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理论与计算化学

理论与计算化学是化学领域的重要学科，涉及应用理论原则和计算方法来理解原子水平上分子和反应的行为。在这本研究生水平的教材中，我们将以易于理解和信息丰富的方式探讨理论与计算化学的基本概念、方法和应用。

理论化学导论

理论化学提供了帮助化学家理解复杂化学系统的框架和模型。它使用数学方法和计算机模拟来解释化学现象，通常预测实验难以观察的分子性质和反应。

理论化学的一个基本问题是：原子和分子如何相互作用形成新的物质？为了解决这个问题，理论化学家应用量子力学的原则，即研究像电子这样微小粒子的行为。

量子力学

量子力学是理论化学的基石。它对于理解微观层面的化学键、反应和性质是至关重要的。

考虑电子，这是一种在化学键合中起重要作用的亚原子粒子。分子中电子的行为由波函数描述，通常记作ψ。在一个特定位置找到电子的概率由波函数的平方|ψ(x)|^2给出。

计算化学

虽然理论化学提供了更深入的理解和模型，但计算化学使用这些理论模型通过计算机算法来模拟和预测化学行为。计算化学使科学家能够模拟复杂的分子系统并预测其行为，使得无需物理实验即可探索未知的化学空间和反应。

早期方法

计算化学中使用了多种方法，其中从头算方法是最基本的。从头算的意思是“从第一原理出发”，这样的计算直接基于量子力学的原则而无需经验参数。

最常见的初始方法之一是Hartree–Fock方法，它试图理解电子在原子或分子中的行为，就好像它们在由所有其他电子创造的平均场中独立运动一样。

H |ψ> = E |ψ>

在这里，H是代表系统总能量的哈密顿算符，ψ是波函数，而E是能量特征值。

密度泛函理论 (DFT)

密度泛函理论是计算化学的另一个基石。与从头算方法不同，DFT不关注波函数，而是关注分子周围的电子密度。这减少了计算的复杂性，同时保持了分子性质的准确描述。

DFT以其效率而闻名，已经成为预测大型生物分子结构和能量等多种计算研究的首选方法。