量子化学

量子化学，也称为分子量子力学，是物理化学的一个分支，专注于将量子力学应用于化学系统，特别是电子对分子、材料和溶液的物理和化学性质的贡献的量子力学计算 原子级。 这些计算包括系统应用的近似值，旨在使计算在计算上可行，同时仍然捕获有关对计算的波函数以及结构、光谱和热力学性质等可观察特性的重要贡献的尽可能多的信息。 量子化学还关注量子效应对分子动力学和化学动力学的计算。

化学家严重依赖光谱学，通过光谱学可以获得有关分子尺度能量量化的信息。 常用方法有红外 (IR) 光谱、核磁共振 (NMR) 光谱和扫描探针显微镜。 量子化学可应用于光谱数据以及其他实验数据的预测和验证。

许多量子化学研究都集中在单个原子和分子的电子基态和激发态，以及化学反应过程中发生的反应途径和过渡态的研究。 也可以预测光谱特性。 通常，此类研究假设电子波函数由核位置绝热参数化（即 Born-Oppenheimer 近似）。 使用了多种方法，包括半经验方法、密度泛函理论、Hartree-Fock 计算、量子蒙特卡罗方法和耦合簇方法。

通过开发薛定谔方程的计算解来理解电子结构和分子动力学是量子化学的核心目标。 该领域的进展取决于克服几个挑战，包括需要提高小分子系统结果的准确性，以及增加可以实际进行计算的大分子的大小，这受到缩放考虑的限制—— 计算时间随着原子数的幂而增加。

有些人认为量子化学的诞生始于 1926 年薛定谔方程的发现及其在氢原子上的应用。然而，Walter Heitler（1904-1981）和 Fritz London 于 1927 年发表的文章通常被认为是xxx个里程碑 在量子化学的历史上。 这是首次将量子力学应用于双原子氢分子，从而应用于化学键现象。 在接下来的几年里，Robert S. Mulliken、Max Born、J. Robert Oppenheimer、Linus Pauling、Erich Hückel、Douglas Hartree、Vladimir Fock 等人取得了很大的进步。 量子化学的历史也经历了 1838 年迈克尔·法拉第发现阴极射线，1859 年古斯塔夫·基尔霍夫提出黑体辐射问题，1877 年路德维希·玻尔兹曼提出物理系统的能量状态可以是离散的， 以及马克斯·普朗克 1900 年提出的量子假说，即任何能量辐射原子系统在理论上都可以分为许多离散的能量元素 ε，使得这些能量元素中的每一个都与它们各自辐射能量的频率 ν 和一个数值成正比 称为普朗克常数。 然后，在 1905 年，为了解释光电效应（1839），即光照在某些材料上可以起到从材料中射出电子的作用，阿尔伯特爱因斯坦根据普朗克的量子假说假设，光本身由个体组成 量子粒子，后来被称为光子（1926 年）。 在接下来的几年里，这一理论基础慢慢开始应用于化学结构、反应性和键合。 Linus Pauling 可能对该领域做出了xxx的贡献。

解决量子化学问题的xxx步通常是用电子分子哈密顿量求解薛定谔方程（或相对论量子化学中的狄拉克方程）。 这称为确定分子的电子结构。 可以说分子或晶体的电子结构本质上暗示了它的化学性质。 只能为氢原子获得薛定谔方程的精确解（尽管氢分子离子束缚态能量的精确解已根据广义 Lambert W 函数确定）。 由于所有其他原子或分子系统都涉及三个或更多粒子的运动，因此无法精确求解它们的薛定谔方程，因此必须寻求近似解。