量子化学论文十篇
量子化学论文篇1
[摘要] 生物化学与分子生物学研究生的培养，在该学科研究生硕士点的建设中占重要地位，本文对医学院校生物化学与分子生物学研究生的培养实践进行反思，旨在提高研究生论文质量。
[关键词] 生物化学；论文质量；医学院校研究生
[中图分类号] G642[文献标识码] C [文章编号]1673-7210（2011）08（a）-119-02
Study on the degree thesis quality of biochemistry and molecular biology students in medical couege
FU Xinhua, YANG Xiaoyun, WANG Shouxun*
Department of Biochemistry and Molecular Biology, Weifang Medical College, Shandong Province, Weifang 261053, China
[Abstract] Training graduate students of biochemistry and molecular biology have an important station in biochemistry development. We reflected the practice of biochemistry and molecular biology training in medical graduate students to improve the quality of thesis.
[Key words] Biochemistry; Thesis quality; Medical graduate student
当前我国社会竞争日趋激烈，从而加大了对高学历、高素质人才的需求，高校招生规模的年平均增长率是26.9%。在此形势下，如何调整研究生的培养目标和教育模式，已成为各大高校研究生教育需要解决的当务之急，因此探讨研究生培养目标和教育模式具有重要意义。
医学生物化学与分子生物学研究生的培养和教育是造就高层次人才的渠道之一，如何加强对医学研究生培养全过程的质量监控，保证培养质量，是目前高校值得研究的重要课题。其中，建立医学院校生物化学与分子生物学研究生教学督导制度及对研究生学位论文进行质量监控，是保障培养质量的有效途径[1-2]。
1 我校生物化学与分子生物学研究生培养存在的问题
当前我校生物化学与分子生物学专业研究生实际培养工作中，存在一些问题，主要表现在：
1.1 对研究生培养环节的监控不到位
长期以来，研究生培养多注重对结果的评价，以研究成果、毕业论文和就业状况等来衡量研究生培养的优劣，而对研究生培养过程的监管不足。
1.2 导师对研究生培养过程的指导投入不足
随着研究生招生规模的扩大，每位导师指导的学生数量增多，导师整体负荷增大，师生间的直接互动减少，加之导师工作忙，事务多，时间和精力投入都难以到位，以致出现一些研究生培养“放羊”现象，如课题未经论证、开题报告时间滞后、毕业论文答辩匆忙等，从而制约了研究生的培养质量。
1.3 研究生学位论文质量有下滑趋势
招生规模扩大以后，导师压力增大，难以保证每个学生高质量的完成学位论文，造成同年毕业的研究生论文质量良莠不齐。
2 提高医学院校生物化学与分子生物学研究生学位论文质量的几点思考
研究生阶段的教育重在培养学生的科研能力，而学位论文能全面衡量研究生的综合水平。其中，论文选题和开题的严格把关是学位论文质量管理的一个重要方面，对保证和提高学位论文质量至关重要[3-4]。本文分析了医学院校生物化学与分子生物学硕士学位论文各环节存在的问题，提出了加强其质量监控的具体措施。
2.1 美国研究生教育模式
美国研究生教育在世界研究生教育中占重要地位，19世纪以来，美国以培养大学教师和高水平研究人才为研究生教育目标。研究生教育便担负起培养各学科高级研究人才的任务。从20世纪70年代至今，美国研究生的教育质量不断提高，美国研究生教育始终保持较高的整体质量、宏观质量和体系质量[3]。
目前美国研究生教育的评估力量主要来源于社会和高校自身，且以社会评估为主。内部评估遵循“宽进严出”的原则，从招生、课程学习、科学研究、中期考核、考试、论文写作、答辩等方面进行质量控制[4]。美国通常采用高校（系、科）评分的方法评价高校质量，通过评价高等院校的实际办学水平及在大学群与社会中的相对地位来促进其质量提升。培养过程有规范性要求，并严格按计划和程序实行淘汰[5]。
2.2 提高我国医学院校生物化学与分子生物学研究生论文质量的建议
根据我国的研究生培养目标，研究生应当具备从事科学研究和独立承担专门技术工作的能力。研究生教育规模迅速扩大，质量问题日益凸显，引起教育界及社会各界的关注[6]。质量管理系统的功能是对高校研究生培养质量保障系统的具体组织与执行，它直接决定了研究生培养质量保障系统功能的发挥。
2.2.1 研究生培养中期考核培养过程的督导包括导师遴选、培养条件、培养方案、课程设置等的监督、检查，重点是中期考核。实施中期考核是研究生培养过程的重要环节，中期考核未达标者，可给予一定形式的警示，令其限期达标。
2.2.2 对生物化学与分子生物学培养方案与研究生培养计划的审查与督导审查与督查是督导工作的重点。一方面对其培养方案进行审查，另一方面查阅所选学位点的研究生培养计划，重点审查其培养目标是否合适，课程设置与安排是否合理等。
2.2.3 加强教学与管理研究生部加强学籍管理、宏观管理、质量检查与评估等工作，全面监督课程设置、教学实施、成绩考核、论文评审、学位答辩等工作。
2.2.4 学位论文质量监控是重中之重学位论文监控包括开题报告、论文把关、质量评定、论文质量等级及学位授予。督导的重点是检查毕业论文质量，进一步完善论文“盲审”制度能更好地确保毕业论文质量。①开题报告质量监控：开题报告是提高论文质量的重要环节。开题报告重点检查文献是否满足论文课题的要求、有无书面报告书等。中期的学术报告或阶段总结重点检查论文进展情况、后期计划、存在问题及指导小组人员的评议意见，以促进论文质量的提高。②学位论文质量监控：研究生学位论文水平是评估研究生质量的重要指标之一，必须加强对研究生学位论文的质量监控与督导。学位论文的质量监控重点是检查论文质量，协助研究生部对论文进行质量抽查，将该部分论文送予外校专家进行双盲审查，查阅专家评审意见，并参加论文答辩会，提出意见，供导师、管理部门参考和质量抽查，从而保证论文质量。
2.2.5 开展对生物化学与分子生物学导师的督导工作着重从研究生的课堂、教学、文献综述、开题报告、论文中期检查、学术活动、学术交流、学位论文质量与论文答辩等方面对导师工作进行督导检查。
本文通过对生物化学与分子生物学专业研究生培养过程存在问题的分析，围绕加强研究生培养过程管理、全面提高研究生培养质量，从控制的重点、手段和主体等方面提出了进一步实施研究生培养质量监督控制的相关措施，以期对研究生培养工作有所裨益。
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量子化学论文篇2
1 对物理学的文化意义的认识
物理学是一种知识体系，更是一种文化体系，物理文化“是古代哲学家、近现代物理学家和物理工作者，历经数千年逐步创造的物理知识体系、观念形态、价值标准及约定俗成的工作方法的总和，”物理文化跟人类的其他文化一样，可以“分为器物、制度、观念三个层次，”物理文化的器物部分是物理学发展的物质基础，包括观察和测量器具、相关的实验设备等，物理文化的制度部分包括从事物理学活动的各种建制，主要有研究机构、学术团体、出版部门、法规章程等，物理文化的观念层次，是物理文化的内核，包括物理学知识、物理学思想、物理学的方法以及所蕴含的科学精神等。
物理学是一种生动和重要的人类文化活动，德国哲学家恩斯特·卡西尔指出：“科学是人类智力发展中的最后一步，并且可以被看成是人类文化最高最独特的成就，”物理学具有鲜明的文化品格，因此，物理文化本身就是一种教育力量，物理教学要注重对学生物理文化的熏陶，促进学生掌握科学的方法论、建立科学的价值观。
2 原子和原子核的内容概述
人教版高中新课标物理教科书，为了突出人类对原子内部结构的逐步深入地认识过程，将原子结构和原子核的内容分编为两章，其内容包括：电子的发现；原子的核式结构模型；氢原子光谱；玻尔的原子模型；原子核的组成；放射性元素的衰变；探测射线的方法；放射性的应用与防护；核力与结合能；重核的裂变；核聚变；粒子和宇宙等内容，课程标准要求学生在“学习中，注意体会其中的科学方法、科学思想，感受科学的和谐美。”
3 文化视野下原子物理的教学策略
爱因斯坦曾指出，教科书中的科学结论“几乎总是以完成的形式出现在读者面前，读者体会不到探索和发现的喜悦，感觉不到思想形成的生动过程，也很难达到清楚地理解全部情况，”为了让学生感受物理文化的精神和智慧，笔者将“原子和原子核”这部分内容，放在20世纪初到21世纪初这一跨度为100年的背景上进行审视，把教学活动转变为历史上文化创造者与今天学习者之间的对话活动，与此同时，还将其视为一个开放性的系统，在不变更其主体结构的前提下，教学活动中，渗透“科学、技术与社会”的思想，突显这部分内容在方法论上的价值，对“原子和原子核”的教学笔者主要从以下三个方面展开。
3.1强化基础，将凝固的文化激活，引领学生进行探究性学习
“强化基础”是指对重要的基础知识的阐述力求准确清楚、层次分明、严谨扎实，以充分体现高中物理课程的基础性，“将凝固的文化激活”是指让学生置身于历史背景下，经历一次次的“发现”之旅，通过前人的探究活动学习科学探究。
下面以“玻尔的原子模型”教学片断为例，谈谈我们的做法，粒子的散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，为原子核式模型的建立奠定了基础，但是经典物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分裂特征，玻尔把量子概念引入原子系统，提出了三条假设，解决了卢瑟福模型的困难，把原子理论向前推进了一大步，具体教学的线索如下：
为了消除学生的神秘感，教学过程中，笔者强调玻尔原子理论的三个假设，并不只是源自玻尔的灵感进发，而是在玻尔的信念、实验、思考的共同作用下结出的智慧之花，首先，玻尔作为卢瑟福的学生，1912年3月到6月，他曾在卢瑟福的实验室工作过4个月，并参加了粒子散射的实验工作，对卢瑟福的核式结构模型的正确性坚信不疑，其次，1900年，普朗克提出的量子论，1905年，爱因斯坦利用光子说解释光电效应现象，也给玻尔以启迪，第三，1913年2月，哥本哈根大学的H·M·汉森提示玻尔，要注意光谱的实验数据和巴耳末的氢谱线的经验公式，巴耳末公式独特的级差结构，使玻尔茅塞顿开，原子结构的图景一下子清晰地呈现在玻尔的脑海中，这个被称为“二月转变”的事件，使玻尔很快整合了卢瑟福、普朗克、爱因斯坦的思想，写出了被后人称为“伟大的三部曲”的著名论文《原子结构和分子构造》，爱因斯坦为此给予玻尔高度评价，他写道：“当后代人来写我们这个时代在物理学中所取得的进步的历史时，必然会把我们关于原子性质的知识所取得的一个最重要的进展同尼尔斯·玻尔的名字联系在一起。”
经过这样的处理，教材静态的文本就成了活的载体，这时展示在学生面前的物理学“不是一般定律汇编，也不是一本把各种互不相关的论据集合在一起的总目录，它是用来自由地发明观念和概念的人类智力的创造物。”
3.2渗透方法，让学生了解科学源流，在追溯科学嬗变的历史轨迹中，理解科学方法
“渗透方法”是指在展现具体的物理知识的过程中，贯穿着物理研究方法、思维方法这条暗线，“把科学过程和思维方法，引入物理教学，不仅能使学生有身临其境之感，而且能领略前辈大师的研究方法、物理思想及科学精神。”
人们对原子和原子核的研究，为我们展示了一条非常清晰的科学研究的途径：实验(事实)——理论假设——实验(提供新的事实)——修正理论(甚至建立新的假设)，人们在不断修正错误的过程中逼近事物的本质，获得真理性的认识。
1895年发现X射线，1896年发现天然放射性现象，1897年发现电子，连续出现的三大发现在科学界和哲学界产生的影响是十分巨大的，给整个物理学界带来了困惑和论争，法国著名物理学家彭加勒、路·乌尔维格、意大利的奥·利希、奥地利的马赫，甚至革命导师列宁也加入了这场讨论，马赫将这称作为“原理的普遍毁灭”(原子的不可分割、不变性被打破了，物质不灭和能量守恒的规律受到新的检验等等)，唯心论者认为“原子非物质化，物质消失了”，我们用今天眼光审视这段历史，不难发现，物理学此时显然“进入一个浓雾密布，但已透过微光的领域，而且有幸展望令人激动的新远景”，物理学确实在这些发现后达到了一个新的高度。
人类在认识微观世界的进程中，实验仍然是探索的基础，在对“原子和原子核”探索中就有卢瑟福粒子散射实验、查德威克发现中子的实验、哈恩的裂变实验、费米建立第一个核反应堆……，但是，如果只是实验而缺少思考，实验就没有方向，物理学就不可能有今天的辉煌成就，教学活动中，我们不仅要让学生知道科学家做了什么实验，观察到什么现象，更要突出科学家据此进行的富于想像力的猜想以及大胆的理论构建过程，卢瑟福发现质子后，人们明确了质子是原
子核的组成部分，但是实验数据表明，绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子质量与电荷量之比，据此，卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着中子，查德威克在此思想指导下发现了中子，类似的案例还有很多，我们要有意识地加以展示，让学生感悟到科学家为什么要这样去做、为什么会这样去做。
人们认识原子的历程中方法论的因素非常丰富，科学理论的发展并不是新理论毁灭了旧理论的成果，而是新理论既指出了旧理论的优点也指出它的局限性，从而使我们对物质运动规律的认识提高到更高的理论高度，比如，卢瑟福的原子核式结构模型可以很好地解释粒子散射实验，但是无法解释原子的稳定性和原子的分立光谱，玻尔的原子模型，就保留了它的合理内容，即有原子核存在，而摈弃了其他不合理的内容，所以说，玻尔的原子理论和卢瑟福的核式结构模型之间有一种继承和发展的关系，不仅原子和原子核理论如此，任何物理学的变化，无论看起来有怎样的革命性，则都是如此。
若想预见科学的未来，正确的方法是研究它的历史和现状，《美国国家科学教育标准》指出，“历史实例的介绍可以帮助学生看到，科学事业是富有哲理的，是社会性的活动，是充满人性的，”科学活动的成果无论是多么抽象，它的起源和发展的本质却是人性的，是人的满怀激情的活动。
3.3拓宽视野，让学生品味科学成就，体验科学家的心路历程，把握科学精神的精髓
“拓宽视野”主要是拓宽知识面，一方面力图反映一些当代粒子理论的新成果、新应用，另一方面展示新理论建立过程中科学家的心路历程，让学生体验科学家探索未知的信心、勇气及抉择。
教学中，安排一些中学生能够接受又符合课程标准要求的新内容、新知识，如，四种基本相互作用、夸克模型、磁约束和惯性约束、恒星和宇宙的演化以及微观世界规律的统计性等，在“放射性元素的衰变”中，渗透夏商周断代工程和碳14测年技术在其中的重要作用，“重核的裂变”中，介绍当前朝鲜、伊朗核问题的相关资料，引导学生向窗外的世界望一望，不仅可以使高中物理教学呈现当代色彩，更重要的意义在于学生科学素质的培养。
教学中渗透一些相关理论建立过程中科学家的心路历程，有助于培养学生对科学的正确认识，有助于学生理性怀疑意识的建立和批判精神的形成。
1909年，卢瑟福在做a粒子散射实验时，发现大约有八千分之一的a粒子发生超过90°的大角度散射，卢瑟福后来提起这件事时曾说：“这是我一生中最不可思议的事件，这就像您对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹，却被反弹回来的炮弹击中一样地不可思议，”这促使卢瑟福去思考他的老师J·J·汤姆生原子模型的正确与否这一问题，本来，汤姆生为β散射建立一个多次碰撞的理论，可以解释大角度散射，但用到a粒子，由于a粒子比电子质量大太多，故两者多次碰撞几率趋于零，而实验结果却是八千分之一，这是一个极大的矛盾，一边是恩师的理论，一边是千真万确的实验结果，卢瑟福陷入了极其矛盾的境地，经过长时间思考，1910年底，卢瑟福终于作出决断，放弃汤姆生模型，承认原子有核，建立原子核式结构模型，为原子物理和核物理的发展奠定了最主要的基础。
量子化学论文篇3
关键词： 结构化学教学 量子化学软件 应用
结构化学是一门从微观角度研究原子、分子和晶体的结构及其结构与性能之间关系的科学。这门课程以严谨的数学逻辑推导为基础，建立比较抽象的理论概念，需要学生具备扎实的高等数学基础，特别是量子力学中许多新概念、新方法和新原理，使得学生普遍感到艰涩难懂，缺乏学习的积极性。要提高学生的学习兴趣，培养学生的量子化学思维，使其能够运用结构化学理论知识解释化学事实、阐明分子结构及揭示化学的内在规律，仅用传统的教学方式很难达到目的。在此介绍比较新颖的量子化学软件Gaussian和GaussView，将其应用于结构化学教学过程中，可使枯燥乏味的理论学习变得生动形象，大大提高教学质量，取得良好的教学效果。
一、软件介绍
Gaussian是目前计算化学领域内最流行、应用范围最广的商业化量子化学计算程序包。它最早是由美国卡内基梅隆大学的约翰?波普在上世纪60年代末、70年代初主导开发的。Gaussian最早的版本是Gaussian 70，现在常用的是Gaussian 03，最新版本为Gaussian 09。该程序可在不同型号的大型计算机、超级计算机及工作站上运行，是当今理论计算化学科研工作的基本工具之一。
Gaussian程序是由许多程序相连接的体系，用于执行各种半经验和从头算分子轨道计算。Gaussian 03 可用来预测气相和液相条件下，分子和化学反应的许多性质，包括：分子的能量和结构、过渡态的能量和结构、分子体系的振动频率、NMR、IR和拉曼光谱及热化学性质、分子轨道、原子电荷、多极矩、电子亲和能、离子化势，等等［1］。
GaussView是与Gaussian配套的辅助图形软件，可用于绘图、文本和结构编辑；显示结构（从计算输出文件中读取优化的结构）、振动模式和化合物的分子轨道；查询键长、键角、二面角和耦合因子等。
二、计算并显示分子轨道
分子轨道理论是结构化学教学的重点内容之一。由于“分子轨道”中的轨道不同于经典物理中的轨道，指的是分子中的单电子波函数φi，即分子中每个电子都是在由各个原子核和其余电子组成的平均势场中运动，那么第i个电子的运动状态用波函数φi描述，该波函数又称为分子轨道［2］。关于分子轨道的概念理解需要学生具有较好的抽象思维能力，在结构化学教学中是重点和难点。在讲述这部分内容时，可用Gaussian软件计算相关双原子分子的分子轨道，并用GaussView演示分子轨道的分布特点、电子填充情况等，帮助学生很好地理解分子轨道的概念。
下面以N2为例进行介绍。首先，用GaussView软件搭建分子模型、编辑输入文件，然后用Gaussian 03程序优化分子，就可得到各分子轨道能级。Gaussian 03优化结果文件中会具体给出N2的各分子轨道能级大小及其对称性。用GaussView软件可显示优化分子的分子轨道形状，见图1。
在“分子轨道的对称性和反应机理”一节中，涉及前线分子轨道理论、LUMO、HOMO等概念，以及离域π键和共轭效应，均可用Gaussian 03和GaussView软件计算并显示分子轨道形状，辅助教学。通过借助这些量子化学软件来描述分子轨道，使得过于抽象、艰涩难懂的理论、概念变得生动形象，直观易懂，易被学生接受，方便教学。
三、显示分子的振动模式
分子光谱是测定和鉴别分子结构的重要实验手段，也是分子轨道理论发展的实验基础。分子光谱和分子的内部运动密切相关。如红外光谱来源于分子中原子的振动，不同化学键或基团具有不同的振动模式，对应有不同的特征振动频率。在讲述这一部分内容时，如用GaussView给学生以动画形式展示每一种振动，可大大提高课堂趣味性。
下面以HO为例，首先用GaussView搭建水分子的分子模型并编辑输入文件，然后用Gaussian 03软件进行优化和频率计算，最后用GaussView打开结果文件。打开GaussView中Results下拉菜单下的Vibrations，得到图2所示的窗口，可以看到3个振动模式。点击图2显示的Display Vibratons文本框中的#1行，可以看到图2（1）所示的弯曲振动；点击#2行，可看到图2（2）所示的2个氢原子的对称伸缩振动；点击#3行，可看到图2（3）所示的2个氢原子的不对称伸缩振动。每一种振动的振动频率均可从图2显示的Display Vibratons文本框中读出。点击Display Vibratons文本框中的start按钮，可显示所选振动模式的振动动画，点击stop，可停止该振动。点击spectrum按钮，可以生成水分子的红外光谱图。在课堂上，这样的动画演示可使枯燥乏味的知识变得生动活泼，大大增强结构化学的趣味性。
四、结语
Gaussian 03和GaussView等量子化学软件在结构化学教学中的应用远不止以上几种，还可以建立和显示三维分子结构模型、获得分子化学反应的性质，等等。总之，常用量子化学软件可提供许多具体的量子化学计算结果，帮助阐述结构化学中抽象的概念、理论，让学生用分子模拟的方法，通过具体的实践领悟微观世界的运动规律、建立抽象的量子化学思维，提高学习结构化学的积极性。
参考文献：
［1］Gaussian 03中文用户参考手册.
量子化学论文篇4
论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。
量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。
一、 在材料科学中的应用
（一）在建筑材料方面的应用
水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。
钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1 ，2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca 钙矾石、含Ba 钙矾石和含Sr 钙矾石的Al -O键级基本一致，而含Sr 钙矾石、含Ba 钙矾石中的Sr，Ba 原子键级与Sr-O，Ba -O共价键级都分别大于含Ca 钙矾石中的Ca 原子键级和Ca -O共价键级，由此认为，含Sr 、Ba 硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。
将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。
（二） 在金属及合金材料方面的应用
过渡金属(Fe 、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。
量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。
二、在能源研究中的应用
（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用
煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。
量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子， 如低级芳香烃作为碳/ 碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian 98 程序中的半经验方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。 转贴于
（二）在锂离子电池研究中的应用
锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。
锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li + 离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago 等[8] 用半经验分子轨道法以C32 H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li - C 和具有共价性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。
随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。
三、 在生物大分子体系研究中的应用
生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用，甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘， 进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。
综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。
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量子化学论文篇5
关键词：结构化学；创新精神；高等教育；教育改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）02-0083-02
结构化学是高等院校化学、材料等相关专业的一门专业基础课，是理论化学的一个重要分支。它是探究原子、分子、晶体结构的微观结构，原子和分子中电子的运动规律，及原子和分子结构和性质之间关系的一门科学[1-3]。开设结构化学课程的目的是使相关专业的学生对微观世界的结构和运动规律有所了解，初步掌握结构与性质的相互关系；从而使学生更进一步地从更深的层次上理解其他化学相关的专业课程，包括无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等。
一、结构化学课程的特点
结构化学这门课程特点明显，如下：（1）综合程度高；（2）理论性强；（3）内容抽象。由于这一系列的特点，初学者在开始接触这门课程时，常有听“天书”无从下手的感觉；作者在教学过程中也因此遇到了一些问题。下面将遇到的问题做一概括：
1.综合程度高。结构化学这门课程不是建立在经典力学体系下的课程，而是一门以量子力学为基础的课程[4]。因此在此门课程的学习开始，就要求学生们巩固好大一、大二所学的四大化学（无机化学、有机化学、分析化学、物理化学）课程以及其他学过的化学理论基础知识，并在脑海中建立起一套完善的量子力学体系。此外量子力学论还是近代物理的重要组成部分，因此同学还要兼备一定的物理知识基础。只有综合掌握了物理和化学的相关基础知识后，才能从本质上理解微观化学领域各个粒子的结构与性能的特征，学懂结构化学这门课程。由此可见，该课程不管是教还是学，两方面都存在着较大的难度。
2.理论性强。结构化学授课困难的一个重要原因就是课本中含有大量的公式推导过程，复杂的数学模型和大段的文字叙述求解过程。公式推导过程用到比较多的包括微积分、线性代数等高等数学知识。而高等数学方面向来是化学专业学生们的弱点，一步步的推导过程枯燥乏味，让学生感觉云里雾里般，进而忙于应付求解过程忽略了公式中各个变量的深层次含义。
3.内容抽象。微观粒子的结构和运动规律是结构化学的主要研究内容，而看不见摸不着的微观粒子的运动给同学们学的过程带来了一定的困难，文字叙述无法直观表达，只能靠学生的凭空想象。因此这门课程对学生的逻辑思维能力和空间想象能力都有较高的要求。
二、结构化学课程授课过程中存在的问题及改革建议
本文作者根据自己多年的教学授课经验，结合学生课后的反馈意见，对改革结构化学的教学方式提出了一些建议，旨在激发学生的学习兴趣充分调动学生的学习积极性，活跃课堂气氛提高课上学生的吸收率。
1.重视引导。结构化学是一门化学专业类的理论基础课，学生们看到教材上大段的文字叙述还有繁杂的数学公式推导过程，往往还没有开始学习就对此门课程失去了兴趣。所以，在上第一节课的时候就应对学生进行正确的引导，在绪论课上给大家讲述一些结构化学发展史。首先便是1900年，普朗克提出了量子假说，勇敢地打破了能量必须连续变化的经典理论，规定了以间断形式存在的能量，电磁场中的能量和物质交换间的能量，能量子的大小同辐射频率成正比，用普朗克常数作为二者之间的比例常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，完美地诠释了黑体辐射现象。其次在1905年，爱因斯坦意识到了量子化概念在微观领域的重要性，引进了光子的概念，从而解释了光电效应，开启了量子力学的新篇章。学生们在听故事的同时，会不知不觉地克服恐惧心理，激发学习的兴趣。最后顺着教学大纲的思路，引导大家用量子力学体系的思维去思考分析结构化学中所遇到的问题，让同学们处于愉快的气氛中，带着笑容下课。
2.充分利用多媒体教学手段辅助教学。结构化学在教学内容上涉及一些相对抽象的模型，如原子轨道形状、多原子分子的组合方式、配位化合物的配位形式、晶体的点阵结构等都涉及原子和分子的空间排布规律，这些内容要求学生具备较强的空间想象能力。传统的板书教学方式很难将结构化学中较为抽象的理论以直观的形式表现给同学们，大段大段的纯文字描述也使得学生感到晦涩难懂。多媒体技术可以将授课内容动态化、立体化[5]，绝大多数的分子、晶体结构都可以用3D软件结合FLASH等做成可360°观看，任意缩放、平移、旋转的模型，同学们可任意角度观看，有利于巩固加深记忆。
3.注重理论与实际的联系。由于结构化学是一门理论基础学科，因此学生们理解起来可能会有一定的难度，容易学过即忘，在教学过程中应让学生通过理论联系实际中所熟知或已学过的现象，通过类比的方法巩固加深记忆。比如，在讲晶体的宏观对称性时，联系大自然，启发学生思考：大自然虽然讲究对称美，但为什么很少有五边形和七边形的物体呢？由此引入晶体的空间点阵结构、对称元素、对称操作的概念并对对称轴次加以证明，得出结论：晶体结构中的对称轴次只允许存在1、2、3、4、6这五种不存在5和7，这与大自然世界的对称美是相呼应的。而讲到离域键的共轭效应时，以碱性条件下酚酞会变成红色为例，结合学生高中所学知识让学生理解酚酞变色的根本原因，主要过程是酚酞与碱性溶液发生反应，形成了离域键，产生了共轭效应，酚酞-碱性溶液体系能量下降，能级间隔变小，光谱偏移至可见光区，因此我们看到无色的酚酞变成了红色。通过这种由外至内、循序渐进的引导方式使学生转变对结构化学这门课程的印象，说明这门课程不是凭空想象漫无边际地研究我们用不到的东西，而是服务于实践，解释着实践中所遇到的问题，从而使他们树立起学习信心，增加学习动力，真正做到课上讲过的东西当堂就吸收理解掌握。
4.弱化公式推导。结构化学教学的目的就是让同学们理解掌握结论和推导过程中各符号的物理意义及这些符号在化学中起到了什么样的作用，有什么应用。结构化学中的公式推导过程用到的高等数学的课程知识比较多，包括微积分的多重积分求解，线性代数中的行列式求值等。而数学功底普遍是化学专业学生们的弱项，大部分所用到的数学知识又都是在大一学习的可能已经被忘到了脑后，因此在讲述结构化学课本中的公式时应尽可能弱化公式推导过程，强化学生对整体大局和结论的理解，不再单独强调详细的求解过程。因此在讲到公式部分时，首先要明确每个符号所代表的物理意义，从本质上理解结构化学这门课程，引导学生们如何去解决问题，解决问题后又能得出怎样的结论，所得结论的实际意义是什么，然后再回到研究数学推导求解过程上。让学生抓住该课程的主线厘清学习这门课程的基本思路，顺着大纲学下去，把握住主要的大方向，这样继续向后面章节学习就不会出现断层。反之如果从数学公式推导出发，进行烦琐的化简计算，就容易忽略需要解决的问题的主体，不知道这些纯数学求解过程是要干什么，得出的结果有什么意义，事倍功半。
5.科学的完善考核机制。考试是教学活动不可缺少的一部分，也是衡量教师授课成果和学生掌握课程情况的主要方法。现代大学是以培养综合创新型人才为目的的，因此在教学考核过程中，应该用科学的、多元的方式去综合评价每个学生，拒绝一考定终身的制度，取代传统的单一闭卷考试方法，转变学生们认为只要死记硬背课本就能取得好成绩的惯性思维。将最终成绩定为三部分之和，其中，平时成绩占30%；期中成绩30%；期末成绩40%。平时成绩的30%包括课堂表现（10%）、习题作业（10%）和专业课小论文（10%）。课堂上教师有针对性地提出问题并根据学生的回答情况给出分数，既能随时掌握学生们的学习状况还能根据学生们的整体掌握情况随时调整课程安排。有利于增强师生课上的互动、改变课堂沉闷的授课氛围，培养学生们独立自主的思考问题，讨论问题，解决问题的能力，同时还可以锻炼他们的语言表达能力和应变能力。课后的习题作业主要是引导学生正确地复习所学内容。专业小论文则偏重于考查学生查阅相关文献、获取知识的能力。这样灵活的考试机制有利于引导学生改变突击复习期末考试的方法，树立正确的学习观，从平时开始做到课后即复习，查漏补缺，也只有这样才能真正达到结构化学的教学目的。
根据笔者多年来对结构化学课程改革的摸索，使用上述方法学生们学习结构化学课程的积极性明显提高，课堂气氛也活跃起来了，学生们爱听了，授课效率明显提高。
总之，结构化学是一门其中理论在实际生活中接触较少，学习的知识内容相对抽象，老师和同学们在教与学的过程都感到较为困难的理论基础课。教师们应精心备课，认真设计教学内容，研究课程改革，由浅入深的教学，消除学生们对课程的恐惧心理。通过一系列的改革过程，改变课堂环境，活跃课堂气氛，让学生体会到独立自主创新和团队合作精神的重要性，培养他们对问题分析和解决的能力；最后引入科学合理的考核机制对学生进行综合评价，引导学生树立正确的学习观，不断充实结构化学理论基础知识，提高主动获取知识、综合运用知识的能力，培养多能创新型优秀人才。
参考文献：
[1]杨志广，彭鹏，石晓明，周凯.如何激发学生学习结构化学的兴趣[J].教育教学论坛，2014，（20）：118-120.
[2]令狐文生，董华平.结构化学课程建设的实践与思考[J].教育教学论坛，2011，（35）：214-215.
[3]韩波.结构化学教学实践与初探――引导启发式教学[J].科技信息，2013，（25）：218，259.
量子化学论文篇6
【关键词】超弦/m理论/圈量子引力/哲学反思
【正文】
本文分四部分。首先明确什么是量子引力？其次给出当代量子引力发展简史，更次概述当代量子引力研究主要成果，最后探讨量子引力的一些哲学反思。
一、什么是量子引力？
当代基础物理学中最大的挑战性课题，就是把广义相对论与量子力学协调起来[1]。这个问题的研究，将会引起我们关于空间、时间、相互作用（运动）和物质结构诸观念的深刻变革，从而实现20世纪基础物理学所提出的空间时间观念的量子革命。
广义相对论是经典的相对论性引力场理论，量子力学是量子物理学的核心。凡是研究广义相对论和量子力学相互结合的理论，就称为量子引力理论，简称量子引力。探讨量子引力卓有成效的理论，主要有两种形式。第一，是把广义相对论进行量子化，正则量子引力属于此种。第二，是对一个不同于广义相对论的经典理论进行量子化，而广义相对论则作为它的低能极限，超弦／m理论则属于这种。
圈(loop)量子引力[2]是当前正则量子引力的流行形式。正则量子引力是只有引力作用时的量子引力，和超弦／m理论相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是应用标准量子化手续于广义相对论，而广义相对论则写成正则的即hamiltonian形式。正则量子引力根据历史发展大体上可分为朴素量子引力和圈量子引力。粗略来说，前者发生于1986年前，后者发生于1986年后。朴素量子引力由于存在着紫外发散的重正化困难，从而圈量子引力发展成为当前正则量子引力的代表。
超弦／m理论的目的，在于提供己知四种作用即引力和强、弱、电作用统一的量子理论。理论的基本实体不是点粒子，而是1维弦、2维简单膜和多维brane（广义膜）的延展性物质客体。超弦是具有超对称性的弦，它不意味着表示单个粒子或单种作用，而是通过弦的不同振动模式表示整个粒子谱系列。
圈量子引力和超弦／m理论之外，当代量子引力还有其它不同方案。例如，euclidean量子引力、拓扑场论、扭量理论、非对易几何等。
二、当代量子引力研究进展
我们主要给出超弦／m理论和圈量子引力研究的重大进展。
1.超弦／m理论方面[3]
弦理论简称弦论，虽然在20纪70年代中期，已经知道其中自动包含引力现象，但因存在一些困难，只是到80年代中期才取得突破性进展。
1)80年代超弦理论
弦论发展可粗略分为早期弦理论（70年代）、超弦理论（80年代）和m理论（90年代）三个时期。我们从80年代超弦理论开始，简述其研究进展。
1981年，m·green和j.schwarz提出一种崭新的超对称弦理论，简称超弦理论，认为弦具有超对称性质，弦的特征长度已不再是强子的尺度（～10[-13]厘米），而是planck尺度（～10[-33]厘米）。
1984年，green和schwarz证明[4]，当规范群取为so(32)时，超弦i型的杨－mills反常消失，4粒子开弦圈图是有限的。
1985年，d.gross,j.harvey[5]等4人提出10维杂化弦概念，这种弦是由d=26的玻色弦和d=10超弦混合而成。杂化弦有e[,8]×e[,8]和so(32)两种。
同年，p.candlas,g.horowitz,a.strominger和e.witten[6]对10维杂化弦e[,8]×e[,8]的额外空间6维进行紧致化，最重要的一类为calabi－丘流形。但是这类流形总数多到数百万个，应该根据什么原则来选取作为我们世界的c－丘流形，至今还不清楚，虽然近10多年来，这方面的努力从来未中断过。
1986年，提出建立超弦协变场论问题，促进了对非微扰超弦理论的探讨。在诸种探讨方案中，以e.witten的非对易几何最为突出[7]。
同年，人们详细地研究了超弦唯象学，例如e[,6]以下如何破缺及相应的物理学，对紧致空间已不限于c－丘流形，还包括轨形(orbifold)、倍集空间等。
人们常把1984-86年期间对超弦研究的突破，称为第一次超弦革命。在此期间建立了超弦的五种相互独立的10维理论，而且是微扰的。它们是i型、iia型、iib型、杂化e[,8]×e[,8]型和so(32)型。
2)90年代m理论
经过80年代末期和90年代初期，对超弦理论的对偶性、镜对称及拓扑改变等的研究，到1995年五种超弦微扰理论的统一性问题获得重大突破，从此第二次超弦革命开始出现。
1995年，witten在南加州大学举行的95年度弦会议上发表演讲，点燃起第二次超弦革命。witten根据诸种超弦间的对偶性及其在不同弦真空中的关联，猜测存在某一个根本理论能够把它们统一起来，这个根本理论witten取名为m理论。这一年内witten、p.horava、a.dabhulkar等人，给出ⅱa型弦和m理论间的关系[8]、i型弦和杂化so(32)型弦间的关系、杂化弦e[,8]×e[,8]型和m理论间的关系等。
1996年，j.polchinski、p.townscend、c.baches等人认识到d-branes的重要性。积极进行d-branes动力学研究[9]，取得一定成果。同年，a.strominger、c.vafe应用d-brane思想，计算了黑洞这种极端情形的熵和面积关系[10]，得到了和bekenstein-hawking的熵－面积的相同表示式。g.callon、j.maldacena对具有不同角动量与电荷的黑洞所计算的结果指出，黑洞遵从量子力学的一般原理。g.collins探讨了量子黑洞信息损失问题。
1997年，t.banks、j.susskind等人提出矩阵弦理论，研究了m理论和矩阵模型间的联系和区别。
同年，maldacena提出ads/cft对偶性[11]，即一种anti-de sitter空间中的iib型超弦及其边界上的共形场论之间的对偶性假设，人们称为maldacena猜测。这个猜测对于我们世界的randall-sundrum膜模型的提出及hawking确立果壳中宇宙的思想，都有不少的启示。
2.圈量子引力方面[12]
1)二十世纪80年代
1982年，印度物理学家a.sen在phys.rev.和phys.lett.上相继发表两篇文章，把广义相对论引力场方程表述成简单而精致的形式。
1986年，a.ashtekar研究了sen提出的方程，认为该方程已经表述了广义相对论的核心内容。一年后，他给出了广义相对论新的流行形式，从而对于在planck标度的空间时间几何量，可以进行具体计算，并作出精确的数量性预言。这种表述是此后正则量子引力进一步发展的关键。
同年，t.jacobson和l.smolin求出wilson圈解。在引进经典ashtekar变量后，他们在圈为光滑且非自相交情形下，求出了正则量子引力的wdw方程解。此后，他们又找到了即使在圈相交情况下的更多解。
1987年，由于hamiltonian约束的wilson圈解的发现，c.revolli和smolin引进观测量的经典possion代数的圈表示，并使微分同胚约束用纽结(knot)态完全解出。
1988年，v.husain等人用纽结理论(knot theory)，研究了量子约束方程的精确解及诸解间的关系，从而认为纽结理论支配引力场的物理量子态。同年，witten引进拓朴量子场论(tqft)的概念。
2)二十世纪90年代
1990年，rovelli和smolin指出，对于在大尺度几何近似变为平直时态的研究，可以预言planck尺度空间具有几何断续性。对于编织的这些态，在微观很小尺度上具有“聚合物”的类似结构，可以看作为j.wheeler时空泡沫的形式化。
1993年，j.iwasaki和rovelli探讨了量子引力中引力子的表示，引力子显示为时空编织纤维的拓朴修正。
1994年，rovelli和smolin第一次计算了面积算子和体积算子的本征值[13]，得出它们的本征谱为断续的重大结论。此后不久，物理学者曾用多种不同方法证明和推广这个结论，指出在planck标度，空间面积和体积的本征谱，确实具有分立性。
1995年，rovelli和smolin利用自旋网络基[14]，解决了关于用圈基所长期存在的不完备性困难。此后不久，自旋网络形式体系，便由j.baez彻底阐明。
1996年，rovelli应用k.krasnov观念，从圈量子引力基本上导出了黑洞熵的bekenstein-hawking公式[15]。
1998年，smolin研究圈和弦间的相似性，开始探讨圈量子引力和弦论的统一问题。
三、当代量子引力理论主要成就
1.超弦／m理论方面
1)弦及brane概念的提出
广义相对论中的奇性困难、量子场论中的紫外发散本质、朴素量子引力中的重正化问题，看来都起源于理论的纯粹几何的点模型。超弦理论提出轻子、夸克、规范粒子等微观粒子都是延伸在空间的一个区域中，它们都是1维的广延性物质，类似于弦状，其特征长度为planck长度。m理论更推广了弦的概念，认为粒子类似于多维的brane，其线度大小为planck长度。为简单起见，我们把brane也称作膜。超弦／m理论中，用有限大小的微观粒子替代粒子物理标准模型中纯粹几何的点粒子，这是极为重要且富有成效的革命性观念。
2)五种微扰超弦理论
这五种超弦的不同在于未破缺的超对称荷的数目和所具有的规范群。i型有n=1超对称性，含有开弦和闭弦，开弦零模描述杨－mills场，闭弦零模描述超引力。ⅱa型有n=2超对称性，旋量为majorana-weyl旋量，不具有手征性，自动无反常，只含有闭弦，零模描述n=2超引力。iib型同样有n=2超对称性，具有手征性。杂化弦是由左旋d=10超弦和左旋d=26玻色弦杂化而成，只包含可定向闭弦，有手征性和n=1超对称性，可以描述引力及杨－mills作用。
3)超弦唯象学
从唯象学角度来看，杂化弦型是重要的，e[,8]×e[,8]是由紧致16维右旋坐标场(26-10=16)而产生的，即由16维内部空间紧致化而得到，也就是说在紧致化后得到d=10，n=1，e[,8]×e[,8]的超弦理论。
但是迄今为止，物理学根据实验认定我们的现实空间是三维的，时间是一维的，把四维时空(d=4)作为我们的现实时空。因此我们必须把10维时空紧致化得到低能有效四维理论，为此人们认为从d=10维理论出发，通过紧致化有
m[10]m[4]×k
此中k为c－丘流形，此内部紧致空间维数为10-4=6，m[4]为minkowski空间，从而得到4维minkowski空间低能有效理论。其重要结论有：
(1)由d=10,e[,8]×e[,8]超弦理论（m[10]中规范群为e[,8]×e[,8]）紧致化为d=4，e[,6]×e[,8]、n=1超对称理论。
(2)夸克和轻子的代数ng完全由k流形的拓朴性质决定：为euler示性数χ，系拓朴不变量。
(3)对称破缺问题。已知超弦四维有效理论为n=1，规范群为e[,6]×e[,8]的超对称杨—mills理论，现实模型要求破缺。首先由第二个e[,8]进行超对称破缺，然后对大统一群e[,6]已进行破缺，从而引力作用在e[,8]中，弱、电、强作用在e[,6]中，实现了四种作用的统一。
4)t和s′对偶性
尽管五种超弦理论在广义相对论和量子力学统合上，取得了不少进展，但是五种超弦理论则是相互独立的，理论却是微扰的。尽管在超弦唯象学中，原则上－丘流形k一旦固定下来，在d=4时空中所有零质量费米子和玻色子（包括higgs粒子）就会被确定下来，但是－丘真空态总数则可多到数百万个，应该根据什么原则来选取－丘真空态，目前还不清楚。t对偶性和s对偶性的提出，正是五种超弦理论融通的主要桥梁。
在m理论的孕育过程中，对偶性起了重要作用。弦论中存在着一种在大小紧致空间之间的对偶性。例如ⅱa型弦在某一半径为r[,a]的圆周上紧致化和ⅱb型在另一半径为r[,8]的圆周上紧致化，两者是等效的，则有关系r[,b]=(m[2,s]r[,a])[-1]。于是当r[,a]从无穷大变到零时，r[,b]从零变到无穷大。这给出了ⅱa弦和ⅱb弦之间的联系。两种杂化弦e[,8]×e[,8]和so(32)也存在类似联系，尽管在技术性细节上有些差别，但本质上却是同样的。
a.sen证明，在超对称理论中，必然存在着既带电荷又带磁荷的粒子。当这一猜测推广到弦论后，它被称作为s对偶性。s对偶性是强耦合与弱耦合间的对称性，由于耦合强度对应于膨胀子场，杂化弦so(32)和i型弦可通过各自的膨胀子连系起来。
5)m理论和五种超弦、11维超引力间的联系
m理论作为10维超弦理论的11维扩展，包含了各种各样维数的brane，弦和二维膜只是它的两种特殊情况。m理论的最终目标，是用一个单一理论来描述已知的四种作用。m理论成功的标志，在于把量子力学和广义相对论的新理论框架中相容起来。
附图
上面给出五种超弦理论、11维超引力和m理论相容的一个框架示意图[16]，即m理论网络。此网络揭示了五种超弦理论、11维超引力都是单一m理论的特殊情形。当然至今m理论的具体形式仍未给出，它还处于初级阶段。
6)推导量子黑洞的熵－面积公式。
在某些情形下，d-branes可以解释成黑洞，或者说是黑branes，其经典意义是任何物质（包括光在内）都不能从中逃逸出的客体。于是开弦可以看成是具有一部分隐藏在黑branes之内的闭弦。hawking认为黑洞并不完全是黑的，它可以辐射出能量。黑洞有熵，熵是用量子态来衡量一个系统的无序程度。在m理论之前，如何计算黑洞量子态数目是没有能力的。strominger和vafa利用d-brane方法，计算了黑－branes中的量子态数目，发现计算所得的的熵－面积公式，和hawking预言的精确一致，即bekenstein-hawking公式，这无疑是m理论的一个卓越成就。
对于具有不同角动量和电荷的黑洞所计算结果指出，黑洞遵从量子力学的一般原理，这说明黑洞和量子力学是十分融洽的。
2.圈量子引力方面
1)hamiltonian约束的精确解。
圈量子引力惊人结果之一，是可以求出hamiltonian约束的精确解。其关键在于hamiltonian约束的作用量，只是在s－纽结的结点处不等于零。所以不具有结点的s－纽结，才是量子einstein动力学求出的物理态。但是这些解的物理诠释，至今还是模糊不清的。
其它的多种解也已求得，特别是联系连络表示的陈－simons项和圈表示中的jones多项式解，j.pullin已经详细研究过。witten用圈变换把这两种解联系起来。
2)时间演化问题
人们试图通过求解hamiltonian约束，获得在概念上是很好定义的、并排除冻结时间形式来描述量子引力场的时间演化。一种选择是研究和某些物质变量相耦合的引力自由度随时间演化，这种探讨会导致物理hamiltonian的试探性定义的建立，并在强耦合微扰展开中，对s纽结态间的跃迁振幅逐级进行考查。
3)杨－mills理论的重正化问题
t.thiemann把含有费米子圈的量子引力，探索性地推广到杨－mills理论进行研究。他指出在量子hamiltonian约束中，杨－mills项可以严格形式给出定义。在这个探索中，紫外发散看来不再出现，从而强烈支持在量子引力中引进自然切割，即可摆脱传统量子场论的紫外发散困难。
4)面积和体积量度的断续性
圈量子引力最著名的物理成果，是给出了在planck标度的空间几何量具有分立性的论断。例如面积
此中lp是planck长度，j[,i]是第i个半整数。体积也有类似的量子化公式。
这个结论表明对应于测量的几何量算子，特别是面积算子和体积算子具有分立的本征值谱。根据量子力学，这意味着理论所预言的面积和体积的物理测量必定产生量子化的结果。由于最小的本征值数量级是planck标度，这说明没有任何途径可以观测到比planck标度更小的面积（～10[-66]厘米[2]）和体积（～10[-99]厘米[3]）。从此可见，空间由类似于谐振子振动能量的量子所构成，其几何量本征谱具有复杂结构。
5)推导量子黑洞的熵－面积公式
已知schwarzchild黑洞熵s和面积a的关系，是bekenstein和hawking所给出，其公式为：
附图
这里k是boltzman常量，是planck常量，g[,n]为牛顿引力常量，c为光速。对这个关系式的深层理解和由物理本质上加以推导，m理论已经作过，现在我们看下圈量子引力的结果。
应用圈量子引力，通过统计力学加以计算，krasnov和rovelli导出
附图
此处γ为任意常数，β是实数(～1/4π)，显然如果取γ＝β，则由式(3)即可得到式(2)。这就是说，从圈量子引力所得出的黑洞熵－面积关系式，在相差一个常数值因子上和bekenstein-hawking熵－面积公式是相容的。
bekenstein-hawking熵公式的推导，对圈量子引力理论是一个重大成功，尽管这个事实的精确含义目前还在议论，而且γ的意义也还不够清楚。
四、量子引力理论的哲学反思
我们从空间和时间的断续性、运动（相互作用）基本规律的统一性、物质结构基本单元的存在性三个方面进行哲学探讨。
1.空间和时间的断续性
当代基础物理学的核心问题，是在planck标度破除空间时间连续性的经典观念，而代之以断续性的量子绘景。量子引力理论对空间分立性的揭示和论证，看来是最为成功的。
超弦／m理论认为，我们世界是由弦和brane构成的。根据弦论中给出的新的不确定性关系，弦必然有位置的模糊性，其线度存在一有限小值，弦、膜、或brane的线度是planck长度，从而一维空间是量子化的。由此推知，面积和体积也应该是量子化的。二维面积量子的数量级为10[-66]厘米[2]，三维体积量子的数量级为10[-99]厘米[3]等。
对于圈量子引力，其最突出的物理成果是具体导出了计算面积和体积的量子化公式。粗略说来，面积的数量级是planck长度lp的二次方，体积的数量级是lp的三次方。这就令人信服地论证了在planck标度，面积和体积具有断续性或分立性，从而根本上否定了空间在微观上为连续性的经典观念。
依据空间和时间量度的量子性，芝诺悖论就是不成立的，阿基里斯在理论上也完全可以追上在他前面的乌龟。类似的，《庄子·天下》篇中的“一尺之捶，日取其半，万世不竭”这个论断在很小尺度上显然也是不成立的。古代哲学中这两个难题的困人之处，从空间时间断续性来看，是由于预先设定了空间和时间的度量，始终是连续变化的经典性质。实际上在微观领域，空间和时间存在着不可分的基本单元。
2.运动（相互作用）基本规律的统一性
20世纪基础物理学巨大成功之一，就是建立了粒子物理学的标准模型，理论上它是筑基于量子规范场论的。这个模型给出了夸克、轻子层次强、弱、电作用的su(3)×su(2)×u(1)规范群结构，在一定程度上统一了强、弱、电三种相互作用的规律。但是它不含有引力作用。
超弦／m理论的探讨，在于构建包含引力在内的四种作用统一的物理理论。传递不同相互作用的粒子如光子（电磁作用）、弱玻色子（弱作用）、胶子（强作用）和引力子（引力作用），对应于弦的各种不同振动模式，夸克、轻子层次粒子间的作用，就是弦间的相互作用。在planck标度，超弦／m理论是四种基本作用统一理论的最佳侯选者，也就是所说的万物理论(theory of everything)的最佳侯选者。
在planck时期，物质运动或四种作用基本规律的统一性，正是反映了我们宇宙在众多复杂性中所显现的一种基本简单性。
3.物质微观结构的基本单元的存在性[17]
世界是由物质构成的，物质通常是有结构的，但是物质结构在层次上是否具有基本单元，即德谟克利特式的“原子”是否存在？这是一个长期反复争论而又常新的课题。当代几种不同的量子引力，尽管对某些问题存在着不同的见解，但是关于这个问题从实质上来看，却给出了一致肯定的回答。
超弦／m理论认为，构成我们世界的物质微观基本单元是具有广延性的弦和brane，并非所谓的只有位置没有大小的数学抽象点粒子。粒子物理学标准模型中的粒子，都是弦或brane的激发。弦和brane的线度是有限短的planck长度，它们正是构成我们世界的物质基本单元，即德谟克利特式的“原子”，这是超弦／m理论为现今所有粒子提供的本体性统一。
圈量子引力给出了在planck标度面积和体积的量子化性质，即断续的本征值谱，面积和体积分别存在着最小值。由于在圈量子引力中，脱离引力场的背景空间是不存在的，而引子场是物质的一种形态，因此脱离物质的纯粹空间也就是不存在的。空间体积和面积的不连续性和基本单元的存在，正是物质微观结构的断续性和基本单元的存在性的最有力论据。
总之，超弦／m理论和圈量子引力从不同的侧面，对量子引力的本质和规律作出了一定的揭示，它们在planck标度领域一致地得出了空间量子化和物质微观结构基本单元存在的结论。这无疑是人们在20世纪末期对我们世界空间时间经典观念的重大突破，也是广义相对论和量子力学统合的成果；同时更是哲学上关于空间和时间是物质存在的客观形式，没有无物质的空间和时间，也没有无空间和时间的物质学说的一曲凯歌！
【参考文献】
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量子化学论文篇7
关键词：采购;数字资源；比例；影响因子
中图分类号：F49文献标识码：A文章编号：1672-3198（2012）15-0169-02
数字资源是高校图书馆的核心组成部分，其在图书馆资源采购中的比例也处于逐年攀升的状态，甚至在很多馆中，数字资源的采购总量已经超出了传统纸质文献资源的采购。同时，伴随着数字技术与计算机技术的发展，读者对数字资源的接受程度也日益增强。IPAD，智能手机，平板电脑等新设备的出现，也使得数字资源的使用不再仅仅局限于传统的计算机，各式各样的移动设备都是读者获取、使用数字资源的平台，空间、地域都不在是获取资源的限制。因此，如何选取适合于高校图书馆，适合于高校读者群的数字资源已经成为图书馆工作中的重中之重。
1 当前高校图书馆数字资源采购的现状
目前，高校图书馆的数字资源采购并没有一个科学的规范与量化的比对，通常是数据库提供商将其开发的产品推荐给图书馆数字资源采购部门，采购部门觉得适合学校的发展情况就将其作为试用数据库提供给用户使用，然后根据试用情况的结果并结合当年的经费划拨情况决定是否购买。同时，学术界也有一些针对数字资源质量评价体系建立等方面的研究，虽然对于开展采购工作有一定的参考作用，但在实际操作中还存在着一些问题。图书馆需要一套数字资源采购评价体系量化了解自身的数字资源结构，量化了解适合学校学科发展的数字资源结构，才能做好数字资源的采购工作，更好的为用户服务，为学校学科发展奠定基础。
笔者认为，由于现阶段无成型的数字资源采购评价体系，导致图书馆无法量化了解自身的数字资源特性，也导致图书馆无法量化了解学校在学科角度上对数字资源均衡性的要求。因而图书馆在数字资源采购中容易凭借自身的偏好，而不能系统、正确的看待整个学校在学科类别上的均衡。最终导致图书馆在数字资源的采购问题上有失偏颇，资源结构不合理，投入大，产出小，未能全面均衡学校所有院系、学科的资源需求。
2 建立数字资源评价采购体系的意义
要做出合理的数字资源采购决策，需要了解图书馆自身资源针对学校学科专业的结构比例，需要了解学校学科发展所需要的资源结构比例，而这些并不能单凭部门的喜好来决定，需要有一个科学、量化的过程，用数据说话，用事实说话，才能作出正确的判断。
理想的数字资源评价采购体系可以对数字资源从学校学科专业的角度进行量化比对，有助于图书馆了解自身数字资源结构特点。同时可以对学校院系、学科的数字资源需求进行量化比对，得到适合学校学科发展的数字资源结构比例。
科学获得数字资源现状和数字资源需求现状的量化数据后，图书馆可为数字资源采购作出整体规划。进而从科学量化的角度做好数字资源评估采购工作，避免采购工作中的盲目性，均衡各院系专业间的资源需求，构建适合学校学科建设的数字资源结构体系，为学校学科发展夯实基础，做好铺垫。
3 科学建立数字资源评价采购体系
3.1 了解图书馆现有数字资源结构
目前，高校的学科、专业日趋多样化，专业之间的交叉也较为普遍，例如外语专业的学生并不是单纯的学习外语，还需要掌握计算机的知识，而计算机专业的学生也不是单纯的学习计算机技术，还需要适当的掌握外语。同时，数字资源之间也同样存在的交叉、覆盖、重复的问题。因此按学校学科类别对所有数字资源进行分析统计是一件复杂的工作，需要仔细的按系统化来清理，按量化来操作，详尽科学的分析是研究的基础，这样才能得出对学校发展有益的真实数据。
高校购买的数字资源包括期刊论文、博士论文、硕士论文、会议论文、电子书、试题、音视频文件等，需要根据内容分配不同的影响因子，一般来讲，博士论文的学术价值要大于硕士论文，影响因子就会较大，而期刊论文的划分更为复杂，以我校为例，《湖北经济学院学术期刊分级分类目录（2007年版）》（简称《目录》）是依据《2006年度CSSCI来源期刊目录》（南京大学）、《中文核心期刊目录总揽》（2004年版，北京大学图书馆）和《2006年版中国科技期刊引证报告（核心版）》，并结合我校实际情况制定的，《目录》中的期刊分为A、B、C、D、E五个级别。对于不同等级的期刊需要给予不同的影响因子。电子书中有专业性书籍与一般性书籍的区别，音视频文件中也有专业性教学内容与一般性科普内容的区别，因而也需要给予各自不同的影响因子。
影响因子的确立不能盲目确定，需要集中专家、学者的力量统一定制，需要考虑到各个方面的综合影响，如期刊成立的时间，花费的成本，学术界影响等等因素都需要兼顾。而且随着数字技术的发展，数字资源的类型可能还会增加，需要根据不同的情况给出不同的影响因子。
假设以10作为最大影响因子，博士论文与A级期刊的影响因子为10，B级期刊的影响因子为9，硕士论文、会议论文、与C级期刊的影响因子为8，D级期刊与专业性电子书的影响因子为7，E级期刊的影响因子为6，F级期刊与专业性教学类音视频文件的影响因子为2.5，试题类的影响因子为1.5，科普性书籍、一般性杂志与科普性音视频文件的影响因子为1。
依据制定好的数字资源影响因子就可以结合数据库在院系、专业中的具体应用而得出院系、专业实质上占有数字资源的比例。
量子化学论文篇8
1、量子化是一种从经典场论建构出量子场论的程序。
2、使用这程序，时常可以直接地将经典力学里的理论量身打造成崭新的量子力学理论。物理学家所谈到的场量子化，指的就是电磁场的量子化。在这里，他们会将光子分类为一种场量子（例如，称呼光子为光量子）。
3、对于粒子物理学，原子核物理学，固体物理学和量子光学等等学术领域内的理论，量子化是它们的基础程序。
4、在经典物理学中，对体系物理量变化的最小值没有限制，它们可以任意连续变化。但在量子力学中，物理量只能以确定的大小一份一份地进行变化，具体有多大要随体系所处的状态而定。这种物理量只能采取某些分离数值的特征叫作量子化。
（来源：文章屋网 ）
量子化学论文篇9
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关键词：2013年诺贝尔化学奖；理论与计算化学；计算机辅助；模型化学
文章编号：1005?6629（2014）3?0011?04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
2013年的诺贝尔化学奖被授予了Martin Karplus、Michael Levitt以及Arieh Warshel三位美国科学家，以表彰他们在发展复杂化学体系多尺度模型方面所做出的杰出贡献。我们知道，长久以来，化学学科的奠基和发展始终离不开化学家在实验室中的辛勤劳动，但与此同时，随着实践知识的不断丰富和完善，以及运算能力的突飞猛进，理论和计算化学有可能也应当在新世纪在化学学科的传统领域发挥更大的作用。当前，解开每个人生命背后的谜团也是人们的兴趣所在。Karplus，Levitt和Warshel三位科学家将经典力学模拟方法结合最新发展的量子物理计算方法，为建立和发展多尺度复杂模型的理论模拟研究做出了基础性的贡献。那么，到底什么是理论模拟方法？它有什么重要的科学意义？对我们又有什么启迪？
1 理论与计算化学的建立和发展历程
20世纪初量子力学的发现为科学家们打开了深层次研究分子和原子的大门。量子力学中著名的薛定谔方程以其优美简洁的形式描述了原子和分子的重要组成部分――电子的行为[1]。1927年，Walter Heitler以及Fritz London两位科学家利用薛定谔方程解开了氢气分子电子结构[2]，理论化学从此悄然兴起。随后，价键理论[3]、Hartree-Fock理论[4]、分子轨道理论[5]等的建立极大地丰富了理论化学的内容。从此，化学学科可以说与物理学一样，开始了真正的两条腿走路，而不再只是依靠实验知识的获取跛足而行。
早在20世纪50年代，科学家利用半经验的方法对原子轨道进行了计算。50至60年代期间，各种各样基于现代量子理论的计算已经被用来计算一些简单分子的电子结构和相互作用。20世纪70年代，例如Gaussian？、ATMOL？、IBMOL？等量子化学计算软件的开发也扩充了计算化学的内涵。
与此同时，新的化学合成与表征技术的开发使得越来越多新颖的分子被制造出来，人们不仅需要认识这些新分子，而且也需要借助一定手段来指导新分子的合成。在这样的前提下，就需要借助计算机对分子进行模拟。
1990年，密度泛函理论（Density Functional Theory）的提出将理论和计算化学带到了一个新纪元。和以往的方法相比，密度泛函理论解决了以往的分子模型中电子交换和相关作用的近似，由其得出的分子几何结构和电子结构的预测与实验数据吻合得非常好。直至目前，密度泛函理论依然是分子和化学反应模拟中最重要也是最为常用的方法，两位科学家Walter Kohn[6]和John Pople[7]因为分别发展了密度泛函理论以及将这种量子力学计算方法融入到计算化学中去而获得了1998年的诺贝尔化学奖，这是诺贝尔化学奖第一次被授予理论和计算化学领域的科学家。获奖者之一的Pople也是著名量子化学计算软件Gaussian[8]的开发者之一，该软件在2009年又进行了一次更新，是当今功能最完善、计算最有效、生命力最长的量子化学计算软件。
目前，专门刊登量子化学理论、模型化学和计算化学的学术期刊也纷纷涌现，如，美国化学会（American Chemistry Society）下已有Journal of Chemical Information and Modeling， Journal of Chemical Theory and Computation， Journal of Physical Chemistry A三本期刊出版，而著名学术出版集团Elsevier也有Journal of Molecular Graphics and Modeling， Journal of Molecular Modeling， International Journal of Quantum Chemistry和Computational and Theoretical Chemistry等专刊，国内也有例如《物理化学学报》和《计算机及应用化学》等期刊。
2 复杂化学体系多尺度模型的建模以及应用
1976年，Michael Levitt和Arieh Warshel二人提出了酶催化生物化学反应的通用理论研究方法[10]。这个方法将生物酶-底物间的复合物和溶剂作用一起考虑在整个体系之内，并且用量子力学和经典力学两种方法探讨了所有可能影响催化路径的因素。其中，量子力学包含了酶-底物键的断裂，底物与酶结合时电荷的重新分布；而经典力学部分则考虑了酶和底物之间的立体作用能和静电作用能。综合考虑以上两点，两位作者以一种水解酶裂解糖苷键为实例，首次进行了水解酶-糖苷这个复杂化学体系多尺度模型的理论计算（图1）。如今复杂化学体系的QM/MM方法已经被广泛应用到酶-底物催化反应，有机反应以及DNA/RNA的相关研究中去。
那么，如何建立一个合理的多尺度复杂模型？科学家们和软件工程师们通力合作开发出了各种功能强大的分子建模和可视化软件。对于小分子的构建，最为常用的为PerkinElmer公司下属的剑桥软件公司开发的ChemBioOffice？系列软件，包括了ChemBioDraw？和ChemBio 3D？两个模块（图2）。当在软件窗口的右侧ChemDraw？面板画出感兴趣的分子后，左边的窗口就会立即显示出分子的3D模型。本软件还包括了其他很多内容，例如对分子进行简单的几何结构优化操作或者分子动力学计算，根据计算结果画出分子的部分电荷、分子轨道等信息。
GaussView？是Gaussian公司开发的用于分子建模的软件包，目前已经更新到GaussView5.0b版本。此软件包的功能类似于ChemBioOffice？，该软件并不如ChemBioOffice？那样还具有计算功能，而只是作为量子化学计算软件Gaussian？的图形输入接口，图3是利用GaussView？创建了联苯分子，当利用Gaussian？软件对分子进行计算完毕之后，也能够展示分子轨道的图形。
以上两种软件不仅可以在各自的软件内部进行计算，而且ChemBioOffice？软件还提供了Gaussian？计算软件的接口。我们可以在ChemBioOffice？中构建完小分子，并设置运行参数之后在Gaussian？中进行对应的计算。
在一个复杂化学体系中，往往还要涉及到生物大分子的构建。现在科学家们已经构建起了大分子结构库，最著名就是由美国布鲁克海文（Brookhaven）国家实验室建立的蛋白质数据库（Protein Data Bank，http：// rcsb.org）。库内包含了蛋白质、多肽、DNA、RNA等95644个晶体结构数据。我们可以通过下载数据来得到生物大分子的晶体结构。
Accelrys公司开发的Discovery Studio Client？软件能够读取从Protein Data Bank下载的pdb文件，如图4展示的是Discovery Studio Client？的界面，展示了人体血清白蛋白和一种DNA的结构。
此外，Discovery Studio Client？还具有将小分子和大分子组装结合在一起的功能，如图5分别是将一种长链的污染物分子结合到了脂肪酸结合酶和人体血清白蛋白中，这就完成了一个复杂化学体系的模型构建。
VMD？软件也是一种常用的可视化软件，相对于Discovery Studio Client？，其功能更侧重于动态展现动力学情况下分子的运动和形变情况。图6则是VMD？软件的界面以及其展示的人体血清白蛋白分子和DNA分子。
在分子建模完成之后，就可以对一个建立完成的化学体系进行理论的计算，预测这个复杂化学体系的物理化学性质。对于一个多尺度模型的计算，计算方法的选择也是多尺度的。首先，对需要模拟的化学反应的区域要进行界定。在界定了这个区域之后，必须对这个区域内的分子进行高精度的量子化学计算，模拟或预测该区域内可能存在的化学键以及键的断裂。在界定的反应区域之外，由于不牵涉到化学反应，所以不需要高精度的量子化学计算方法，而只需要相对简单的半经验的计算方法或者更简单的分子力学方法进行计算。总而言之，这就是复杂化学体系多尺度模型的计算，即QM/MM计算。涉及量子化学部分的QM计算，需要用到包含量子化学计算的软件，例如最著名的Gaussian？，GAMESS？等。在这些软件中，也可以采用ONIOM方法[12]进行计算。
3 复杂化学体系多尺度模型建立的科学意义及其展望
结合理论以及计算化学发展本身的历程来看，复杂化学体系多尺度模型具有十分重要的科学意义。首先，此模型的建立使我们从简单分子的化学反应进入到了生物大分子体系的理论计算研究。利用理论计算这个强有力的工具，生命科学的奥秘将很快被解开，人们对生命科学背后的化学机制的认识将会上升到分子层面，对带动化学，乃至生命科学学科具有举足轻重的作用。其次，多尺度模型的建立也能够促进理论和计算化学本身的发展，丰富理论和计算化学本身的内涵，并且随着研究体系的进一步复杂化，将在现有的多尺度基础上提出新的超尺度模型的可能。
此外，作为一门交叉学科，理论和计算化学的发展也势必会带动其他相关学科的进一步发展。90年代开始，纳米学科蓬勃发展，各种新材料如雨后春笋般出现，得益于理论化学中平面波和赝势（即将离子实的内部势能用假想的势能取代真实的势能，但在求解波动方程时，不改变能量本征值和离子实之间区域的波函数）的发展，对具有周期性结构的晶体材料性质的模拟和预测也成为可能。目前，已经有Material Studio？、VASP？等多种模拟软件。在药物合成方面，计算机辅助药物合成的概念已经深入人心（Computer-aided Drug Design）。顾名思义，计算机辅助药物设计利用计算化学这个强有力的工具来发现或者研究具有生物活性的药物分子的行为，其最基本的目标就是通过计算化学来预测一个分子与靶生物分子是否会结合，并且其结合能力有多强，能够实现这一功能的软件则包括了GOLD？、SYBYL？等等。
可以说，理论和计算化学已经成为辅助化学家们探索世界的重要工具，也成为了指引科学家探索未知世界的新罗盘。
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