導語：如何才能寫好一篇量子化學基礎，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務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

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

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

二、在能源研究中的應用

（一）在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發展和量子化學計算方法以及計算技術的進步，量子化學方法對于深入探索煤的結構和反應性之間的關系成為可能。

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優點，被人們稱之為“最有前途的化學電源”，被廣泛應用于便攜式電器等小型設備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領域發展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li+離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago等[8]用半經驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。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，預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種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，對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究，研究表明，鋰優先插入到石墨層間反應，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構的進一步認識和計算機水平的更高發展，相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領域會更廣泛、更深入、更具指導性。

三、在生物大分子體系研究中的應用

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

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，量子化學發揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便。可以預言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領域發揮更加重要的作用。

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篇2

關鍵詞：基因 基因概念 歷史淵源

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

遺傳學是研究生物起源，基因和基因組結構、功能及其演變規律的學科，而基因的研究對促進遺傳學發展具有重要意義。自20世紀開始以來，基因的發展經歷了理論水平、細胞水平的遺傳學階段和分子水平上的遺傳學階段，在前人大量實驗的基礎上，人們對基因的認識不斷深入，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，人們對基因的認識又有了新的變化，并將遺傳學中基因的概念和理論應用到了計算機、商業和信息技術等領域。

如今的21世紀，隨著學科交叉研究的發展，一些科學研究者開始利用物理化學工具來研究核酸結構，從分子水平上闡述遺傳現象背后的化學本質。本文結合大量文獻綜述了基因的發展歷程以及現階段物理化學方法在遺傳學研究中的應用，并展望了量子化學理論在遺傳學領域的應用前景。

1 基因概念的歷史淵源

19世紀，由于農業生產發展的需要，人們開始重視動植物的遺傳變異現象并對這些現象進行了系統研究，這為基因概念的產生創造了條件。1868年，Darwin C.受Hippocrates和Anaxagoras的生源說影響提出了泛生論的假說，認為生物體的細胞能產生自我繁殖的微粒，這些微?？梢詤R聚于生殖細胞并決定后代的遺傳性狀，這種觀點缺乏實驗論證，不過它充分肯定了生物體內部存在特殊的物質負責遺傳性狀的傳遞。之后，Weismann A.又在前人基礎上提出了種質論（Germpiasm），認為種質是生物體的遺傳物質，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[1]。

2 基因的研究發展

2.1 基因概念的提出

在前人的遺傳學理論研究基礎上，Mendel G.J.第一個對遺傳現象做了系統的實驗研究。通過豌豆雜交實驗，他認為生物性狀是由“遺傳因子”來控制的，這些遺傳現象符合分離定律和自由組合定律。之后，Devries H、Correns C.和Tschermak E.分別證實了孟德爾的實驗結果，到1909年，丹麥的Johannsen W.L.首次用“基因”一詞表示遺傳因子。不過，當時的遺傳因子沒有涉及到基因的具體物質概念，只是一個經過統計學分析的理論概念。

2.2 基因學說的創立

Mendel的遺傳因子學說是宏觀水平上的發現，其所提出的遺傳因子到底是否存在于細胞中需要進行細胞水平上的研究。隨著當時工業生產的發展，用以研究生物學實驗的儀器設備有了極大的改進。20世紀初，Boveri T.[2]和Sutton W.S.[3]各自在研究減數分裂時，發現遺傳因子的行為與染色體行為呈平行關系，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，進行了一系列雜交實驗，發現了伴性遺傳現象和基因連鎖互換定律，直接證實了基因在染色體上，建立了染色體遺傳理論。1926年，Morgan T.H.正式提出了基因學說，即“三位一體”的基因概念，基因首先是決定性狀的功能單位，能控制蛋白質的表達，決定一定的表型效應；其次是一個突變單位，可以發生在等位基因之間，表現出變異類型；最后它是一個重組單位，只發生在基因之間，可以產生與親本不同的基因型[5]。這把染色體和基因聯系了起來，說明了基因具有物質性，不過，Morgan在其著作中并沒有涉及基因的本質是什么以及基因的功能是如何發揮等問題。

2.3 基因化學本質的研究

對于基因的化學本質和功能等問題，早在1909年，英國Garrod A.E.就提出過基因產生酶的觀點。之后，1941年斯坦福大學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本質，只是解釋了基因發揮功能的途徑。到1944，Avery等通過肺炎雙球菌轉化實驗證明了遺傳物質的化學本質是DNA，然后，1956年，美國的Fraenkel又通過煙草花葉病毒實驗證明了RNA也可以作為遺傳物質進行傳遞[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的雙螺旋結構，人們開始從分子水平上認識基因的本質，即基因是DNA分子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列，是遺傳物質的最小功能單位[9]，從此以后，人們對基因功能的認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實驗提出了順反子學說，認為基因就是順反子，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中構成的一個或若干個核苷酸，由于基因內的各個突變子之間有一定距離，所以突變子彼此之間能發生重組，重組頻率與突變子之間的距離成正比[11]。

20世紀60年代之前，人們已經認識到基因是有著精細結構的DNA分子，其結構可以繼續分割，不過，當時對于基因功能表達及其具體作用等問題的研究依然局限于傳統的“一個基因一個酶”的學說。1961年，法國遺傳學家Jacob F.和Monod J.L.[12]根據對大腸桿菌的試驗，提出了大腸桿菌操縱子模型，認為DNA的不同區域存在一個調節基因和一個操縱子，操縱子模型包括若干結構基因、操縱基因和啟動基因。這一模型進一步說明了基因是可分的，通過基因間的密切協作，細胞才能表現出獨特的功能[13]。此后，隨著DNA重組技術和DNA測序技術的發展，人們對基因的研究更加深入，發現了許多基因的其他功能和特點，極大地完善了人們對生物體各種遺傳現象的認識。

2.5 基因概念的新發展

20世紀70年代以后，隨著分子生物學技術的飛速發展，人們對基因的結構和功能上的特征有了更多的認識，其中比較重要的發現有假基因、重疊基因、跳躍基因、斷裂基因、反轉錄基因、印記基因等。結合基因的這些新發現，現今人們認識基因有以下幾種特點[5]：（1）基因不都是離散的，因為有重疊基因；（2）基因不一定是連續的，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）基因不是全能的結構單位，有很多順式作用元件影響轉錄或剪接；（5）基因也不是簡單的功能單位，因為基因可以通過順式或反式剪接，產生多種蛋白質。那么，到底應該怎樣給一個基因準確定義呢？近年來，有很多人對此提出了看法。

Gerstein等[14]提出，基因的定義應該和原來的定義有兼容，建立在已有的生物術語基礎之上。他們認為，基因是基因組序列的聯合體，這些序列可以編碼具有潛在重疊功能的產品（蛋白質或RNA），基因與其調節序列是多對多關系。在此基礎上，Pesole[15]則認為基因是一個離散的基因組區域，其轉錄可以被一個或多個啟動子和遠端調節成分調控，并含有合成功能蛋白質或非編碼RNA的信息。基因在最終功能產物上有共同性質，這個定義主要針對真核生物基因組，強調每個基因都分布于基因組的連續區域，基因序列包含5′UTR和3′UTR。此外，還有學者從計算機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，而基因就是其中的一個子程序?？傊S著當今科技水平的發展，人們通過對DNA、RNA和蛋白質新功能的研究，發現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象可以改變的。

如阮病毒的發現，朊病毒是一種只有蛋白質而沒有核酸的病毒，就之前生物學家對基因的概念而言，朊病毒的復制并非以核酸為模板，而是以蛋白質為模板，這又重現了20世紀遺傳物質本質問題的爭議，是現階段基因概念的新挑戰。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，一些研究發現，RNA不是被動的將基因信息傳遞下去，而是主動地調控細胞的活動，有的RNA鏈不是傳統認為的只由DNA的一條鏈轉錄，而是由兩條鏈轉錄得來，還有一些RNA可以通過某種途徑使正?；虺聊诒匾獣r還會作為模板糾正某些異?；颍缡来財y帶生物體遺傳信息[16]。這些研究發現加深了我們對RNA的認識，深化了我們對生物體遺傳現象的了解。又20世紀90年代，美籍華人牛滿江教授又發現了“外基因”，即一些生物體細胞質中mtRNA能激活一些特定基因，使生物體表達特定的蛋白質，還有，2008年《自然》雜志上報告，美國科學家確認了一種可導致乳腺癌轉移的超級基因，這種基因可控制腫瘤細胞中其他基因的表達，它的表達與癌癥發生有密切的聯系[17]。

總之，隨著科學的不斷發展，人們對于生物遺傳現象的認識越來越深入，基因的概念也隨著生物學的發展不斷變化和完善。由于其他非生命領域的研究對象顯示出了生命力及與生物基因相似的特征，現今，經濟領域和計算機領域中又出現了企業基因[18]、產品基因[19]、數據基因[20]等新的定義，基因概念的基本理論已經發展到更多學科中了，對基因本質和特征的研究越來越有必要。

3 量子化學作為研究核酸方法的應用

當前，遺傳學的研究已經發展到了分子水平，然而對于生物遺傳現象中一些酶、核酸、激素等活性物質的構象、生物活性和其具體作用機制依然存在爭議。生物系統研究的最大難題是生物分子的復雜性，常規的實驗方法只能得到實驗現象的宏觀方面解釋，而不能從微觀方面對實驗現象的化學本質做出解釋。目前有一些研究者將物理化學方法應用到了生命科學領域，建立了從理論分析到實驗優化的方法模式，他們根據實際體系在計算機上進行實驗，通過比較模擬結果和實驗數據檢驗理論模型的準確性，并在此基礎上模擬生物大分子的結構、性質和反應過程。

隨著計算機技術和物理化學理論的發展，以及X射線、NMR等技術的應用，人們可以利用一些物理化學工具在計算機上進行分子模擬，以此來模擬DNA、RNA和蛋白質的結構，預測蛋白質與核酸的功能和性質。而且，隨著計算方法的改進，高度變化的核酸體系的精確分子模擬已成為可能，依賴強大的計算機就能模擬一些更復雜的反應，如DNA、RNA和蛋白質的催化及折疊等[21]。

其中應用比較廣泛的物理化學工具就是量子化學方法，量子化學方法是應用量子化學基本原理和方法來研究化學體系的結構和化學反應性能的科學，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）、半經驗方法（semi-empirical method）、密度泛函方法（Density Functional Theory）[22]。量子化學的原理和方法在物理化學、藥學計算和生命科學領域有廣泛的應用，可以很好地分析分子間相互作用的機理，解釋實驗中一些宏觀現象的物理化學本質。如李梅杰[23]利用量子化學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和損傷機理，很好地解釋了生命過程中由于自由基和電子轉移導致DNA的斷鏈損傷而引起的衰老、癌癥、神經紊亂等疾病的發生。又如2002年，Starikov E.B.[24]總結了核酸中量子化學方法的應用，闡述了核酸中電荷轉移過程的量子化學描述及其化學機理，并詳細地討論了不同量子化學方法在研究核酸電子構型中的優缺點。此外，于芳[25]運用量子化學工具對胞嘧啶與丙烯酰胺組成的分子體系進行了計算，以此來模擬核酸與蛋白質相互作用的反應過程，分析了DNA與蛋白質的作用形式。

對于利用量子化學方法研究蛋白質的應用，國外在這方面做得比較深入。如紐約州立大學石溪分校Simmerling C.等[26]應用量子化學方法研究了一種小分子量蛋白質，僅有20個色氨酸構成，準確地預測了蛋白質三維結構的折疊過程。又如Berriz和Shakhnovich[27]模擬了小的三螺旋束蛋白的折疊，Daggett和Fersht[28]模擬了小的單結構域蛋白的動力學折疊.還有Akira Shoji等[29]采用密度泛函理論方法優化了右手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形成的機制，獲得優化的αR-螺旋H-Ala18-OH構型外側的1H、13C、15N、17O原子的化學位移與用高分辨率固相NMR檢測的相同。

4 展望

近年來，國內外量子化學在分子生物學中的應用日趨廣泛，如利用量子化學方法研究納米微粒促進靶向給藥、純化核酸以及處理廢氣等技術的發展；應用量子化學方法優化生物活性分子結構，研發新型抗疾病藥物；采用分子模擬的量子化學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理等等，很大程度上促進了分子生物學和醫學的發展。從目前所作的科學研究看，量子化學完全可以作為遺傳學工具來研究生物體遺傳現象背后的化學本質，其在遺傳學的研究中有廣闊的應用前景。

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篇3

關鍵詞：惰性原子；氫化硅；勢能面；散射面

原子與分子碰撞實驗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、風洞流擴張的快速壓縮過程中出現的弛豫現象、氣相反應和輸運性質、氣體激光、轉動激發的共振熒光過程等科技領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Gaussian程序包，采用高水平的量子化學從頭計算包括單、雙取代并加入三重激發貢獻的二次組態相互作用方法，單、雙取代包括非迭代三激發的耦合簇方法和大基組加鍵函數，并經基組重疊誤差校正，計算原子與雙原子分子在Jacobi質心坐標下的相互作用勢V（R，r，θ）。其次用逆變換方法得到相互作用勢的徑向系數Vλ（R，r），并經非線性擬合構造相互作用勢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動狀態，相互作用勢不變，即

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

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

經過編程計算，可以得出一些非常好的結論[5]，但由于有些數據沒有實驗數據的支撐，所以在探討的過程中，只有通過有實驗數據的分子碰撞，用許多理論上講，切實可行的計算方法，不斷去運算，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，得出的結論再引導開展實驗研究的科研工作者，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《關于加強儲糧化學藥劑管理的通知》要求，庫主任親自帶隊，對庫內的儲糧化學藥劑管理工作進行全面、徹底的安全隱患排查，發現問題立行立改，做到了嚴、細、實?，F將排查工作情況報告如下：

一、藥品庫現場安全

藥品庫在庫區西南，離辦公區xx米，離儲糧倉房xx米，外部周圍是農田區。藥品庫上不漏下不潮，地面鋪地板革，高度符合《儲糧化學藥劑管理和使用規范》要求，周圍沒有其它建筑物，消防通道暢通，藥品庫在庫區監控覆蓋范圍內。藥品庫雙門雙鎖，窗戶安裝防盜窗，庫房標識、安全標識、責任人標牌齊全。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。藥品庫室內安裝了防爆燈，配備了自動報警儀、換氣扇等，電源開關設在庫外，庫內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年結轉藥劑數量為零。2017年上半年儲糧化學藥劑采購均經過了公司審批，其中保糧磷在服務網上采購。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月末剩余藥劑數量為零；藥劑驗收、出庫、入庫及報廢手續記錄齊全。

三、藥品庫管理情況

藥品庫嚴格執行藥品庫雙人、雙鎖收發制度，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，手續記錄齊全。

藥品庫安全責任區負責人：，聯系電話：

篇5

關鍵詞：白藜蘆醇；定量構效關系；多元線性回歸

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

白藜蘆醇（Resveratrol）作為天然抗癌藥物，與傳統化學藥物相比，具有來源廣、抗癌廣譜、不良反應小等優點[1-3]。白藜蘆醇通過抑制腫瘤血管生成，可以達到抑制腫瘤細胞增殖，加速其凋亡的效果。白藜蘆醇對多種癌細胞均表現出抑制其生長和促進凋亡的作用[4-6]，但分子機理并不明確。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導通路，達到抑制骨髓瘤、宮頸癌等惡性腫瘤細胞轉移的目的[7]。白藜蘆醇通過減少處在G0到G1期的細胞和阻滯S期的細胞，從而抑制腫瘤細胞的增殖[8]。Stervbo等[9]以HL-60細胞分化系統為試驗模型，證明白藜蘆醇能降低粒細胞和巨噬細胞數量，對人早幼粒白血病細胞分化有促進作用。

目前已報道了許多白藜蘆醇類似物，其抗腫瘤特性甚至強于白藜蘆醇。白藜蘆醇促進腫瘤細胞凋亡是由多方面機制引起的。因此研究白藜蘆醇藥性機理對抗癌新藥的開發有著指導作用，通過利用定量結構-活性關系（Quantitative structure activity relationship， QSAR）研究白藜蘆醇結構與抗癌活性之間的關系，可以優化改性白藜蘆醇結構，發現新的先導化合物結構，這將會指導設計活性優良的新型抗腫瘤藥物分子。本研究基于白藜蘆醇的藥效構象，系統構建了順反異構的14種白藜蘆醇類似物，通過B3LYP/6-31G方法對其進行了量子化學研究，并結合定量構效關系為下一步結構改造提供了依據。

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[10]，其結構見圖1，活性數據以文獻提供的抗大腸腫瘤SW480半數有效劑量IC50表示，單位為μmol/L，在定量構效關系研究中以其負對數pIC50表示活性。

1.2 方法

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

1.2.2 相關分析和回歸分析 為構建白藜蘆醇抗腫瘤活性的定量構效關系，以pIC50作為活性參數，對計算得到的量子化學參數進行線性多元回歸分析。其中IC50是通過體外人體大腸腫瘤SW480細胞篩選測定的。pIC50為IC50的負對數，pIC50值越大表征抗癌活性越強。

2 結果與分析

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，最高占據軌道能量與最低空軌道能量是非常重要的因素。根據分子軌道理論，最高占據軌道HOMO及其附近占據軌道具有給出電子的作用， 易與生物大分子的正電區域相結合，產生電荷轉移作用，形成電荷轉移絡合物，從而表現出抗癌活性。而最低空軌道及其附近的空軌道具有接受電子的作用，其有效部位能優先接受電子與生物大分子的負電區域相結合，并體現出生物活性。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個苯環及苯環間雙鍵上。故與受體作用時該類化合物的苯環與連接苯環的雙鍵可能是影響活性的重要部位。

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

2.2 定量構效關系

3 結論

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

參考文獻：

[1] ADHAMIV M， AFAQ F， AHMAD N. Involvement of the retinoblastom a（prb）-e2f/dp pathway druing antiproliferative effects of resveratrol in human epidermoid carcinoma （a431） cells[J]. Biochem Biophys Res Commun，2001，288：579-585.

[2] GAUTAM S C， XU Y X， DUMAGUIN M， et al. Resveratrol selecticely inhibits leukemia cells： A prospective agent for exvivo bone marrow purging[J]. Bone Marrow Transplant，2000，25：639-645.

[3] SCHNEIDER Y， VINCENT F， DURANTON B， et al. Anti-proliferative effect of resveratrol， A natural component of grapes and wine， on human colonic cancer cells[J]. Cancer Lett，2000， 58：85-91.

[4] 牛培勤，郭傳勇.白藜蘆醇藥理作用的研究進展[J]. 醫藥導報，2006，25（6）：524-525.

[5] 付招娣，曹 玉，王凱風.白藜蘆醇對癌的化學預防作用[J]. 癌癥，2004，23（8）：869-873.

[6] 杜海方，李 寧.白藜蘆醇抗癌機制的研究進展[J]. 國外醫學，2006，33（2）：84-90.

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[8] KIM A L， ZHU Y， ZHU H， et al Resveratrol inhibits proliferation of human epidermoid carcinoma A431 cells by modulating MEK1 and AP-1 signalling pathways[J]. Exp Dermatol， 2006，15（7）：538-546.

篇6

關鍵詞：原子軌道；誤概念；概念轉變

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

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.004

從道爾頓的原子學說到盧瑟福的核型原子模型，人們一步一步地認識原子的內部微觀結構。當原有理論不能解釋氫原子線狀光譜等實驗事實時，出現了量子力學。

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典力學的內容。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，波函數又被稱為“原子軌道”，能量稱為原子軌道能。這正是原子軌道的基礎，表示核外電子的運動狀態，與經典的軌道意義不同，是一種軌道函數。[1]由于高中階段學生并未接觸波函數和薛定諤方程，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域?？捎捎诓栃行悄Ｐ头浅Ｐ蜗蠛唵?，學生常常深刻記憶，阻礙學生理解原子軌道的本質――概率。本文就此研究學生產生有關“原子軌道”誤概念的原因，針對誤概念進行概念轉變。

一、誤概念產生原因分析

1. 受舊量子學說“玻爾理論”干擾

不同水平學生都更喜歡具體、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；八隅體規則等。即使學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或分子軌道。[2]文獻整理發現，學生對玻爾模型尤為記憶深刻。

物理學家玻爾（Niels Bohr，1885-1962），建立氫原子核外電子運動模型，解釋了氫原子光譜，后人稱為“玻爾理論”，主要內容：（1）行星模型；（2）定態假設；（3）量子化條件；（4）躍遷規則。[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“內核”保留下來的。學生們卻恰恰相反，牢固地記住了“外殼”，忽略了“內核”。

（1） “軌道”（orbital）的錯誤認識

學生混用“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域。

Georgios Papaphotis和Georgios Tsaparlis（2008）[4]通過測驗題檢測學生對基礎量子化學的理解程度。其中有一道題為“根據你的猜想，畫出氫原子實際的樣子。”超過三分之二的學生堅持“行星模型”（即使已經學習量子力學概率模型）。圖1為學生的圖畫表征。

學生對“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，將核外電子運行方式比喻成行星圍繞太陽運行，非常形象，不用死記硬背；第二，量子化學用電子云表征“軌道”（orbital），學生頭腦中并沒有類似的“圖式”可以“同化”，造成認知記憶障礙；第三，兩個理論都用“軌道”表述，使學生產生理解偏差。是否可以將現今的“軌道”（orbital）改稱“云層”，以區別于“玻爾軌道”（orbit），一方面體現電子云的表征方式突出本質，另一方面體現了原子軌道（s，p，d.....）能級層次。

（2） “基態”和“激發態”的錯誤理解

學生受玻爾理論中的行星軌道影響，認為“基態”和“激發態”仍在固定的軌道上，忽略了核外電子在核外運行的本質為“概率”問題。

Georgios Papaphotis和Georgios Tsaparlis（2008）測試題“在基態氫原子的1s軌道的空間外有可能發現電子嗎？說明原因。”。這道題目大約20%的人回答正確。大部分認為，在“1s區域”外發現電子，只有可能是被激發了。這些錯誤答案都是基于對軌道的“確定性”認識，認為電子是在一個固定空間中運動。

2. 對原子軌道本質“概率”問題不清楚

學生無法對原子軌道本質“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’來描述物體的運動規律？”。其中“海森堡不確定原理”起關鍵作用。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”描述微觀粒子運動規律。

（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）和相對該物體的運動坐標，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的數量級，即：

Δx?ΔP≥h（4∏）

這個關系式被稱為海森堡不確定關系式。用此公式考察氫原子的基態電子，發現電子在相當于玻爾半徑的約5倍（260/53）的內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”描述微粒粒子的運動規律。

學生不理解“海森堡理論的本質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”。其實不確定性關系適用于所有物質的普遍原理，不確定性是物質的內在本質。對于宏觀物體，看似物體的位置和速度是可以準確確定的，但這只是因為宏觀物體的不確定性相對微小，不易察覺而已。事實上，不確定關系揭示的是一條重要的物理規律：粒子在客觀上不能同時具有確定的坐標位置及相應的動量。[5]“不確定關系式”其實是根據量子力學基本方程推導出來，而非憑空想象。

而為什么是位置和動量之間的關系呢？描述一個物體的運動規律，需要知道物體的位置和速度，但是速度又與質量有密切相關性即動量，不確定關系就是反應微觀粒子運動的基本規律，所以體現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表示電子出現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）中遠離原子核處有稀疏的點，而（b）中這樣點則沒有。你認為是其中一張錯了還是兩張圖都錯了？”

許多學生認為兩張圖的不同是由于軌道本質的不同（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，因為（a）指的是s軌道（圓形）而（b）是p軌道（兩個‘耳垂’）――事實上在p軌道中，靠近原子核處電子密度更大，而遠離原子核時密度就減小了”……

無論什么軌道，遠離核的部分都有可能出現電子，只是出現的概率小、稀疏，并不取決于屬于哪一個軌道。而且學生很容易受“電子云輪廓圖”所誤導，認為電子就是出現在這個范圍之內，而忽略了輪廓圖只表示了95%的電子出現的區域。

二、概念轉變策略

1. 借助實驗儀器

由于“原子軌道”的抽象性和不可視性，研究者研發了一些實驗儀器將軌道可視化。

Charles Leonard Hurwitz[6]采用原子探測器（atomic explorer）學習原子的電子結構的本質。Shane P. Tully[7]等人用Jmol軟件將類氫軌道網絡點彩可視化 （web-based pointillist visualization of hydrogrnic orbitals）。類氫軌道的電子密度點彩圖是根據蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）進行交互作用。蒙特卡洛方法又稱“統計模擬法”，以概率和統計理論為基礎的一種計算機方法。將網絡應用程序和Jmol觀察器相結合，可獲得清晰準確的三維軌道形狀和大小，最多可呈現到軌道主量子數5（如圖3）。

2. 手工活動

Zephen Specht和Duke Raley[8]設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）。學習軌道和相關的電子密度，發現電子圍繞原子核的概率問題。

用一個小彈球扔在白紙上（放在一系列復寫紙上面），用來表示電子密度（如圖4）。根據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寫紙相結合，來表示節點?！霸雍恕本褪前准埖闹行奈恢?。首先學生要學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，適當的折起白紙，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。由于白紙下有復寫紙，當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，學生體會到“為什么軌道有特別的形狀”，而且能夠將軌道表示的字母（s，p，d和f）與它們的光譜發射譜線特征：鋒利（sharp）、主要的（principal）、散開的（diffuse）、基礎的（fundamental），建立聯系。學生最后還要完成一個工作單，將二維圖像轉換為三維圖像，加強了對電子軌道構型的理解。

3. 小組合作學習

Georgios Tsaparlis和Georgios Papaphptis（2009）[9]采用小組形式在教師的觀察指導下完成特定學習任務。小組有3-4個成員，其中至少有一個學生持有正確觀點。例如，當學生討論“氫原子的原子軌道表征方式”的時候，有一組學生原本的觀點如圖5（學生A畫的是d圖，學生B畫的是b圖，然而學生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，就是發現電子的可能范圍。

T：A，你是怎么認為的呢？

A：我已經把氫原子的原子中心放上一個質子，這些點隨著遠離原子核變得更加稀少，實際上我已經畫出了可能性，就是可能發現電子的位置。

T：我們已經看到了所有的圖畫，哪些能體現問題中所提到的真實性？

B：A能夠體現，因為有原子核存在，也能體現在1s中發現電子的可能性，甚至從原子核到無窮遠的地方也不會是0。

T：C你是如何認為的？

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。

從對話中發現，教師能夠針對學生理解的“關鍵處”進行指導。觀察多組討論發現，大部分學生可以接受電子云是電子在瞬間出現的不同可能點的位置，但不能接受用這樣的一張圖表征氫原子內部“看到”的樣子。所以學生不能夠用靜態圖表示，結果又回到了行星模型。此時教師用一個類比的方法幫助學生理解，用一個自行車快速旋轉，輻條所呈現的樣子幫助學生理解電子云圖可以表示氫原子的動態時的樣子。這樣的討論可以激發學生最真實的想法，從本質上進行概念轉變。

三、小結

總結以上三種概念轉變策略，小組合作學習能夠從本質上解決對“玻爾理論”的根深蒂固理解，在對話中引發認知沖突并建立正確概念，但這種方法所需時間較多。實驗儀器能夠將微觀結構表現得淋漓盡致，給予視覺沖擊的同時理解原子的微觀結構。但考慮各學校的條件不同，這種方法的局限性也暴露無遺。手工活動能夠讓學生親身體驗軌道的形成過程，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”。每種方法各有優缺點，只要教師恰當使用，概念轉變就不是問題。

參考文獻

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[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，華中師范大學，南京師范大學無機化學教研室編.無機化學上冊（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

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[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）的計算模擬技術快速發展，研究內容幾乎涵蓋了各個學科。本書通過梳理GPU技術的發展歷史，突出了GPU的技術優勢，并重點介紹了圖形處理器在電子結構計算方面的應用及進展。

全書分為兩個部分。第一部分 主要是計算科學的發展歷史和常用的電子結構計算方法，包含第1-3章：1.介紹并行計算的歷史背景和GPU技術的出現，突出GPU相對于CPU在海量數據處理方面的優勢；2.介紹目前最流行的CUDA通用并行計算架構，并分析了GPU技術對硬件和軟件的要求；3.總覽電子結構計算方法，包括哈特利-福克方法、密度泛函理論、半經驗理論等，并分析了不同的基組函數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和不同計算方法的細致分析，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碚摰挠嬎悖M行了烯烴和水分子相互作用計算的實例，其主要應用于原子與分子的尺度；5.結合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模并行混合架構密度泛函理論計算；7.基于平面波的密度泛函理論電子結構計算方法，并對幾何結構弛豫、能帶結構與電子密度計算進行了分析。相比于CPU，GPU的計算速度更快，同時也對計算軟件的優化提出了更高的要求；8.GPU對線性標度算法中的稀疏矩陣乘法的加速；9.基于格點的投影綴加波方法，GPU在提升該方法計算速度方面還有很大的空間；10.GPU在實空間密度泛函和含時密度泛函理論方面的應用；11.GPU對半經驗的量子化學計算方法的優化；12.GPU對MollerPlesset二級微擾理論計算方法的改進；13.基于GPU的迭代耦合簇方法，此方法主要解決多體問題，并主要應用于費米子體系；14.基于GPU的微擾耦合簇方法，并從單參考態耦合簇方法和多參考態耦合簇方法兩個方面進行了分析。

本書對于圖形處理器的電子結構的計算方法做了細致的介紹，并在每一章都列舉了計算實例，輔助讀者理解GPU在數據計算方面的優勢。由于基于平面波的密度泛函理論是目前材料科學計算領域最常用的方法，因此作者在第7章花費了較多篇幅介紹了該方法的理論背景，并對CPU和GPU計算實例進行了比較，凸顯了GPU的計算優勢。因此本書對于從事計算軟件開發和材料計算科學的研究人員有重要的參考意義。

梁飛，博士研究生

篇8

化學的學科發展，可以提到許多方面，如飛秒化學。化學向生物學和醫學、材料設計、能源、大氣和環境化學、國家安全與個人安全等領域的拓展等。在本文中，要著重說的是：化學與化學工程的重新融合。

20世紀初，化學工程從應用化學中脫胎而出，經歷了單元操作和三傳一反，形成了化學工程學，從以經驗為主過渡到有一定預測功能的較完整的理論，從而導致化學與化學工程的分離。這種情況在20世紀90年生了變化，基礎化學研究與化學工程之間發生了空前的交疊和滲透。化學家越來越多地介入復雜系統的構造、分析和使用中，這些自然而然與工程學中的系統方法有關?；瘜W工程師正日益進入越來越多的化學基礎領域，在一些情況下甚至處于領導地位。在2003年美國出版的《超越分子前沿――化學與化學工程面臨的挑戰》一書中，開始使用化學科學來代表所有化學家和化學工程師的工作范圍。

化學是一個多尺度的科學。微觀尺度是從電子和原子核到分子，例如分子設計。宏觀尺度，例如實驗室合成、生產裝置、化學和物理操作、產品包裝和運輸?，F在大家更關注介觀尺度。從化學方面來說，人們關注超越分子的層次，進入超分子、分子集團、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，并對微觀的機理也表現了濃厚的興趣。化學由底向上，化學工程由頂向下，在介觀層次相遇，互相借鑒，對于化學科學及其理論的發展，形成了巨大的推動。

二、介觀尺度的研究

通?；瘜W以量子力學或量子化學為理論基礎，用以研究物質的微觀結構、化學鍵和對稱等，現在正逐步重視隨時間發展的動態演變。在唯象地說明宏觀現象時，則應用熱力學。進入介觀層次后，要采用平衡態和非平衡態的統計力學，后者需要綜合應用流體力學的原理。

化學工程通常以流體力學和熱力學為理論基礎，特別重視湍流理論、多相流和不可逆過程的熱力學。計算流體力學有很大的發展。在研究湍流的強相關機理以及涉及介觀層次時，統計力學原理起著重要的作用。而在為特征參數找出規律時，則需要量子力學的幫助。

化學科學理論的發展，進入到綜合運用量子力學、統計力學、熱力學和流體力學的時代，目標是解決多尺度時空結構與宏觀平衡和速率的關系。

進行多尺度時空結構研究，有兩個重要方面：一是由下向上的預測。從分子結構逐級預測介觀層次的各種結構及其隨時間的演變，并進而預測宏觀層次的結構、反應和分離的特性，以至在反應器和分離裝置中的行為，目標是形成無縫的從微觀到宏觀的鏈接。要做到這一點，先要搞清楚各個相鄰層次的時空結構是如何相互關聯的。研究這種關聯，首先要有實驗的觀察，總結經驗的規律，然后是理論的建立和推導，作為過渡步驟，也常常是采用模型的半經驗方法。二是由上向下的控制。用宏觀的手段，逐級控制各級時空結構的形成。這兩個方面有著緊密的聯系，有相輔相成的關系。

三、對化學教學的啟示

為了適應不斷變化的新形勢，化學教學要做好以下幾點：

第一要打好基礎。最重要的是，對于本學科的框架結構，通過教學，應使學生有一個系統的完整的初步認識。新的現象、規律和方法不斷出現，要善于在學科的框架結構中找到它的位置。

對于物理化學，我們認識到的學科框架包括：

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：普遍規律和物質特性。兩者結合，可以解決實際問題。

三種方法：研究物質特性，有實驗方法、半經驗方法和理論方法。從理論上研究物質特性，將進入下一個更深的層次。

例如生物膜中的促進傳遞和耦合傳遞。屬于宏觀層次的速率過程，具體來說是界面中的速率過程。對于普遍規律，要學教材中“傳遞過程”的內容(當然還有些特殊的地方)。為得到某一個生物膜的傳遞特性，要采用實驗測定，或半經驗方法。而要從理論上得到這種特性，必須應用統計力學。

又如耗散顆粒動態學DPD，它是一種介觀層次的模擬，實質上它就是分子動態學模擬MD，屬于從微觀到宏觀的過渡層次的普遍規律范疇。特殊之處是應用了粗粒化，引入更低的介觀層次，相應還采用了耗散力和隨機力。

第二要強調開放。框架是開放的，可以不斷更新和充實。內容是開放的，可以經常介紹新的進展。

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，仍然有實驗、半經驗、理論這三種方法。理論方法主要采用平衡態和非平衡態的統計力學，相應進入了下一個層次，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。類比永遠不會完美，卻幾乎常常有用。物理學是一個由于類比而興旺的領域，例如，基于借自超導的概念，我們可以至少部分理解超流的氦。物理化學中類比于由理想氣體到實際氣體，在研究混合物時，我們由理想混合物到實際混合物。

上面提到的耦合傳遞，可以和耦合反應進行類比。又如密度泛函理論DFT，則是以密度分布p(r)代替傳統的位能函數ε(r)為基本變量構筑泛函。變分原理則等價于最概然分布原理或熵最大原理。

當前的薄弱環節是：從微觀到宏觀的過渡層次；傳遞速率；進展。

要加強教學資源建設，包括教材、系列參考書、電子教材、網站建設等。

四、教學方法

篇9

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?，F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

21世紀的化學是研究泛分子的科學。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世紀化學的研究對象。它可以分為以下十個層次：（1）原子層次，（2）分子片層次，（3）結構單元層次，（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）復雜分子體系及其組裝體的層次。

化學的二維定義化學是研究X對象的Y內容的科學。具體地說，就是：化學是研究原子、分子片、結構單元、分子、高分子、原子分子團簇、原子分子的激發態、過渡態、吸附態、超分子、生物大分子、分子和原子的各種不同維數、不同尺度和不同復雜程度的聚集態和組裝態，直到分子材料、分子器件和分子機器的合成和反應，制備、剪裁和組裝，分離和分析，結構和構象，粒度和形貌，物理和化學性能，生理和生物活性及其輸運和調控的作用機制，以及上述各方面的規律，相互關系和應用的自然科學。

化學的三維定義化學是用Z方法研究X對象的Y內容的科學?；瘜W的研究方法和它的研究對象及研究內容一樣，也是隨時代的前進而發展的。在19世紀，化學主要是實驗的科學，它的研究方法主要是實驗方法。到了20世紀下半葉，隨著量子化學在化學中的應用，化學不再是純粹的實驗科學了，它的研究方法有實驗和理論?，F在21世紀又將增加第三種方法，即模型和計算機虛擬的方法?；瘜W的四維定義化學是用Z方法研究X對象的Y內容以達到W目的的科學。化學的目的和其他科學技術一樣是認識世界和改造世界，但現在應該增加一個“保護世界”。化學和化學工業在保護世界而不是破壞地球這一偉大任務中要發揮特別重要的作用。造成污染的傳統化學向綠色化學的轉變是必然的趨勢。21世紀的化工企業的信條是五個“為了”和五個“關心”：為了社會而關心環保；為了職工而關心安全、健康和福利；為了顧客而關心質量、聲譽和商標；為了發展而關心創新；為了股東而關心效益。

化學的多維定義———21世紀化學研究的五大趨勢

1、更加重視國家目標，更加重視不同學科之間的交叉和融合在世紀之交，中國和世界各國政府都更加重視國家目標，在加強基礎研究的同時，要求化學更多地來改造世界，更多地滲透到與下述十個科學郡的交叉和融合：1數理科學，2生命科學，3材料科學，4能源科學，5地球和生態環境科學，6信息科學，7納米科學技術，8工程技術科學，9系統科學，10哲學和社會科學。這是化學發展成為研究泛分子的大化學的根本原因。所以培養21世紀的化學家要有寬廣的知識面，多學科的基礎。

2、理論和實驗更加密切結合

1998年，諾貝爾化學獎授予W．Kohn和J．A．Plple。頒獎公告說：“量子化學已經發展成為廣大化學家所使用的工具，將化學帶入一個新時代，在這個新時代里實驗和理論能夠共同協力探討分子體系的性質?；瘜W不再是純粹的實驗科學了。”所以在21世紀，理論和計算方法的應用將大大加強，理論和實驗更加密切結合。

3、在研究方法和手段上，更加重視尺度效應

20世紀的化學已重視宏觀和微觀的結合，21世紀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，以至微型分子機器。

4、合成化學的新方法層出不窮合成化學始終是化學的根本任務，21世紀的合成化學將從化合物的經典合成方法擴展到包含組裝等在內的廣義合成，目的在于得到能實際應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，設計化，基因工程化，自組裝化，手性化，原子經濟化，綠色化?；瘜W實驗室的微型化和超微型化：節能、節材料、節時間、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，發展到成千上萬個化合物的同時合成，在未分離的條件下，進行性能測試，從而篩選出我們需要的化合物（例如藥物）的組合化學方法。

5、分析化學已發展成為分析科學分析化學已吸收了大量物理方法、生物學方法、電子學和信息科學的方法，發展成為分析科學，應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，搬運和調控的技術受到重視。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。

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關鍵詞：氫分子（H2）；能量―核間距曲線；結構化學

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

一、前言

結構化學是化學和應用化學（理科）專業的一門專業核心課程，主要講解原子的電子結構、分子的電子結構和幾何構型以及晶體（包括離子晶體、分子晶體、原子晶體以及金屬晶體）的微觀幾何構型和物理性質。結構化學的理論基礎是量子化學。大多數的結構化學教材（比如北京大學周公度、段連運教授編著的《結構化學基礎（第3、4版）》[1]、廈門大學化學系物構組編寫的《結構化學》[2]等）對于氫分子離子的能量核間距曲線都有涉及或詳細講解，學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的。另一方面，可能由于處理比較復雜的原因，大多數教材對于氫分子能量與核間距的關系都涉及很少或者沒有進行詳細講解。學生只是知道二者之間是有關系的，但是并不十分清楚二者之間是怎樣的關系，怎樣根據已有的數據繪制出氫分子的能量核間距曲線。本文旨在詳細闡述這一問題。

二、氫分子能量核間距曲線的詳細繪制步驟

本文以有關教材中給出的氫分子能量表達式為出發點，首先參考有關文獻給出氫分子能量E與核間距R之間的函數關系式，然后以此函數關系式為基礎計算出E與R之間的數值關系，最后繪制出E-R關系曲線。

（一）氫分子能量E與核間距R之間的函數關系式

參見《結構化學基礎》教材[1]第90頁，當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動狀態的兩個波函數及其對應的能量為：

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■均為氫原子基態波函數，均已經歸一化，均是實數；E■為基態氫原子的能量，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，經過一定的推導，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）之間的數值關系

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

1.S值的計算機實現。

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

這里，“col（S）”表示S的數值，“col（R）”表示核間距R的數值。

2.J值的計算機實現。

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

這里，“col（J）”表示J的數值，“col（R）”表示核間距R的數值。

3.K值的計算機實現。

col（K）=-（2+2*col（R））*exp（-col（R））

這里，“col（K）”表示K的數值，“col（R）”表示核間距R的數值。

4.S'值的計算機實現。

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

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

5.J'值的計算機實現。

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'的數值，“col（R）”表示核間距R的數值。

6.K'值的計算機實現。

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

7.“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的數值。

根據上面指數積分函數的定義，可以得到：

Ei（-4R）=-■■dt Ei（-2R）=-■■dt

上述兩個指數積分可以從Miller和Hurst撰寫的“Simplified Calculation of the Exponential Integral”（指數積分的簡便計算）論文[4]的表格中查找。比如，當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R取其他數值時“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的數值。需要說明的是，這種查表方法僅僅是求“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”數值的一種可行方法，還有許多其他方法（比如可以使用MatLab軟件中的指數積分函數，x取任意正實數都可以得到相應的“Ei（-x）”）。

8.數值列表。

知道了R、J、J'的數值，就可以求得Q的數值；知道了R、S、K、K'的數值，就可以求得A的數值；而知道了S、Q、A的數值，就可以求得E的數值。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-對應的數值。這些物理量的單位均為原子單位。

（三）能量―核間距（E-R）曲線的計算機繪制

根據表1中的E+-R和E--R數據，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、結論

本文以有關教材中給出的氫分子能量表達式為出發點，首先參考有關文獻給出氫分子能量E與核間距R之間的函數關系式，然后以此函數關系式為基礎計算出E與R之間的數值關系，最后繪制出E與R之間的關系曲線。這種詳細處理對于學生深刻理解量子力學處理化學問題的思路和方法，對于學生深刻理解分子構型（核間距）對分子能量的影響，對于激發學生學習結構化學的興趣，都有著非常積極的意義。

參考文獻：

[1]周公度，段連運.結構化學基礎[M].北京大學出版社，2003.

[2]林夢海，林銀鐘.結構化學[M].北京：科學出版社，2004.