量子化學

量子化學是理論化學的一個分支學科，是應用量子力學的基本原理和方法，研究化學問題的一門基礎科學。

　　1927年海特勒和倫敦用量子力學基本原理討論氫分子結構問題，說明了兩個氫原子能夠結合成一個穩定的氫分子的原因，并且利用相當近似的計算方法，算出其結合能。由此，使人們認識到可以用量子力學原理討論分子結構問題，從而逐漸形成了量子化學這一分支學科。

　　量子化學的發展歷史可分兩個階段：第一個階段是1927年到20世紀50年代末，為創建時期。其主要標志是三種化學鍵理論的建立和發展，分子間相互作用的量子化學研究。在三種化學鍵理論中，價鍵理論是由鮑林在海特勒和倫敦的氫分子結構工作的基礎上發展而成，其圖象與經典原子價理論接近，為化學家所普遍接受。

　　分子軌道理論是在1928年由馬利肯等首先提出，1931年休克爾提出的簡單分子軌道理論，對早期處理共軛分子體系起重要作用。分子軌道理論計算較簡便，又得到光電子能譜實驗的支持，使它在化學鍵理論中占主導地位。

　　配位場理論由貝特等在1929年提出，最先用于討論過渡金屬離子在晶體場中的能級分裂，后來又與分子軌道理論結合，發展成為現代的配位場理論。

　　第二個階段是20世紀60年代以后。主要標志是量子化學計算方法的研究，其中嚴格計算的從頭算方法、半經驗計算的全略微分重疊和間略微分重疊等方法的出現，擴大了量子化學的應用范圍，提高了計算精度。

　　1928～1930年，許萊拉斯計算氦原子，1933年詹姆斯和庫利奇計算氫分子，得到了接近實驗值的結果。70年代又對它們進行更精確的計算，得到了與實驗值幾乎完全相同的結果。計算量子化學的發展，使定量的計算擴大到原子數較多的分子，并加速了量子化學向其他學科的滲透。

　　量子化學的研究范圍包括穩定和不穩定分子的結構、性能，及其結構與性能之間的關系；分子與分子之間的相互作用；分子與分子之間的相互碰撞和相互反應等問題。

　　量子化學可分基礎研究和應用研究兩大類，基礎研究主要是尋求量子化學中的自身規律，建立量子化學的多體方法和計算方法等，多體方法包括化學鍵理論、密度矩陣理論和傳播子理論，以及多級微擾理論、群論和圖論在量子化學中的應用等。應用研究是利用量子化學方法處理化學問題，用量子化學的結果解釋化學現象。

　　量子化學的研究結果在其他化學分支學科的直接應用，導致了量子化學對這些學科的滲透，并建立了一些邊緣學科，主要有量子有機化學、量子無機化學、量子生物和藥物化學、表面吸附和催化中的量子理論、分子間相互作用的量子化學理論和分子反應動力學的量子理論等。

　　三種化學鍵理論建立較早，至今仍在不斷發展、豐富和提高，它與結構化學和合成化學的發展緊密相聯、互相促進。合成化學的研究提供了新型化合物的類型，豐富了化學鍵理論的內容；同時，化學鍵理論也指導和預言一些可能的新化合物的合成；結構化學的測定則是理論和實驗聯系的橋梁。

　　其它化學許多分支學科也已使用量子化學的概念、方法和結論。例如分子軌道的概念已得到普遍應用。絕對反應速率理論和分子軌道對稱守恒原理，都是量子化學應用到化學反應動力學所取得的成就。

　　今后，量子化學在其他化學分支學科的研究方面將發揮更大的作用，如催化與表面化學、原子簇化學、分子動態學、生物與藥物大分子化學等方面。