4*col（R）+3*col（R）^2+col（R）^3/3）+6/col（R）*（col（S）^2*（0.57722+ln（col（R）））+col（S'）^2*col（Ei4R）-2*col（S）*col（S'）*col（Ei2R）））

這里，“col（K'）”表示K'的數(shù)值，“col（R）”表示核間距R的數(shù)值，“col（S）”表示S的數(shù)值，“col（S'）”表示S'的數(shù)值。另外，還有“col（Ei4R）”和“col（Ei2R）”的數(shù)值未知，它們分別表示指數(shù)積分函數(shù)“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的數(shù)值。

7.“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的數(shù)值。

根據(jù)上面指數(shù)積分函數(shù)的定義，可以得到：

Ei（-4R）=-■■dt Ei（-2R）=-■■dt

上述兩個指數(shù)積分可以從Miller和Hurst撰寫的“Simplified Calculation of the Exponential Integral”（指數(shù)積分的簡便計算）論文[4]的表格中查找。比如，當(dāng)R=

0.1a.u.時，-2R=-0.2a.u.，-4R=-0.4a.u.。⒓該論文189頁的表格，最左邊x=0.2時，最右邊“-Ei（-x）=

0.122265×101=1.22265”，因此“Ei（-0.2）=-1.22265”；最左邊x=0.4時，最右邊“-Ei（-x）=0.70238×100=

0.70238”，因此“Ei（-0.4）=-0.70238”。類似的，我們可以查到當(dāng)R取其他數(shù)值時“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的數(shù)值。需要說明的是，這種查表方法僅僅是求“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”數(shù)值的一種可行方法，還有許多其他方法（比如可以使用MatLab軟件中的指數(shù)積分函數(shù)，x取任意正實(shí)數(shù)都可以得到相應(yīng)的“Ei（-x）”）。

8.數(shù)值列表。

知道了R、J、J'的數(shù)值，就可以求得Q的數(shù)值；知道了R、S、K、K'的數(shù)值，就可以求得A的數(shù)值；而知道了S、Q、A的數(shù)值，就可以求得E的數(shù)值。表1中給出了不同R值時，S、J、K、S'、J'、Ei（-4R）、Ei（-2R）、K'、Q、A以及E+、E-對應(yīng)的數(shù)值。這些物理量的單位均為原子單位。

（三）能量―核間距（E-R）曲線的計算機(jī)繪制

根據(jù)表1中的E+-R和E--R數(shù)據(jù)，可以繪制E-R曲線，如下圖所示。圖中能量和核間距的單位均為原子單位。對于能量，1a.u.=27.2eV=627.51kcal/mol=2625kJ/mol；對于核間距（長度），1a.u.=0.529■=0.0529nm。

三、結(jié)論

本文以有關(guān)教材中給出的氫分子能量表達(dá)式為出發(fā)點(diǎn)，首先參考有關(guān)文獻(xiàn)給出氫分子能量E與核間距R之間的函數(shù)關(guān)系式，然后以此函數(shù)關(guān)系式為基礎(chǔ)計算出E與R之間的數(shù)值關(guān)系，最后繪制出E與R之間的關(guān)系曲線。這種詳細(xì)處理對于學(xué)生深刻理解量子力學(xué)處理化學(xué)問題的思路和方法，對于學(xué)生深刻理解分子構(gòu)型（核間距）對分子能量的影響，對于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的興趣，都有著非常積極的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]周公度，段連運(yùn).結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京大學(xué)出版社，2003.

[2]林夢海，林銀鐘.結(jié)構(gòu)化學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.