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量子力学在化学中的应用范文1
本书分成三大部分共15章：第一部分 引言，包括第1-4章：1.量子生物学：引言；2.用开放量子系统来探讨生物系统；3.广义Frster共振能的转换；4.多维电子光谱的原理。第二部分 在微生物光合成能量转换中的量子效应，包括第5-7章：5.颜料―蛋白质复合物的结构、函数和量子动力学；6.量子相干性的直接观测；7.在环境辅助下的量子输运。第三部分 高级生物体中的量子效应及其应用，包括第8-15章：8.光合作用中激发能的转换及能量守恒；9.蛋白质中的电子传输：根据量子力学的隧道效应，生物体内的电子能直接穿过蛋白质的骨架，这种电子隧道是生物体内能量传递的主要途径；10.用于鸟类导航的化学指南针；11.视网膜的量子生物学；12.嗅觉的量子振动效应；13.从某个视角来看生物体系中可能出现的纠缠；14.仿生量子材料的设计和应用；15.碳纳米管中的相干激发。本书目录的后面有各章作者的简介。书的末尾有参考书目和主题索引。
本书第一编著Masoud Mohseni是谷歌公司资深的研究科学家，他开发了以量子动力学为理论基础的机器学习算法。他在研究量子输运、量子测量以及开放量子体系在生物学中的应用方面做出了突出贡献。
本书是一本适合物理系、生物系和化学系高年级大学生以及研究生用来了解量子力学在生物学中应用的理想的参考书，也是对量子生物学感兴趣的青年科学家和博士后的有益参考书。
量子力学在化学中的应用范文2
关键词：经典理论 量子力学 联系
中图分类号：O413.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）08（a）-0143-02
量子力学于20世纪早期建立以来，经过飞速的发展，逐渐成为现代物理学科中不可分割的一部分。量子力学是现代量子理论的核心，它的发展不仅关乎人类的物质文明，还使人们对量子世界的认识有了革命性的进展[1]。
但是，量子力学并不是一个完备的理论，其体系中还存在许多问题，特别是微观与宏观，即经典理论与量子力学的联系。为解决这些迷惑，历史上相关科学家提出了很多实验与理论。该文旨在以量子力学发展史上提出的几个实验为例，对其进行简单分析，以展示经典理论与量子力学的联系。
1 问题的提出
1935年3月，爱因斯坦等人在EPR论文中提出了“量子纠缠态”的概念，所谓的“量子纠缠态”是以两个及以上粒子为对象的。在某种意义上，“量子纠缠态”可以理解为是把迭加态应用于两个及以上的粒子。若存在两个处于“量子纠缠态”的粒子，那这两个粒子一定是相互关联的，用量子力学的知识去理解，只要人们不去探测，那么每个粒子的状态都不能够确定。但是，假如同时使这两个粒子保持某一时刻的状态不变，也就是说，使两个粒子的迭加态在一瞬间坍缩，粒子1这时会保持一个状态不再发生变化，根据守恒定律，粒子2将会处于一个与粒子1状态相对应的状态。如果二者相距非常遥远，又不存在超距作用的话，是不可能在一瞬间实现两个粒子的相互通信的。但超距作用与当今很多理论是相悖的，于是，这里就形成了佯谬，即“EPR佯谬”。
同年，薛定谔提出了一个实验，后人称之为“薛定谔的猫”。设想把一只猫关在盒子里，盒中有一个不受猫直接干扰的装置，这套装置是由其中的原子衰变进行触发，若原子衰变，装置会被触发，猫会立即死去。于是，量子力学中的原子核衰变间接决定了经典理论中猫的生死。由量子力学可知，原子核应该处于一种迭加态，这种迭加态是由“衰变”和“不衰变”两个状态形成的，那么猫应该也是处在一种迭加态，这种迭加态应该是由“死”与“生”两个状态形成的，猫的生死不再是一个客观存在，而是依赖于观察者的观测。显然，这与常理是相悖的[2]。
这两个佯谬的根源是相同的，都是经典理论与量子理论之间的关系。
2 近代研究进展
2.1 验证量子纠缠的存在
华裔物理学家Yanhua Shih[3]曾做过一个被称为“幽灵成像”的实验，其实验过程及现象大致可以描述为：假设存在一个纠缠光源，这个光源可以发出两种互为纠缠的光子，通过偏振器使两种光子相互分离，令第一束光子通过一个狭缝，第二束不处理，然后观察两束光的投影，结果发现第二束光的投影形状与第一束光通过的狭缝形状完全相同。
人们发现，如果仅仅使用经典理论，实验现象是无法解释的，必须应用量子理论，才能解释“幽灵成像”的现象。这个实验也恰好验证了“量子纠缠”现象的存在。
2.2 量子世界中的欧姆定律
欧姆定律是由德国物理学家Ohm于19世纪早期提出来的，它是一种基于观察材料的电学传输性质得到的经验定律，其内容是：在同一电路中，导体中的电流跟导体两端所加的电压成正比，跟导体自身电阻成反比，即 （U指导体两端电压；R指导体电阻；I指通过导体的电流）。
18世纪二、三十年代，人们认为经典方法在宏观领域是正确的，但是在微观领域将会被打破。Landauer公式给出了纳米线电阻的计算方法，即（h为普朗克常量；e为电子电量；N为横波模式数量）；而在宏观中，（为材料的密度；l为样品的长度；s为样品的横截面积）。由此发现，在宏观领域，样品的电阻是随着样品的长度增加而增加的，而在微观领域，样品的电阻与样品的长度没有关系。
Weber[4]等人制备了原子尺度的纳米线并进行观察，实验发现，在微观领域，欧姆定律也是满足的。Ferry[5]认为样品的电阻是由多种机理所导致的，而他最后得到的结果正是由于多种机理的相互叠加。经过分析，他认为欧姆定律何时开始生效取决于纳米线中电子耗散的力度，力度越大说明开始生效时的尺度越小。但这也同时引发了另一个问题的思考：低温条件下，欧姆定律是仍然成立的，也就是说经典理论仍然成立，但往往是希望在低温下研究比较纯粹的量子效应。低温条件下欧姆定律的成立要求在进行实验研究时，必须花费更多的精力来使得经典理论与量子理论分离开。
2.3 生活中的量子力学――光合作用与量子力学
Scholes等[6]从两种不同的海藻中提取出了一种名为捕光色素复合体的化学物质，并在其正常的生活条件下，通过二维电子光谱术对其作用机理进行了分析研究。他们首先使用了飞秒激光脉冲模拟太阳光来激发这些蛋白，发现了会长时间存在的量子状态。也就是说，这些蛋白吸收的光能能够在同一时刻存在于不同地点，而这实际上是一种量子迭加态。由此可见，量子力学与光合作用是有很大联系的。
3 结语
从近几年来量子力学的基本问题和相关的实验研究可以看出，虽然经典理论与量子理论的联系仍然是一个悬而未决的问题，但是当代科学家已经能够通过各种精妙的实验逐步解决历史遗留的一个个谜团，使得微观领域的单个量子的测量与控制成为可能，并且积极研究宏观现象的微观本质，将生活与量子力学逐渐的联系起来。对于“经典理论与量子力学的联系”这一专题还需要进行不断研究，使量子力学得到进一步完善与发展。
参考文献
[1] 孙昌璞.量子力学若干基本问题研究的新进展[J].物理，2001，30（5）：310-316.
[2] 孙昌璞.经典与量子边界上的“薛定谔猫”[J].科学，2001（3）：2，7-11.
[3] Shih Y. The Physics of Ghost Imaging[J].2008.
[4] Weber B， Mahapatra S， Ryu H， et al. Ohm's law survives to the atomic scale[J].Science，2012，335（6064）：64-67.
量子力学在化学中的应用范文3
只有让学生深刻认识结构化学的重要性，才能使他们产生学习兴趣，激发起学习的动力，充分发挥其主观能动性，使教学达到事半功倍的效果。
(1)结构化学是化学各学科的理论基础。
结构化学为化学各学科提供理论指导，是联系基础化学与高等化学的阶梯。结构化学已经渗透到现代化学的各个领域。以学生学习过的课程为例，无机化学中涉及了原子结构、分子结构、晶体结构和配合物结构等方面的内容;有机化学中运用杂化轨道理论和分子轨道理论说明有机物的结构，使用分子对称性理论描述分子空间结构，利用前线轨道理论解释化学反应机理等;仪器分析中紫外光谱中的电子跃迁、红外光谱中的简正振动、X射线衍射等，都与结构化学知识紧密相关。从这些学生熟悉的课程入手，可使他们很快体会到结构化学的重要基础地位。
(2)结构化学是分子设计的理论基础。
“结构决定性能，性能反映结构”。如果找到某类具有特殊性质的物质的规律性，就能设计出性能更好的分子。结构化学及在其基础上发展起来的计算化学、分子模拟等对分子设计起理论指导作用。为了让学生了解这方面的内容，可用如下实例进行说明。首先以石墨烯为例。碳元素是自然界中分布广泛并且与人类社会发展关系密切的重要元素。碳单质有多种存在形式，主要有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管等，其中石墨烯由于其优良的结构性质而成为材料科学领域的研究热点。在教学中可先向学生提出问题:石墨烯的结构是怎样的呢?这就要从石墨的结构谈起。石墨为层状结构，同层的碳原子间以sp2杂化形成平面共价键，每个碳原子剩余一个p轨道未参与杂化，上面各有一个电子，这些p轨道互相平行且与sp2杂化轨道所在平面垂直，相互重叠形成离域大π键。π电子在整个碳原子平面方向运动，所以石墨可以导电和导热，可以用来制作电极和坩埚。而石墨的层与层之间以微弱的范德华力相结合，容易断开而滑动，所以石墨具有性，可以用来制作剂。石墨烯可以看做是只有一个原子层厚度的单层石墨片。2004年，石墨烯由英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫通过微机械力剥离法制得，二人因在二维空间材料石墨烯方面的开创性实验而获得2010年诺贝尔物理学奖。从结构上来看，石墨烯可以看做是构成富勒烯、碳纳米管和石墨的基本组成单元。将其包裹成球得到富勒烯，沿着固定轴卷曲得到碳纳米管，多层堆叠在一起就形成了石墨。由于石墨烯独特的结构，决定了其具有多种优异特性，如低密度、高强度、良好的导热性、室温下较高的电子迁移率等，这些特性决定了它在半导体工业、材料、力学和光学领域拥有巨大的应用潜力。例如，石墨烯被分割时其基本物理性能并不改变，而硅不能分割成小于10nm的小片，否则将失去其电子性能。因此，石墨烯极有可能成为硅的替代品推动电子信息产业的发展。研究者正在不断对石墨烯的结构进行修饰和改造，以挖掘和发挥其优良性质，优化使用效果，扩大应用范围。通过这个例子，可以让学生深刻感受到结构化学与科技前沿领域的联系，意识到结构、性能、用途三者间的辩证关系。然后以计算机辅助药物设计为例进行讲解。作为在结构化学基础上发展起来的新兴交叉学科，计算化学正在科学领域内逐渐崭露头角。计算化学基于三维分子结构，以量子力学或经典力学原理为指导，确定算法并实现程序，再通过计算机运算来模拟和预测分子体系的性质;计算化学在实际生产中的一个重要应用就是计算机辅助药物设计。例如研究者通过生物学方面的研究，发现了与某类疾病相关的大分子如蛋白质，将其作为靶标(受体)，并且通过X射线晶体衍射或核磁共振等方法测定了其三维结构，尤其是得到其作用(活性)位点的结构。这时就可以通过计算机模拟的方式，在数据库里寻找分子形状和理化性质与受体作用位点相匹配的小分子(配体)，研究受体与配体的详细相互作用信息(包括结构信息和能量信息)，合成并测试这些分子的生物活性，这样就有可能发现新的先导化合物，开发出治愈疾病的药物分子［。这就是基于受体结构的药物设计方法，可为药物开发节省大量时间和资金，已在药物设计方面取得了巨大成功。如HIV-1蛋白酶抑制剂的设计就是一个典型的成功案例，标志着计算机辅助药物设计从方法研究过渡到实际应用阶段。2013年的诺贝尔化学奖授予美国科学家卡普拉斯，莱维特和瓦谢尔，以表彰他们“为复杂化学体系发展多尺度模型”。这个奖项是对计算化学进步的认可，强调了计算化学在科学领域内越来越大的作用。在计算化学领域有两种主要的计算方法，一种是基于量子力学原理的量子力学计算方法，另一种是基于牛顿力学的分子力学/分子动力学模拟方法。将这两种方法有机结合、取长补短而建立起来的量子力学/分子力学方法已获得巨大成功。例如在研究药物分子与蛋白质结合时，对药物及与药物相作用的蛋白部分采取精确的量子力学计算，对蛋白的剩余部分采取快速的分子力学计算，这样就兼顾了准确性和计算量，取得了很好的结果。计算机作为当今化学家的工具就像试管一样重要，模拟是如此真实以至于传统实验的结果也能被计算机预测出来。莱维特曾经这样描述他的一个梦想:利用计算机处理复杂化学过程的能力，实现在分子水平上模拟一个完整生物，构建“数字生命”。通过这个例子，使学生认识到结构化学并非只是“纸上谈兵”，而是具有重要的实际应用，可以激发他们的学习兴趣。最后，向学生介绍结构化学的发展历史，将其发展史与诺贝尔奖紧密联系在一起，进一步突出其重要性。在结构化学中的一些重大科学发现和理论突破基本上都获得了诺贝尔奖。例如在开创量子力学的过程中，普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、泡利、波恩等都获得了诺贝尔物理学奖。另外，在研究物质结构的实验方法方面，如在X射线衍射法、核磁技术和应用、质谱技术、电子显微镜技术等领域，都有很多科学家获得诺贝尔奖。而且还有很多科学家因在结构方面的研究而获奖，如克里克、沃森和威尔金斯发现DNA双螺旋结构，科尔、克罗托和斯莫利发现富勒烯，谢克特曼发现准晶体等。将结构化学的发展史与化学史尤其是诺贝尔奖联系起来，能够培养学生的科学精神和素养，促使他们树立远大的科学理想，使他们获得强大的学习动力。
2结构化学的学习方法
在让学生意识到结构化学的重要性以后，接下来就要结合课程特点传授给他们结构化学的学习方法。首先要重视定理、公式和方法的数学计算和推导。在结构化学中尤其是量子力学部分涉及许多数学和物理方面的内容，比较抽象和难懂。对于定理、公式和方法，学生要尝试跟着教师的板书一起进行计算和推导，只有这样，才能理解这些定理、公式和方法，并有助于记忆。当然，并不是要求学生死记硬背，关键还是理解。要让学生体会到演算、推导和逻辑思维的快乐，感受科学的魅力。其次要提高对空间结构的想象能力。在分子结构和晶体结构等内容中，判断点群、堆积类型、结构型式等都需要发挥学生的空间想象能力。所以对于典型的分子结构和晶体结构要多看多想，通过观察实物模型和计算机三维模型，寻找特点和规律，根据定理和规则，把看到的具体模型简化成抽象结构，体味结构之美。最后要求学生要提前预习和及时复习。结构化学难度高、内容多，不提前预习很难跟上教师的讲课节奏。即使在课堂上听懂了，若课下不及时复习，经过一段时间后就容易忘记。因此，要提前预习以做好课前准备，及时复习以巩固所学知识。另外，要加强习题练习，通过做题来查找学习中的问题，加强对知识的理解。另外，还要向学生说明一些其他教学事宜。如介绍课外参考书和网络教学资源，说明模型实习的具体安排，制定课堂纪律，明确考试考核要求以及成绩构成百分比等。
3结语
量子力学在化学中的应用范文4
系里设立了应用化工专业和化工分析与检验专业（高职专科），专门培养高素质、高技能的化工操作人才，其中，应用化工专业是培养化工总控工的，就业岗位包括化工工艺操作、化工工程操作，化工设备操作、维护，化工仪表控制，化工DCS操作，化工安全管理，化工产品的包装与销售等。
专业的课程设置
由完成工作所需要的能力，确定以下学习领域：1、物理化学的知识体系一般公认的物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面:化学体系的宏观平衡性质以热力学的三个基本定律为理论基础，研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。在这一情况下，时间不是一个变量。属于这方面的内容有化学热力学,溶液、胶体和表面化学。化学体系的微观结构和性质以量子理论为理论基础，研究原子和分子的结构，物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构，以及结构与物性的规律性。属于这方面的内容有结构化学和量子化学。化学体系的动态性质研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。在这一情况下，时间是重要的变量。属于这方面的内容有化学动力学、催化、光化学和电化学。物理化学的主要理论支柱是热力学、统计力学和量子力学三大部分。热力学和量子力学分别适用于宏观和微观系统，统计力学则为二者的桥梁。原则上用统计力学方法能通过个另分子、原子的微观数据来推断或计算物质的宏观现象。物理化学由化学热力学、化学动力学和结构化学三大部分组成。2、应用化工专业所需内容的选择对照操作岗位的知识和能力需要，本着实用、够用，适当拓展的原则，选取化学热力学、化学动力学两大部分，主要内容有物质PVT性质、热力学第一定律、热力学第二定律、热力学在多组分体系和相平衡体系中的应用、化学平衡、化学动力学基础、胶体、粗分散系和表面化学。根据课程内容及深度，决定选用高职高专化学教材编写组编写的《物理化学》（第三版，化学工业出版社）为基本教材，以傅献彩主编《物理化学》（第五版，高等教育出版社）为主要参考资料。3、物理化学课程定位学习物理化学需要大学物理、高等数学、基础化学的基础知识，同时，物理化学又为学习化工设备基础、化工热力学、化学反应工程、煤化工工艺学等课程打下基础。因此，《物理化学》课程是应用化工专业的重要专业课，是其他主要专业课的基础。
基于工作过程的教学方法
确定了内容，就需要对知识按照工艺岗位的实际情况，进行解构和重构，即以工作过程为载体，以工作任务为情境，构建认知系统。通过综合分析周边化工企业生产工艺，归纳典型岗位，决定选取新能凤凰甲醇的生产工艺为载体，对物理化学内容进行重构。新能凤凰甲醇的生产采用的是德士古技术工艺，主要工段有空气分离制取液氧，制取水煤浆，水煤浆燃烧气化，甲醇合成与精制，各工段对应的知识如下表：（表略）通过完成任务，提高了学生掌握知识的目的性；在学生自主决策与计划中，激发其主观能动性，掌握解决问题的方法与步骤；通过任务实施，培养其动手实践能力；通过教师的检查与评价，让学生体验成功的愉悦，激发其学习的兴趣，提高学习效率和效果。
量子力学在化学中的应用范文5
1 核磁共振磁矩理论介绍
1.1 磁矩概念介绍
核磁共振理论中一个最重要的名词就是磁矩，它体现了流体原子在静磁场下的核磁能量。由普通物理学得知闭合载流线圈磁矩μ=isn，其中i为电流强度、s为闭合面积、n为与电流方向成右手螺旋法则的单方向矢量[1]。闭合载流线圈的磁矩为一矢量，其长度为is而方向与该载流线圈的方向矢量相同。当在磁感应强度（磁通密度）为b的均匀磁场中，作用在载流线圈上的磁矩mf为磁矩μ与b的矢量积mf=μbsinθ。图1为磁矩示意图。
图1 磁矩示意图
磁矩mf力图使载流线圈磁矩μ的方向与磁场b一致，在磁场b中载流线圈具有的势能为e=-μbcosθ，其中θ是μ和b的夹角。由此可见μ和b方向一致时，系统势能最低，最为稳定；当两者反向时系统势能最高，最不稳定。
1.2 磁矩宏观表现介绍
在实际应用中，人们关注的是大量粒子的宏观行为，即大量微观体系行为的宏观表现。例如核磁测井所关注的是地层中大量氢核的综合效应，而单个氢核的特性只是理解宏观特性的基础。含有磁矩的某种样品，当没有外磁场时，其磁矩取向是随机的。宏观表现为没有磁性。当有外磁场时，将会有更多的磁矩顺着外磁场的方向排列，各个磁矩都绕着磁场方向进动，核自旋的空间取向将与塞曼能级相对应。达到热平衡时，磁矩的取向服从波尔兹曼分布，纵向分量与磁场方向一致的核磁矩数目略大于反方向的磁矩数目，其矢量和不再等于零，呈现一定大小的宏观磁矩，称为磁化矢量。图2为磁矩的宏观表现示意图。
图2 核矩的宏观表现示意图
单位体积的磁化矢量称为磁化强度，通常用m0表示，如
下式：
m0=nμi2/kt×b0=§×b0 （1）
其中§=nμi2/kt称为该样品的磁化率，μi为样品的氢原子核磁矩，n为单位体积样品内的粒子数，k为玻耳兹曼常数，t为样品的热力学温度。
2 核磁共振基本理论分析
2.1 经典物理解释
核磁共振测井主要测量地层中的氢原子信息，可用量子力学做精确描述。但在工程应用中为描述方便，往往采用经典力学或半经典力学方法。为此先说明核磁旋进的概念。图3是一个旋转着的陀螺，当它的旋转轴偏离垂线时，通过重心的重力作用并不能使它倒下，而是使其轴线沿图中圆环所示的轨迹和方向做圆周运动，不断改变自旋轴的方向。这种运动在力学中叫作旋进或进动。如果做自旋运动的带电物体具有磁矩，若磁矩偏离外磁场方向，将绕磁场方向进动[2]。按照经典理论，具有磁矩的原子核，由于自旋运动相当于一个高速旋转着的陀螺。磁矩在外磁场b0中受到一个力矩μ×b0的作用，在此力矩的作用下核磁矩绕b0进动，称为拉莫尔进动，其角频率为（即对应该点氢原子核的拉莫尔频率）ω0=-γb0，其中γ为氢原子的旋磁比系数，即动量矩与磁矩的比值。
当γ>0的核绕b0作左旋圆运动e-iω0t；γ<0的核绕b0作右旋圆运动eiω0t。其磁矩μ的旋转示意图如图3右侧所示。当核磁矩μ以角频率ω0围绕b0进动时，若对原子核系统再加上一个垂直于b0且角频率为ω1的旋转磁场b1，在ω1=ω0的条件下，将能使μ和b0之间的夹角发生变化。磁矩μ在静磁场b0中的能量为e=-μb0cosθ，当θ发生变化时，μ在b0中的能量也发生变化。若θ增加，则是核磁矩从外加交变磁场中吸收能量，这就是核磁共振现象。发生核磁共振的条件是ω1=ω0=γb0，磁性核的进动称之为拉莫尔进动，ω0称之为拉莫尔频率，它与静磁场的磁感应强度b0成正比。
2.2 量子力学解释
原子核从某一能量状态转变到另一能量状态称为原子核在能级之间的跃迁。对于1h核来说，i=1/2，2i+1=2，所以只有两个能级：-1/2i和+1/2i。跃迁就只能在这两个能级之间进行，根据量子力学理论，若将电磁波作用于原子核系统，当电磁波频率所决定的量子的能量hn正好等于原子核两个相邻能级之间的能量差时，原子核就会吸收电磁波，引起核能态在两个相邻能级之间的跃迁，这就是核磁共振现象[3]。在此系统中，低能态的核不断从旋转磁场中吸收能量而转变为高能态的核，原来过剩的低能态的核就逐渐减少，吸收信号的强度就会减弱，最后完全消失，达到饱和。产生核磁共振的条件是：
hν （2）
式中，?=h/2π，h是普朗克常数，ν是电磁波的频率。共振频率ν和g（或γ）及磁感应强度b0成正比，而当指示核素选定后（如1h），旋磁比γ为常数，共振频率只与b0有关。对质子（1h）：
（3）
量子力学在化学中的应用范文6
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Guassian98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UB3LYP/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]。
（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C32H14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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