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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇量子化學基礎，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：燃燒學；量子化學；Gaussian軟件；多媒體
中圖分類號：G642?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）19-0041-02
“燃燒學”是熱能與動力工程專業一門十分重要的專業基礎課程，其內容涉及化學動力學、傳熱學、熱力學、流體力學以及熱化學等多門學科知識，是一門典型的交叉學科。由于“傳熱學”、“熱力學”以及“流體力學”是熱能與動力工程專業的基礎課程，通過前期的系統學習，學生對該部分內容較為熟悉。但由于專業的限制，本專業學生在大學期間很少有機會學習化學專業知識，因而對化學動力學和熱化學等內容相對陌生，不少學生在課后反映該部分內容抽象難懂。燃燒過程實質上是耦合了流動、傳熱以及熱力相變的復雜化學反應過程。因此，掌握好化學動力學和熱化學等知識對本課程的學習具有重要意義。筆者根據在科研與教學實踐中的經驗，將量子化學Gaussian軟件應用到燃燒學課程的教學中，取得了良好的效果。
一、量子化學Gaussian軟件介紹
量子化學是應用量子力學的規律和方法來研究化學問題的一門學科。量子化學Gaussian軟件是一個功能強大的量子化學綜合軟件包，是化學領域最著名的軟件之一，可以在Windows、Linux、Unix操作系統中運行，目前最新版本為Gaussian 03。該軟件由量子化學家約翰波普的實驗室開發，可以應用從頭計算方法、半經驗計算方法模擬和計算分子和過渡態能量和結構、化學鍵以及反應能量、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、極化率和超極化率、熱力學性質以及反應路徑等內容，是目前應用最廣泛的半經驗計算和從頭計算量子化學計算軟件。量子化學Gaussian軟件在教學中可以輕松搭建直觀的分子和原子模型，并且從分子動力學層面展現一個化學反應的內在變化和重組過程。因此，學生可以直觀地了解物質的結構和化學反應內在規律，從而強化對相關知識和規律的認識與掌握。
二、量子化學Gaussian軟件在“燃燒學”教學中的應用實例
量子化學Gaussian軟件的功能非常強大，但本文僅選擇個別功能，并且通過列舉“燃燒學”中最常見的兩個簡單基元反應實例來介紹其在“燃燒學”教學中的應用。
1.實例一
CO和·OH的反應是燃燒過程以及燃燒大氣污染控制化學中的一個重要基元反應。根據分子碰撞理論，兩種物質是通過相互碰撞發生化學反應，但這種說法對于非化學專業的同學來說非常抽象，不易理解。比如兩者是如何發生碰撞的，碰撞后又是如何發生反應的，這些問題都很模糊，通過簡單的文字描述很難講清楚。而通過簡單直觀的圖形講解則可能取得意想不到的效果。圖1顯示的是采用Gaussian軟件中的密度泛函理論（DFT，B3LYP方法）在6-311++ G（d，p）基組水平下全參數優化和模擬反應過程中的各反應物、中間體（IM）、過渡態（TS）以及反應產物的幾何構型示意圖。
圖2顯示的是CO和·OH之間的反應能級示意圖。從圖中結果可以看出，CO和·OH之間的反應實質上是·OH對CO發動進攻，即·OH的O原子去進攻CO中的C原子，得到反應中間體IM1。從中間體IM1出發有兩種裂解方式：一種是經過渡態TS1斷裂其H-O鍵；另一種方式是IM1首先經過一個異構化過渡態TS2異構為另一順式中間體IM2，然后IM2又經過渡態TS3斷裂其H-O鍵生成產物CO2和H。基于以上能級分析，反應存在兩條可能的通道。但通過計算的活化能可知，第一條反應路徑需要的活化能為197.41 kJ/mol，而第二條需要的活化能僅為33.22 kJ/ mol。化學反應進行必須先要克服一定的能量障礙，即活化能才可以發生。從計算結果可以看出，由于通道CO+·OHIM1TS1CO2+·H的活化能比通道CO+·OHIM1+TS2+IM2+TS3+CO2+·H的高得多。因此，第二個通道需要克服的能量障礙更小，即更容易發生，是該反應的主要通道（主要反應路徑）。
2.實例2
（曲靖師范學院化學化工學院，云南 曲靖 655011）
【摘要】采用量子化B3LYP（6-311G**基組水平）對乙腈及其衍生物的反應物，過渡態和產物的幾何構型進行了優化，通過振動分析對反應物和產物進行了確認，證實了乙腈異構化的機理。
關鍵詞 乙腈及其衍生物；異構化；量子化學
過渡態理論指出．任何化學反應不只是反應物通過簡單的碰撞就能變成產物，而是要經過一個中間過渡態(活化絡合物)，然后才能變成產物。由于過渡態的壽命極短，實驗方法難以捕捉，因此運用量子化學方法進行研究，無疑是一種適宜的方法。Hammond曾把過渡態與反應物和產物關聯起來。
提出了對過渡態結構作近似估計的Hammond原理，但在許多反應中不能用它來作近似的估計。
我們用MNDO方法算得了乙腈異構化的反應途徑曲線和過渡態。為了克服MINDO方法所遇到的一些問題，我們采甩了D~war等人提出的MNDO方法，它是在NDDO近似基礎上發展起來的 。采用能量梯渡法優化了反應物和產物的平衡幾何構型用線性內坐標法找到了最小能量途徑，再以它的能量投大值時的構型作為過渡態的初始值用Powell方法優化得到過渡態的精細構型參數，并通過力常數計算和振動分析予以確證。
乙腈又名甲基腈，無色透明液體，極易揮發，有優良的溶劑性能，能溶解多種有機、無機和氣體物質，與水和醇能無限互溶。乙腈能發生典型的腈類反應，并被用于制備許多典型的含氮化合物，是一個重要的有機中間體[1]。當乙腈作為中間體參與化學反應時，研究乙腈及乙腈衍生物的異構化對化學反應的途徑及產物的制備具有重要意義[2]。
1計算方法
本文在使用Gaussian 03量子化學程序包[3]，采用B3LYP/6-311G**量子化學方法，對乙腈互變異構機理的反應物、過渡態和產物的幾何構型進行了優化，并在優化的幾何構型基礎進行了振動頻率分析，得到分子的幾何構型、能量、電荷分布等，全部計算在PIV-1G微機上完成。
1.1異構化反應機理
當R為H原子時，即把乙腈作為反應體系的模型反應物，當R先后被1號取代基甲基(Me)，2號叔丁基(t-Bu)，3號苯基(Ph)取代時為乙腈三種不同取代基的異構化反應物。計算結果表明，當互變異構進行時，反應物的原子H4從原子C3上遷移到原子C2上，并且N1和C3成鍵。C3-H4鍵的鍵長逐漸拉長，而C2-H4的鍵長和C3-N1鍵均逐漸被縮短，最終C2與H4成鍵，C3與N1成鍵，最終形成一個比較穩定的碳氮碳三元環，通過各駐點的振動分析計算表明，過渡態都具有唯一的虛頻。在模型反應的基礎上，換取代基進行計算其過渡態的形式與模型反應相似。
1.2反應物、過渡態及產物的能量
乙腈的過渡態ts的相對能為417.8kJ/mol，當H原子被Me和t-Bu取代時，支鏈烷烴取代基隨著供電子基團的增加，它們的過渡態的相對能略有減小，分別為402.6kJ/mol和389.21kJ/mol；而當用Ph取代H原子時，其過渡態的相對能下降的比較明顯，過渡態的相對能為330.8kJ/mol。由此說明了支鏈烷烴取代基隨著碳原子的增加，增大了空間阻礙效應，使其過渡態的相對能略有降低，但是為什么被苯環取代的乙腈的過渡態的相對能要更偏低一點，這是由于苯環的六個碳原子處于同一個平面上，有一定的共軛效應，但苯基取代的相對能量與支鏈烷烴取代的相對能相差不大。反應物r進行反應時，C3-H4鍵斷裂，H4原子遷移，經過一個相對能量較高的過渡態ts，再經過H4原子的遷移形成最后的異構產物p。
1.3分子的前線軌道
根據分子軌道理論，前線軌道及其附近的分子軌道對反應活性影響最大，因此研究前線軌道可以確定反應部位以及為探討作用機制等提供重要信息，HOMO具有優先提供電子的重要作用，LUMO具有接受電子的重要作用。分子的最高占據軌道 (HOMO) 能級和最低空軌道(LUMO)能級之差ΔE反映出分子的穩定性和反應的活性。
2結論
本文采用B3LYP方法對乙腈模型進行了異構化的計算研究，從直線性轉變為三元環，獲得了乙腈及其取代基異構化反應機理的一些重要信息，說明乙腈及其取代基異構化的一些特征。在模型反應的基礎上，進行了不同烷烴取代基形成乙腈衍生物的計算，從各種參數分析，不同的取代基有相同的反應機理，有一個過渡態(ts)，過渡態的相對能量變化不是很大，產物的相對能變化也不大。
參考文獻
［1］張會琴,梁國明．HNC-HCN反應機理的密度泛函理論研究[J]．自然科學學報,2005，22(3):100~104．
［2］林雪飛,孫成科．氮雜炔正離子與環烯反應的機理及取代基效應[J]．化學研究與應用,2007,19(8):872~876.
1碳－碳σ鍵和π鍵形成的圖示化
化學鍵是理解有機化合物結構的理論基礎，有機化學中最常見的是σ鍵和π鍵，借助于GAMESS－US的計算結果可清楚地從三維空間立體顯示σ鍵和π鍵的形成過程。圖1是乙烷中的兩個碳原子在最小基基組下相距不同距離時所對應的分子軌道的圖像，從圖中可明顯看出當碳原子相距為3倍平衡鍵長(3Re)時，兩個碳原子上的sp3雜化軌道不能有效重疊成鍵;當碳原子間距離靠近為2Re時，兩個碳原子的sp3雜化軌道能夠部分重疊形成弱的σ鍵;當碳原子間距離靠近到Re時，兩個sp3雜化軌道可最大重疊形成穩定的沿鍵軸呈圓柱形對稱的σ鍵。圖2則顯示了乙烯中兩個碳原子上的2pz軌道從相距3Re逐漸靠近到Re按“肩并肩”方式形成成鍵π和反鍵π*軌道的過程。從圖2可明顯看出，π軌道在乙烯平面上的電子云密度為零，而通過兩個位相相反的2pz軌道組合形成的反鍵π*軌道，原子間電子云密度明顯降低。
2構象的演示
構象是有機化學中的一個基本概念，一般是在講述烷烴的時候引入。這里以正丁烷中C2－C3單鍵內旋轉為例來說明如何通過量子化學計算直觀解釋構象以及構象間的相互轉換這些概念。圖3是正丁烷在6－31G(d)基組下繞中心C2－C3旋轉不同角度并限制性優化得到的不同構象的能量曲線。圖中同時給出了各典型構象的相對能量及其立體分子結構。從圖中所標示的分子結構的球棍模型可以明顯看出，在二面角為180°(反交叉式)時，丁烷的兩個甲基相聚最遠，整個分子能量最低;而在二面角為60°(順交叉式)時兩個甲基的相互排斥使能量升高大約4．2kJ/mol，兩者都處于勢能曲線上的極小值點，都是較穩定的構象。從反交叉式轉換到順交叉式需要越過15．3kJ/mol的勢壘。而另外的全重疊式和部分重疊式構象由于甲基相距太近，排斥能較大使得它們處于能量曲線上的極大值點，因此是不穩定構象。我們還可以利用頻率計算得到的各構象相對自由能根據玻爾茲曼公式近似計算室溫下各構象所占的比例。
3反應機理的演示
有機反應機理是有機化學的重要組成部分，也可以說是理解和掌握基本有機反應的基礎。但是有機反應機理普遍較為抽象，對于剛接觸到有機反應的學生而言顯得難以掌握。若能夠以動畫的形式來直觀化整個反應過程，顯然有助于學生對反應機理的理解。這里我們以有機化學里常見的雙分子親核取代(SN2)反應和(氫遷移反應來說明如何通過計算化學來動畫圖示整個反應歷程。3．1SN2反應圖4顯示的是6－31+G(d)基組下由內稟內坐標(IRC)方法計算得到的SN2反應F－+CH3ClCH3F+Cl－整個反應歷程［6］。從IRC計算得到的反應路徑可以很直觀地闡明整個反應過程:F－從C－Cl鍵背面進攻C原子，隨著反應的進行，F－和中心C原子的距離逐漸接近;與此同時，原來的C－Cl鍵的鍵長逐漸拉長;在反應的過渡態，C原子近似采用sp2雜化，和三個氫原子形成一個近似平面的結構，F－和Cl－分別位于這個平面的兩側，F和C以及C和Cl均是靠弱的σ鍵聯系在一起，隨后F－進一步靠近和C形成F－C鍵，Cl－離去最后形成自由的Cl－。整個反應過程可以制作成一個動畫進行直觀演示，活化能的數據也可直接從反應混合物和過渡態的相對能量差得到。3．2σ遷移反應σ遷移反應屬于周環反應的一種，和有機化學中大多數離子型或者自由基反應機理不同，σ遷移反應一般是通過環狀過渡態協同完成。這里我們以1，3－戊二烯的［1，5］σ氫遷移反應為例，說明通過量子化學計算結果所展示的整個協同反應歷程(圖5)。從IRC計算得到的結果可以直觀重現整個反應過程:甲基上的氫逐漸向端基的烯基碳原子靠近，形成一個六元環過渡態結構，隨后舊的碳氫鍵逐漸斷裂、新碳氫鍵生成，最后形成產物。
4紅外光譜的指認
紅外光譜是鑒定有機化合物結構的常規方法，但紅外振動模式較多，使得紅外譜的識別并不容易。量子化學計算可以動態演示紅外光譜的各種振動模式，從而可憑直觀直接理解。圖6是甲醛分子的紅外光譜以及對應的振動模式［6］，各紅外吸收峰所對應的振動模式均可在Avogadro［5］中以動畫的形式予以展示。計算化學在有機化學教學中的應用遠不止上述所提到內容，計算化學現今已經滲透到有機化學的各個方面，在指導有機合成設計、預測反應機理等方面都有諸多應用［8］。本文只是挑選其在有機化學教學中的一小部分應用示例加以說明，相信在今后的有機化學教學中計算化學的作用能更多地被挖掘和應用，來輔助教學，提高教學質量。
作者：唐敏 單位：南京中醫藥大學翰林學院
羥汞化-脫汞是由烯烴合成醇的有效途徑之一［1］。羥汞化反應主要分為兩個階段:①烯烴在含水的四氫呋喃溶液中與乙酸汞發生羥汞化;②羥汞化產物不經分離，直接加入NaBH4進行還原脫汞。該反應具有條件溫和(一般在室溫進行)、速度快(一般第一階段只需要幾分鐘，第二階段需要1小時)、中間產物不需分離、區域選擇性好(Markovnikov取向)、無重排產物等優點。因此，盡管汞是公認最毒的金屬元素，但由于羥汞化反應的諸多優點，該反應仍被廣泛用于有機合成［2-3］。
以丙烯加乙酸汞為例，目前比較公認的羥汞化反應機理［4-5］見圖1。其中第二步和第三步最為關鍵，但是目前國內外多數有機化學教材都沒有明確指出反應的速控步是哪一步［6-10］，部分教材甚至把羥汞化過程歸類為親電加成反應［8-10］。我們對此產生疑問，整個反應的速控步究竟是汞離子親電加成的第二步，還是水親核進攻的第三步?下面根據軟硬酸堿理論、元素電負性等有機化學基礎知識以及量子化學計算結果對各步反應分析如下:(1)第一步，乙酸汞發生電離產生乙酰氧基汞正離子。我們認為該帶有正電荷的汞離子的生成是必要的。最新的研究證明氯化汞能夠催化芳基烯基醚的羥汞化反應。加入氯化鈉等含有氯離子的無機鹽能夠抑制上述反應，而加入硝酸銀可以促進上述反應。因為氯離子是軟堿，額外增加的氯離子能夠和汞離子絡合生成［HgCl4］2－，抑制了+HgCl的生成，進而抑制了羥汞化。而加入硝酸銀，使銀離子和氯離子結合，則可以促進+HgCl的生成，進而促進羥汞化反應。對于不同的汞鹽，根據軟硬酸堿理論可以判斷其電離的難易。越容易電離的汞鹽，活性越高。不同汞化合物應該具有如下的活性順序:Hg(OOCCF3)2＞Hg(OOCCH3)2＞HgCl2＞HgBr2＞HgI2。因為Hg2+是軟酸，CF3COO－是最硬的堿，I－是最軟的堿。所以Hg(OOCCF3)2最容易電離，HgI2則是“軟親軟”，不易電離，活性最低。實驗結果表明Hg(OOCCF3)2對4-己烯-1-醇分子內氧汞化速度比Hg(OOCCH3)2快，而且產物不同［12］。(2)第二步，乙酰氧基汞正離子與烯烴的碳碳雙鍵發生親電加成生成汞鎓離子。從軟硬酸堿理論分析，烯鍵的π電子為軟堿，汞離子為軟酸，“軟親軟”，該基元反應應該屬于快反應。從電負性考慮，汞的電負性為1．9，略小于碳的2．55［13］，這使正電荷主要集中在汞上而不是碳上。這一點與溴鎓離子截然不同，后者正電荷主要集中在碳原子上。所以，相比溴鎓離子，汞鎓離子不易受到水的親核進攻。我們用量子化學手段計算得出乙烯、丙烯、異丁烯與乙酰氧基汞正離子加成生成的汞鎓離子中間體以及乙烯的溴鎓離子的結構與APT電荷(atomicpolartensor-basedcharges)［14］分布(圖2)(本文量化計算均采用Gaussian03軟件包，分子構型在RB3LYP水平下進行優化，其中C、O使用6-31G*基組，H使用6-31G＊＊基組，Hg和Br使用贗勢基組(Lanl2DZ，其中對Br加上極化函數(極化參數為0．389);
對所有優化的結構進行頻率計算，以確認所有結構均是穩定結構(駐點是極小值，沒有虛頻))。從以上計算結果可得出結論:①上述汞鎓離子中，乙酰氧基與汞原子是雙齒配位的，兩個O—Hg鍵長幾乎等長，都在2．30左右。②汞原子上總是帶有最多的正電荷。③在丙烯等不對稱烯烴的汞鎓離子中，由于甲基的供電誘導效應，C2上正電荷多于C1，在異丁烯的汞鎓離子中這一差異更加明顯。從乙烯到丙烯到異丁烯，Hg—C1鍵逐漸變短，從2．602變為2．478，再到2．419。而Hg—C2鍵逐漸變長，在異丁烯的汞鎓離子中，Hg—C2鍵最長，達到2．876。這都預示著第三步水親核進攻的位置在C2上，即Markovnikov取向。④在異丁烯的汞鎓離子中，C2上帶有最多的正電荷，可以預期其與水的親核加成速度要比丙烯或乙烯的汞鎓離子更快，這一結論與實驗結果一致［15］:2-甲基-2-丁烯的羥汞化在10s內完成，而環己烯需要55s。⑤與電負性分析結果一致，與乙烯的乙酸汞鎓離子不同，在乙烯的溴鎓離子中，正電荷主要集中在碳原子上，溴原子上正電荷很少，這表明汞鎓離子與溴鎓離子有著本質的不同。眾所周知，羥汞化反應通常不會發生重排，這正是由于汞鎓離子中間體的正電荷主要集中在汞上而不是碳上的具體體現。因為涉及鎓離子的碳上正電荷較少，臨近α位的烴基或氫原子不易發生遷移。
我們分別計算了叔丁基乙烯的汞鎓離子和溴鎓離子甲基重排前后的能量變化，結果如圖3所示。從量子化學計算的結果也可以看出，在叔丁基乙烯汞鎓離子中，C2上的正電荷僅為0．4858e，而且甲基重排后所得到的叔碳正離子中間體的吉布斯自由能比重排前升高了77．78kJ/mol;而叔丁基乙烯的溴鎓離子中C2上正電荷高達0．8574e，非常有利于甲基遷移，而且發生類似重排后產物的吉布斯自由能比重排前降低了45．19kJ/mol。因此叔丁基乙烯的汞鎓離子的重排在熱力學上是極其不利的，不易重排。而叔丁基乙烯與溴的親電加成生成的溴鎓離子容易重排。事實上，許多烯烴，如:莰烯［16］、降冰片烯［17］和苯并二環［2．2．2］-2，5-辛二烯［18］與溴的親電加成都發生了重排。(3)第三步，水作為親核試劑進攻汞鎓離子。在該步中，水分子中的氧原子是硬堿，而帶有部分正電荷的碳原子是軟酸。由于碳上的正電荷較少，水的親核性又弱，此類弱親核試劑的親核進攻就變得更加困難。由此推斷，該步基元反應才應該是整個反應的慢步驟，即整個羥汞化反應的速控步。通過查閱文獻［19］，這一結論得到了有力支持。例如:2-甲基-1-己烯的羥汞化反應速度比1-己烯快10倍，比四甲基乙烯的羥汞化速度快833倍。上述實驗結果與相應汞鎓離子中C2上的正電荷多少有關(圖4)。2-甲基-1-己烯的汞鎓離子中C2上的正電荷最大(0．6632e)，羥汞化最快;而四甲基乙烯的類似物相應碳原子上的正電荷最少，羥汞化最慢。如果汞鎓離子生成的一步是速控步，含有4個供電甲基的四甲基乙烯與乙酸汞離子形成汞鎓離子進而得到羥汞化中間體應該是上述3個烯烴中最快的，然而實驗 事實正好相反。這反過來證明汞鎓離子生成的一步不是整個羥汞化反應的速控步。另外，對于含多個雙鍵的烯烴，羥汞化優先發生在最不對稱的雙鍵上，即1，1-二取代優于1，1，2-三取代，單取代優于1，2-二取代［20］，反應速度與汞鎓離子中取代最多的碳原子上的正電荷密度成正比，也進一步說明水親核進攻的一步是整個反應的速控步。(4)第四步是中間產物Ⅱ快速失去質子的過程，不再贅述。(5)關于烯烴和炔烴羥汞化產物的脫汞問題。在烯烴的羥汞化產物中，由于碳與汞的電負性差別太小，使得碳汞鍵的電荷分布比較均勻，碳汞鍵的極性較小。量子化學計算得出乙烯羥汞化產物中與汞原子相連的碳原子上負電荷密度均為－0．1300e，同樣說明碳汞鍵的極性很小，所以乙烯羥汞化產物HOCH2CH2HgOAc不像其他金屬有機試劑(例如Grignard試劑)那樣容易水解，而必須使用還原劑NaBH4進行還原。
相反，乙炔在汞催化下的水合產物是互變異構體(圖5):HOCHCHHg+和OHCCH2Hg+，前者與汞相連的碳原子是sp2雜化，比sp3雜化碳原子具有更大的電負性［21］和更強的吸引電子能力，會使碳汞鍵極性增大;后者甲酰基是強吸電基，而且在稀硫酸中，氧原子會發生質子化，使碳汞鍵極性進一步增大。因此，乙炔羥汞化產物中的碳汞鍵更像一般金屬-碳鍵，在稀硫酸中容易水解。所以在炔烴羥汞化反應中，汞離子是催化量的。為了便于比較，我們在乙炔羥汞化中間體的汞原子上螯合了一個乙酸根，量子化學計算結果見圖6。從圖6能夠明顯地看出，乙炔羥汞化產物中的碳汞鍵正負電荷差別明顯大于乙烯羥汞化產物中的碳汞鍵電荷差，鍵的極性也明顯比后者強，即乙炔羥汞化產物中碳汞鍵容易直接水解變為碳氫鍵。本文從有機化學基本概念、基本理論出發，結合量子化學計算結果，對烯烴的羥汞化機理進行了分析，得出該反應的速控步是水分子親核進攻汞鎓離子的一步，整個反應屬親核加成。同時指出，烯烴羥汞化產物中的碳汞鍵極性小，不能直接水解為碳氫鍵，故需要硼氫化鈉還原;而炔烴羥汞化產物中的碳汞鍵極性較大，在反應過程中可以直接水解轉化為碳氫鍵。
關鍵詞： 肽鍵 光譜 生物分子
對于分子結構，振動光譜可以提供精確的信息，尤其是對于手性分子，其可以通過各種光學技術進行檢測，如振動圓二色譜、拉曼光學活性譜等，這些都對分子的絕對構型很敏感。截至目前，應用領域最多的是生物分子，比如氨基酸、蛋白質，核酸和糖類等[1]。為了探究更多生物分子的構型和構象，前人做了大量的理論預測和實驗光譜研究。例如，Bour等人[2]采用量子化學模擬研究了不同長度生物分子的振動光譜，進而研究了各種分子振動張量對分子性質的影響。我們先前也通過實驗表征和密度泛函計算研究了環氨基酸分子的立體構型，通過實驗和理論比較發現，B3LYP方法提供了精確的光譜預測[3]，這有助于提高生物分子光譜性質的精確預測，并幫助實驗光譜指派合理的分子構型。本文利用密度泛函DFT方法對含兩個肽鍵甘氨酸三聚體的紅外光譜和拉曼光譜做系統研究，這些工作為以后實驗光譜比較分析提供理論參考，并進一步為可能的生命活動提供重要的基礎數據。
1.理論計算
我們采用密度泛函DFT-B3LYP方法[4]，對含有兩個肽鍵甘氨酸的光譜性質做了系統研究，計算中采用了6-31++G**全電子基組形式。為了考慮結構中的弱相互作用，所有計算都采納了D3色散校正[5]。整個計算任務都采用GAUSSIAN 09程序包[6]，在I7單機上完成。
2.結果和討論
2.1結構穩定性
我們通過量子化學模擬，對甘氨酸單體、二聚體和三聚體的電子親和能和電離勢做了理論計算。定義如下：電子親和能計算公式EA=E0-E-1；電離勢計算公式EA=E+1-E0。根據計算結果，我們發現甘氨酸三聚體的電子親和能比單體和二聚體的分別小約0.42和0.19 eV，而其電離勢也比它們的分別小約0.22和0.17 eV，這些表明甘氨酸隨著聚合度的增加，其電子親和能和電離勢都降低，并進一步說明其穩定結構更易于接受/失掉一個電子而成為陰/陽離子。
2.2模擬的振動光譜
基于優化好的穩定結構，在B3LYP/6-31++G**理論級別上，我們研究了三聚體的紅外振動和拉曼光譜，振動光譜圖見下圖。通過紅外振動頻率分析，我們發現位于1759 cm-1的最強紅外振動峰歸屬于結構下面兩個C=O官能團的伸縮振動，附近的1824 cm-1次強峰來自于上面一個C=O官能團的伸縮振動；中等峰1541 cm-1歸咎于主鏈上N-H骨架內搖擺振動，而1184 cm-1歸屬于羧基中的C-O的伸縮振動。
拉曼振動光譜如圖1b所示，僅僅在高波段有三個峰，如位于3046和3081 cm-1的振動峰歸屬于主鏈上CH2中對稱伸縮振動，而3132 cm-1的弱峰來自于CH2中非對稱伸縮振動；在小于3000 cm-1的波段，沒有明顯強峰存在。通過這些理論模擬，我們對甘氨酸三聚體的紅外和拉曼振動峰做了歸屬，其結果有助于實驗研究的進一步比較分析。
圖 模擬甘氨酸三聚體的振動光譜： （a）紅外， （b）拉曼
3.結語
本文采用密度泛函B3LYP方法對含兩個肽鍵甘氨酸三聚體的紅外和拉曼光譜做了理論預測。結果發現：甘氨酸隨著聚合度的增加，其電子親和能和電離勢都降低，表明其化學穩定性都減弱。我們對三聚體的紅外和拉曼光譜進行了理論模擬，并對所有紅外振動峰做了歸屬，發現紅外最強峰來自于C=O的伸縮振動。這些研究結果對以后甘氨酸的各種實驗表征和分析提供有價值的理論參考。
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關鍵詞：金屬—陶瓷；接觸角；化學反應；潤濕性
中圖分類號：TL25 文獻標志碼：A 文章編號：
1 引 言
金屬—陶瓷復合材料作為一種以一種或多種陶瓷相為基體，以金屬或合金為粘結相的復合材料[1]，如何發揮其中陶瓷相基體的優良性能一直是科研人員研究的重點方向。其中陶瓷與金屬潤濕性的好壞很大程度上決定了金屬—陶瓷復合材料綜合性能的發揮，因此金屬—陶瓷復合材料研究的熱點在于開發新型金屬—陶瓷體系、改善金屬—陶瓷界面結合狀況以提高材料綜合性能，這一切都是建立在金屬對陶瓷具有良好的潤濕性的基礎之上。研究金屬對陶瓷的潤濕性對制備高性能金屬—陶瓷復合材料有著重要的現實意義。金屬陶瓷復合材料的研究還處于初期階段。研究較多的有金剛石、石墨、SiC、Al2O3、ZrO2、TiC等陶瓷相和金屬合金所組成的體系。由于陶瓷和金屬的晶體類型及物理化學特性的差異，兩者的相容性很差，絕大部分液態金屬都不能潤濕陶瓷，因此如何改善金屬與陶瓷的潤濕性，從而改善材料的綜合性能性能成為當前材料制備中的一個重要問題。
2 潤濕性的分類
根據陶瓷—金屬的界面結合情況，金屬對陶瓷的潤濕過程可分為非反應性潤濕和反應性潤濕。
非反應性潤濕是指界面潤濕過程中不發生化學反應，潤濕過程的驅動力僅僅是擴散力及范德華力。其中液態金屬的表面張力是決定液態金屬是否能在固相陶瓷表面潤濕的主要熱力學參數。一般此類潤濕過程進行得很快，在很短的時間內就能達到平衡；且溫度和保溫時間對潤濕性影響不大。非反應性潤濕體現出對體系成分的不敏感性。添加合金元素對改善金屬—陶瓷潤濕性有較大的影響，其機制為合金元素在液態金屬表面及固—液界面的吸附和富集，降低了液態金屬表面張力及固—液界面張力。如在Cu中添加Cr不但降低液態金屬表面張力，且Cr在金屬—陶瓷界面偏聚造成界面張力降低，從而有效地降低Cu對ZrO2的接觸角。
對于反應性潤濕金屬陶瓷的潤濕性與時間、合金元素及溫度有很大關系。潤濕性一般隨著時間的延長、合金元素的加入及溫度的提高而增強粘結功、接觸角也增大。由于伴隨著不同程度的界面化學反應，反應性潤濕過程中液態金屬的表面張力并不是影響液態金屬在陶瓷表面潤濕性的主要參數，潤濕作用主要是通過界面反應形成界面反應產物來實現。
3潤濕性研究的方法
3.1 量子化學法
量子化學法通過研究金屬陶瓷界面電子結構和結合，從理論上計算出界面能量。它研究金屬陶瓷界面結合是以分子軌道模型為基礎的〕。Li等人用此模型處理陶瓷分子，計算出了金屬陶瓷的界面能。
3.2 宏觀熱力學方法
熱力學是人們研究金屬陶瓷潤濕問題的基礎。大部分測量和計算潤濕性的原理都離不開熱力學。在潤濕過程中，界面的熱力學基本特征在于界面自由能的變化。對于發生化學反應的潤濕過程，潤濕能否進行與化學反應的吉布斯自由能和表面附加吉布斯自由能有關。一般在活性金屬組成的休系中可發生。
3.3 統計熱力學法
統計熱力學從微觀出發，以單組元一般為二元系合金為基礎，預測多組元的金屬陶瓷界面的潤濕性變化規律。對于金屬陶瓷體系，可將陶瓷相看作單一種類的相。這樣金屬與陶瓷之間形成了偽二元共晶系。
3.4 動力學法
動力學方法潤濕的動力學在工程領域相當重要。要縮短生產時間,就得加速潤濕過程,此外，如果潤濕進行得慢，有可能金屬已經凝固，卻未完全潤濕，這對材料的性能是不利的。某些金屬表面易于氧化，影響了平衡的接觸角的測定，并且氧化層的存在，一也影響了金屬原子向陶瓷的擴散,隨之影響潤濕的動力學。
4 改善潤濕性的途徑
4.1合金化
合金化途徑是應用最為廣泛的改善潤濕性的手段，對合金元素對元素潤濕性的作用機理已經進行了深入的研究，主要機制為：①合金元素在液態金屬表面及固—液界面吸附與富集，降低液態金屬表面張力及固—液界面張力；②合金元素在固ö液界面發生界面反應，形成界面反應產物。合金元素的選擇是現在研究的熱點，特別對于活性金屬，由于界面反應產物一般是脆性相，潤濕性的提高并不等同于復合材料綜合性能也同步提高。Ti(C,N)基金屬陶瓷的環形相對改善金屬Ni對TiN的潤濕發揮著重要作用，但是，在制備金屬陶瓷時卻并不希望環形相過分長大，因為脆性環形相過厚對材料性能的損傷也是很明顯的。
4.2 金屬合金化
金屬合金化是最有效和最廣泛的方法之一，金屬基通過添加合金元素來降低熔融金屬的表面張力及固—液界面能，甚至通過添加合金元素在固液界面參加界面反應來降低接觸角。
4.3 表面涂層技術
改善陶瓷表面狀態和結構以增大固相表面能可通過化學和物理的方法來實現，其中包括物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、物理化學氣相沉積(PCVD)、溶膠—凝膠(Sol-gel)法、等離子體涂覆、電化學沉積等。表面涂層技術通過新的涂覆物質取代金屬與陶瓷的直接接觸，從而提高體系的潤濕性。
4.4提高潤濕過程中的溫度
液態金屬的表面能像其它液體的一樣,在一定范圍內，隨溫度升高而線性下降，使得金屬陶瓷的接觸角隨溫度升高而降低。這是因為降低熔融金屬的表面能，達到改善潤濕性的目的。但溫度升高也有一定的局限性溫度升高，溫度過高會破壞金屬表面的氧化層，會使更多的金屬蒸發。
此外, 提高潤濕溫度，使用適當的保護氣氛，提高液相壓力(壓力熔浸)，以及采用流體動力學方法也能獲得良好的潤濕性。
5 結 語
改善體系潤濕性提供指導是研究金屬ö陶瓷潤濕性永恒的目標，隨著科學理論的發展和各種原始數據的積累，在一定范圍內，理論預測和控制金屬陶瓷的潤濕性、界面性質、粘結功和界面強度的變化規律，已開始成為現實。這無疑將對金屬陶瓷復合材料的發展起巨大的推動作。
參考文獻
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經過約200多年的努力，化學進入現代時期。總結起來說現代化學有五大特點和兩個發展方向。
五大特點是
（1）化學家對物質的認識和研究，從宏觀向微觀深入。20世紀以來，化學家已用實驗打開原子大門，深入地了解原子內部的情況，并且用量子理論探討原子內的電子排布、能量變化等。就是對復雜的化學反應來說，也可以測量反應機理，了解反應過渡態的情況以及分子、原子間能量的交換。
（2）從定性和半定量化向高度定量化深入。雖然近代化學也曾廣泛地使用各種定量化工具，但是還只能說停留在定性和半定量化水平。本世紀60年代后，電子計算機大規模地引進化學領域，用它來計算分子結構已取得巨大的成功。如今任何化學論文如無詳盡的定量數據就難以發表，發表了也難取得公認。而且如今化學實驗的精密度愈來愈高，幾乎所有儀器都是定量化的，有的還用電子計算機來控制。
（3）對物質的研究從靜態向動態伸展。近代化學對物質的研究基本上停留在靜態的水平或從靜態出發，推出一些動態情況。例如，從熱力學定律出發，通過狀態函數的變化，從始態及終態情況推斷反應變化中一些可能情況。現代化學已擺脫這種間接研究推理，而采用直接的方法去了解或描述動態情況，特別是激光技術、同位素技術、微微秒技術、分子束技術在現代化學里的大規模應用。化學家目前已能了解皮秒內微粒運動的情況，反應中化學鍵的斷裂以及能量交換等情況。特別值得一提的是有關動態薛定諤方程的研究，一旦成功它將會為動態研究開辟光輝前景。
（4）由描述向推理或設計深化。近代化學幾乎全憑經驗，主要通過實驗來了解和闡述物質。雖然也有一些理論如溶液理論、結構理論等可以指示研究方向，但總體來說近代化學基本上是描述性的。原來化學中四大學科（無機化學、有機化學、分析化學、物理化學）彼此存在很大獨立性。然而現代化學已打破傳統的界限，化學不僅自身各學科相互滲透，而且跟物理、生物、數學、醫學等學科相互交融和滲透。特別是近年量子化學的發展，已滲透到各學科，使化學擺脫歷史傳統，可以預先預測和推理，然后用實驗來驗證或合成。例如，當今許多高難度的合成工作都事先根據理論設計，然后決定合成路線。著名的維生素B12的合成工作就是一個典范，它標志著化學已從描述向設計飛躍。
（5）向研究分子群深入。近代化學對化學的研究通常只停留在一個或幾個分子間的作用。即所謂0級、1級、2級、3級反應，對多分子的反應是無能為力的。但是近代化學遠遠不能滿足實際需要了，特別是研究生物體內的化學反應，就要研究多個分子甚至一大群分子間的反應了。例如，一個活細胞內往往需要幾十種酶作催化劑，同時催化許多化學反應。因此研究分子群關系，已成為現代化學的一個特點。
現代化學的發展方向，一是化學向分子設計方向前進。分子設計就是說化學家像建筑師造房子那樣設計好再建造。由于電子計算機、各種能譜技術、微微秒技術、激光技術、同位素技術等在化學上的應用，使分子設計逐漸趨向現實。上面說過的著名有機合成大師伍德沃德合成難度極大的維生素B12，就是按他創立的前沿軌道理論出發，計算后設計出最佳合成路線和原料配比，一舉成功并傳為佳話。目前全世界每年合成幾千種抗癌藥，大都是先設計好合成路線，而后進入生產的。
現代化學第二個發展方向是向分子群研究進軍。在自然界中生物的活動常常同時發生幾十個甚至幾百個化學反應，才能使生物體生命延續。就是完成一項簡單工作也必須是多個分子同時工作才能實現。例如，根瘤菌體內的固氮酶，就有兩種蛋白質分子，一種是含鐵的，另一種是含鉬的，這兩種分子必須同時工作才能把氮氣固定下來。目前化學家已合成主要生命基礎物質，并引進酶技術、仿生技術、膜技術等，使研究分子群的情況成為可能。這也是為揭開生命秘密做好基礎工作。
總之，現代化學的特點決定現代化學的發展方向，反過來現代化學的發展方向也決定現代化學的五大特點，它們是相輔而成、相得益彰的。
說起氫彈的發明，人們一定會想到物理學家；可事實是：首先由于天文學家的發現，才導致了氫彈的發明。天文學家發現太陽上的物質以氫為最多，其次是氦，氫在聚變成氦的過程中釋放出巨大的能量——太陽能。天文學家的這一發現啟發了物理學家，使他們聯想到能否通過模擬太陽上的熱核反應來獲得巨大能量，于是一些物理學家著手研制氫彈，并獲得成功。所以，也有人說是天文學家發明了氫彈。
核酸的秘密是怎么揭開的？是誰首先發現了DNA雙螺旋結構？這一發現，被視為達爾文學說誕生以來生物學上的第二個偉大里程碑。可是取得這一成果的，不是生物學家，而是物理學家。1944年，量子力學的創始人之一、物理學家薛定鍔，首先提出了生物遺傳密碼的理論。不久，青年物理學家克里克與兩位生物化學家合作，把物理學原理運用于生物學，發現了DNA雙螺旋結構的秘密。“它山之石，可以攻玉。”這又是一個有說服力的例證。
控制論創始人維納說：“在科學發展上可以得到最大收獲的領域，是各種已經建立起來的部門之間的被人忽視的無人區。”維納說的“部門之間”，就是我們現在經常聽說的“科學的邊緣”。
有科學的邊緣，就有邊緣科學。那么，這個邊緣科學是怎樣產生的呢？一是“移植”，即把一種學科的研究方法移植到另一種學科中去。比如，把物理學中的電子技術、微波技術、光譜技術等用于天文學的研究，便出現了新學科——射電天文學及光譜天文學。把激光技術用于生物學、化學和醫學的研究中，便產生了激光生物學、激光化學及激光醫學等。二是“雜交”，將原來不相同的兩種學科融合成一種新學科。比如物理化學，生物化學，量子化學等。這種雜交產生的新學科，特別在基礎科學研究方面有重大意義。
在具體的表現形式上，邊緣學科又分為幾種。例如“多邊緣復合式”，它突破了鄰近兩門學科結合的局限性，變成了多學科的邊緣科學。物理生物化學就是邊緣學科生物化學和生物物理學相互結合的產物。還有“大邊緣學科”，它橫跨學科上的幅度更大，是自然科學、技術科學和社會科學的互相滲透所成。如技術經濟學，社會醫學，環境科學，宇航心理學等等。
現在，著名的哲學家卡爾·鮑波爾與著名的神經生理學家、諾貝爾獎金獲得者艾克爾斯合作，寫出了《自我及其大腦》一書，這件事在全世界引為美談。它標志著在科學的邊緣將會有更多的新成果誕生。不是嗎？電子計算機被用來研究莎士比亞的名著，美國也有人用電子計算機對我國古典名著《紅樓夢》的前八十回和后四十回進行分析。自然科學的一些新概念也被引進了社會科學：不僅熱力學中“熵”的概念進入了經濟學，控制論中的“信息”、“反饋”等，也已經變成自然科學和社會科學共同的名詞術語。這表明科學不斷走向綜合化，已是大勢所趨。
科學的發展經歷了由分到合，由合到分的過程，這反映出人們認識的不斷深化。在科學史上，牛頓力學曾經是科學知識的第一次大綜合，它把天上的物體與地上的物體運用統一的理論來加以說明。到了法拉第——麥克斯韋理論，可以說是第二次大綜合，它把電的現象與磁的現象聯系了起來，并揭示了光的本質。愛因斯坦的相對論，則把物質、運動、空間、時間、質和能、光和電等統一起來。而大量邊緣科學的誕生，也正是綜合化趨勢的一種表現。
為了適應這種形勢，就需要廣博的“通才”，只有掌握了比較系統及全面的知識，才可能在這科學的邊緣游刃有余。我國古代科學家祖沖之提倡：“專攻數術，搜煉古今”；諾貝爾也鼓勵人們：“為了解決某一個科學領域的問題，應該借助于其他有關的科學知識。”這，應成為進擊邊緣科學者的格言。 ，
【關鍵詞】Si和B原子 混合團簇 輸運特性 研究
一、引言
團簇（Clasters）是指由幾個乃至上千個原子或分子構成的尺寸在100 nm以下的相對穩定的聚集體。按照團簇尺度一般可以把團簇分為：小團簇（）、中等團簇（）和大團簇（）。中小尺寸的團簇特別是小團簇的結構和特性敏感地依賴于其所含原分子個數。
由于量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應和表面效應，從而導致團簇體系具有與常規宏觀體系和微觀體系不同的新的物理現象和效應，其很多特性既不同于單個分子，也不同于塊體材料。如：“幻數”個原子穩定性或奇偶數穩定性；氣、液、固態的并存與轉化；極大的表面/體積比；異常高的化學活性和催化活性；電子的原子殼層、原子簇殼層和能帶結構的過渡和轉化；結構的多樣性和排列的非周期性；光的量子尺寸效應和非線性效應；電導的幾何尺寸效應等。納米團簇還具有負熱容的特性，在融化時還存在預融現象。導致這些行為的主要原因之一在于其幾何結構是獨特的，是由局域化學鍵決定的，而塊體結構是由長程鍵決定的。
團簇還是一種能量不均衡的聚集體：表面原子和體內原子間能量的不平衡；表面特定位置的原子和其它表面原子間的不平衡；由于表面收縮使內部不同層的原子偏離平衡的趨勢以及特殊（有序）排列方式產生的不同位置序列間的能量不平衡。團簇這些特性使其在催化、濾光、光吸收、醫藥、磁介質、及新材料等各方面都有廣闊的應用前景，研究被看作是分子和宏觀材料的過渡態[1，2]的團簇的結構和性質，將為理解物質從微觀到宏觀的過渡提供有效工具，同時也將推動基礎研究的發展。
鑒于人們已意識到對這種物質進行研究的重要理論意義和廣泛誘人的技術應用前景，因而甚至有人把團簇稱為物質存在的第五種狀態。
目前團簇科學研究的幾個主要方向是：研究團簇的組成及電子構型的規律、幻數和幾何結構、穩定性的規律；研究金屬、半導體及非金屬和各種化合物團簇的光、電、磁、力學、化學等性質，它們與結構和尺寸的關系，及向大塊物質轉變的關節點；研究團簇的成核和形成過程及機制，研究團簇的制備方法、尤其是獲取尺寸均一與可控的團簇束流；研究團簇材料的合成和性質；探索新的理論，不僅能解釋現有團簇的效應和現象，而且能解釋和預知團簇的結構，模擬團簇動力學性質，指導實驗；發展新的方法對團簇表面進行修飾和控制。
團簇科學研究的基本問題是弄清團簇如何由原子、分子一步一步演化而成，以及隨著這種演化，團簇的結構和性質如何變化，具體當尺寸多大時，過渡成宏觀固體。團簇科學處于多學科交叉的范疇。從原子分子物理、凝聚態物理、量子化學、表面科學、材料科學等學科的概念及方法交織在一起，形成了當前團簇研究的中心議題，并正在發展成為一門介于原子分子物理和固體物理之間的新型學科。
團簇廣泛存在于自然界和人類實踐活動中，涉及到許多許多物質運動過程和現象，如催化、燃燒、晶體生長、成核和凝固、相變、溶膠、薄膜形成和濺射等，構成物理學和化學兩大學科的一個交叉點，成為材料科學新的生長點[3，4]。
在太陽能電池材料研究中，一個重要研究課題就是電流的輸運問題，因為電流的輸運特性對太陽電池的運行效率產生重要制約。本課題主要旨在探索新的納米系統的電子輸運特性，為以后新的電子器件諸如光伏電池的研制提供重要的背景資料。
本課題主要研究Si原子團簇組成的系統，其電子特性以及輸運特性，并且對比分析將其中摻入B原子之后組成的混合團簇的性質。
二、研究方法
（一）密泛含理論的基本定理是由Hohenberg、Kohn、Kohn和Sham建立的，它表明了系統的基態能量可以唯一的表示為一個基態電子密度函數。在密度泛含理論中，電子密度是所有可以計算的量子力學量中的基本量。
（二）式中括號中的部分被定義為KS哈密頓量。密度泛含理論的優勢在于把多電子相互作用問題已經減少到一組涉及非相互作用電子在其它電子有效電勢內移動的KS方程。
三、同種原子，不同數量
總的來說，所有的I―V曲線都是從圓點開始，也就是說只要加上電壓，就會產生電流，在電壓不是特別大的時候，上述團簇均體現導體的性質。
四、結 論
研究Si原子團簇組成的系統，其電子特性以及輸運特性，并且對比分析將其中摻入B原子之后組成的混合團簇的一些性質。在六個C原子組成的電極中，加入的團簇系統如果不相同的話，系統體現的性質也就不相同，本文主要研究了他們I―V曲線、零偏壓下的態密度和透射系數的區別。結合各個系統的結構圖，可以發現他們的這些性質不僅與原子的種類和數量有關，也跟原子的位置有密切的關系。
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關鍵詞：量子力學；教學探索；普通高校
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0212-02
一、概論
量子力學從建立伊始就得到了迅速的發展，并很快融合其他學科，發展建立了量子化學、分子生物學等眾多新興學科。曾謹言曾說過，量子力學的進一步發展，也許會對21世紀人類的物質文明有更深遠的影響[1]。
地處西部地區的貴州省，基礎教育水平相對落后。表1列出了2005年到2012年來的貴州省高考二本理科錄取分數線，從中可知：自2009年起二本線已經低于60%的及格線，并呈顯越來越低的趨勢。對于地方性新升本的普通本科學校來講，其生源質量相對較低。同時，在物理學（師范）專業大部分學生畢業后的出路主要是中學教師、事業單位一般工作人員及公務員，對量子力學的直接需求并不急切。再加上量子力學的“曲高和寡”，學生長期以來形成學之無用的觀念，學習意愿很低。在課時安排上，隨著近年教育改革的推進，提倡重視實習實踐課程、注重學生能力培養的觀念的深入，各門課程的教學時數被壓縮，量子力學課程課時從72壓縮至54學時，課時被壓縮25%。
總之，在學校生源質量逐年下降、學生學習意愿逐年降低，且課時量大幅減少的情況下，教師的教學難度進一步增大。以下本人結合從2005至10級《量子力學》的教學經驗，談一下教學方面的思考。
二、依據學生情況，合理安排教學內容
1.根據班級的基礎區別化對待，微調課程內容。考慮到我校學生的實際情況和需要，教學難度應與重點院校學生有差別。同時，通過前一屆的教學積累經驗，對后續教學應有小的調整。在備課時，通過微調教學內容來適應學習基礎和能力不同的學生。比如，通過課堂教學及作業的反饋，了解該班學生的學習狀態，再根據班級學習狀況的不同，進行后續課程內容的微調。教學中注重量子力學基本概念、規律和物理思想的展開，降低教學內容的深度，注重面上的擴展，進行全方位拓寬、覆蓋，特別是降低困難題目在解題方面要求，幫助學生克服學習的畏難心理。
2.照顧班內大多數，適當降低數學推導難度。對于教學過程中將要碰到的數學問題，可采取提前布置作業的方法，讓學生主動去復習，再輔以教師課堂講解復習，以解決學生因為數學基礎差而造成的理解困難。同時，可以通過補充相關數學知識，細化推導過程，降低推導難度來解決。比如：在講解態和力學量的表象時[2]，要求學生提前復習線性代數中矩陣特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使學生掌握相關的數學知識，這對理解算符本征方程的本征值和本征函數起了很大的推動作用。
3.注重量子論思想的培養。量子論的出現，推動了哲學的發展，給傳統的時空觀、物質觀等帶來了巨大的沖擊，舊的世界觀在它革命性的沖擊下分崩離析，新的世界觀逐漸形成。量子力學給出了一套全新的思維模式和解決問題的方法，它的思維模式跟人們的直覺和常識格格不入，一切不再連續變化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或減少。地方高校的學生數學基礎較差，不愿意動手推導，學習興趣較低，量子力學的教學，對學生量子論思維方式的培養就顯得尤為重要。為了完成從經典理論到量子理論思維模式的轉變，概念的思維方式是基礎、是重中之重。通過教師的講解，使學生理解量子力學的思考方式，并把經典物理中機械唯物主義的絕對的觀念和量子力學中的概率的觀念相聯系起來，在生活中能夠利用量子力學的思維方式思考問題，從而達到學以致用的目的。
4.跟蹤科學前沿，隨時更新科研進展。科學是不斷向前發展的，而教材自從編好之后多年不再變化，致使本領域的最新研究成果，不能在教材中得到及時體現。而發生在眼下的事件，最新的東西才是學生感興趣的。因此，我們可以利用學生的這種心理，通過跟蹤科學前沿，及時補充量子力學進展到教學內容中的方式，來提高學習量子力學的興趣。教師利用量子力學基本原理解釋當下最具轟動性的科技新聞，提高量子力學在現實生活中出現的機會，同時引導學生利用基本原理解釋現實問題，從而培養學生理論聯系實際的能力。
三、更新教學手段，提高教學效率
1.拓展手段，量子力學可視化。早在上世紀90年代初，兩位德國人就編制完成了名為IQ的量子力學輔助教學軟件，并在此基礎上出版了《圖解量子力學》。該書采用二維網格圖形和動畫技術，形象地表述量子力學的基本內容，推動了量子力學可視化的前進。近幾年計算機運算速度的迅速提高，將計算物理學方法和動畫技術相結合，再輔以數學工具模擬，應用到量子力學教學的輔助表述上，使量子力學可視化。通過基本概念和原理形象逼真的表述，學生理解起來必將更加輕松，其理解能力也會得到提高。
2.適當引入英語詞匯。在一些漢語解釋不是特別清楚的概念上，可以引入英文的原文，使學生更清晰的理解原理所表述的含義。例如，在講解測不準關系時，初學者往往覺得它很難理解。由于這個原理和已經深入人心經典物理概念格格不入，因此初學者往往缺乏全面、正確的認識。有學生根據漢語的字面意思認為，測量了才有不確定度，不測量就不存在不確定。這時教師引入英文“Uncertainty principle”可使學生通過英文原意“不確定原理”知道，這個原理與“測量”這個動作的實施與否并沒有絕對關系，也就是說并不是測量了力學量之間才有不確定度，不測量就不存在，而是源于量子力學中物質的波粒二象性的基本原理。
3.提出問題，引導學生探究。對于學習能力較強的學生，適當引入思考題，并指導他們解決問題，從而使學生得到基本的科研訓練。比如，在講解氫原子一級斯塔克效應時，提到“通常的外電場強度比起原子內部的電場強度來說是很小的”[2]。這時引入思考題：當氫原子能級主量子數n增大時，微擾論是否還適用？在哪種情況下可以使用，精確度為多少？當確定精度要求后，微擾論在討論較高激發態時，這個n能達到多少？學生通過對問題的主動探索解決，將進一步熟悉微擾論這個近似方法的基本過程，理解這種近似方法的精神。這樣不僅可以加深學生對知識點的理解，還可以得到基本的科研訓練，從而引導學生走上科研的道路。
4.師生全面溝通，及時教學反饋。教學反饋是教學系統有效運行的關鍵環節，它對教和學雙方都具有激發新動機的作用。比如：通過課堂提問及觀察學生表情變化的方式老師能夠及時掌握學生是否理解教師所講的內容，若不清楚可以當堂糾正。由此建立起良好的師生互動，改變單純的灌輸式教學，在動態交流中建立良好的教學模式，及時調整自己的教學行為。利用好課程結束前5分鐘，進行本次課程主要內容的回顧，及時反饋總結。通過及時批改課后作業，了解整個班級相關知識及解題方法的掌握情況。依據反饋信息，對后續課程進行修訂。
通過雙方的反饋信息，教師可以根據學生學習中的反饋信息分析、判定學生學習的效果，學生也可以根據教師的反饋，分析自己的學習效率，檢測自己的學習態度、水平和效果。同時，學生學習行為活動和結果的反饋是教師自我調控和對整個教學過程進行有效調控的依據[6]。
四、結論
量子力學作為傳統的“難課”，一直是學生感到學起來很困難的課程。特別是高校大擴招的背景下，很多二本高校都面臨著招生生源質量下降、學生學習意愿不高的現狀，造成了教師教學難度進一步增大。要增強學生的學習興趣，提高教學質量，教師不僅要遵循高等教育的教學規律，不斷加強自身的學術水平，講課技能，適時調整教學內容，采取與之相對應的教學手段，還需要做好教學反饋，加強與學生的溝通交流，了解學生的真實想法，并有針對性的引入與生活、現實相關的事例，提高學生學習量子力學的興趣。
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關鍵詞：環伸縮振動頻率 芳香性 相關性
中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0081-03
早在20世紀90年代中期，Schleyer等在反復計算驗證的基礎上，提出核獨立化學位移（Nucleus-Independent Chemical Shifts，NICS）可作為判別物質芳香性大小的一個簡單而有效的探針和判別標準[1～2]。此標準不僅能用作有機物芳香性大小的判據[1]，而且能作為無機芳香物[2]、全金屬簇芳香合物體系[3～5]和三明治芳香配合物[6～9]芳香性大小的判據。但是，利用NICS的大小判別物質芳香性的大小，目前僅僅停留在理論計算階段，在實驗上至今還沒有找到測定物質芳香性的有效辦法。研究發現環狀的芳香性有機分子具有高對稱的環伸縮振動拉曼光譜[10]。研究也發現物質芳香性與其共軛性（即環狀共軛π和σ鍵）有關，而這種共軛性也由其芳香性分子中各相鄰原子間的大小相等的共軛作用力大小所決定，相鄰原子間的大小相等的這種作用力在實驗上表現為存在高對稱的環伸縮振動的A1g/A1′拉曼光譜。那么我們完全有理由推測物質的芳香性大小也一定與物質的高對稱環伸縮振動光譜拉曼光譜大小相關，完全可以通過測定芳香性物質的環伸縮振A1g/A1′拉曼光譜頻率的大小來實現對其芳香性大小的實驗定量測定，解決實驗上無法測定物質芳香性大小的這一難題。為了尋找芳香性分子的芳香性大小（NICS）與其高對稱的環伸縮振動A1g/A1′光譜拉曼光譜頻率大小間的相關性，我們在前人對C6H6、C5H5-、C7H7+[11]、Si6H6、Ge6H6[2]等芳香性大小理論計算的基礎上，用密度泛函理論（DFT）對LnHn（L=C、Si、Ge，n=3～8）系列芳香性分子的芳香性大小NICS、環伸縮振動光譜拉曼光譜頻率大小及其二者間的相關性進行理論計算，以期為實驗尋求測試物質芳香性大小有效辦法提供理論參考。
1 計算和實驗測定方法
利用Gaussian09[12]量子化學計算程序，用高精度的量子化學計算方法B3LYP/6-311+g（d，p）對芳香性分子―CnHn（n=3～8）、SinHn（n=3，5～8）、GenHn（n=3，5～8）進行幾何優化、頻率和拉曼光譜的計算（如表1所示），并利用B3LYP-GIAO/6-311+g（d，p）方法對所研究系列分子的NICS值進行了計算，計算結果如表1所示。采用NBO3.1程序對各基態結構的鍵級進行自然鍵軌道（NBO）分析[13]。文中所涉及的分子幾何結構圖及分子軌道圖均采用Guassview5.0繪制而成。我們對苯的NICS（0.0）計算值與Schleyer等的計算結果完全一致[14]。同時，在常溫常壓下，用NX RFT-RAMAN MODULE的拉曼光譜儀，對測定了分析純苯的拉曼光譜值，實驗測定環伸縮振動（A1g）頻率值993.1 cm-1與文獻報道實驗值996.7 cm-1相近[15]，理論計算的環伸縮振動（A1g）頻率值為1011.8 cm-1，與實驗測定值的相對誤差在1.8%以內，說明用我們的方法計算芳香性物質拉曼光譜值是非常準確的。
2 結果
為了尋找所研究系列分子（CnHn（n=3～8）、SinHn（n=3，5～8）、GenHn（n=3，5～8））芳香性大小與其環伸縮振動拉曼光譜的相關性，我們對其進行幾何優化、頻率、鍵級、NICS和拉曼光譜的計算（如表1所示）。
從表1可以看出我所計算的分子均為Dnh，NICS的絕對值、環伸縮振動（A1g/A1′）拉曼光譜與MBO鍵級均隨著n值的增大而減小。例如CnHn（n=3～8）的NICS（min）從|-28.6、|-13.6、|-12.6、|-10.5、|-9.5、-9.0依次減小，freq（A1g/A1′）從1664.3、1274.1、1143.7、1011.8、874.4、752.1依次減小，MBO鍵級從1.65、1.76、1.28、1.11、0.83、0.70依次減小。從表1還可以看出CnHn（n=3～8）除C4H42-有4個虛頻外，其余均為穩定結構沒有虛頻，而從SinHn、GenHn（n=3，5～8）的NIF可以看出除Si3H3+、Ge3H3+沒有虛頻，其余均有大于或等于1個虛頻，為不穩定結構。由此看出，這三個系列分子的NICS理論計算值與其環伸縮振動（A1g/A1′）拉曼光譜頻率理論計算值大小均呈高度正相關，分子的NICS絕對值越大，其環伸縮振動頻率也越大，預測可通過測定芳香性物質的環伸縮振動（A1g/A1′）拉曼光譜頻率的大小來實現對其芳香性大小的實驗定量測定。
3 討論與分析
C6H6的環伸縮振動A1g正則振動形式如圖1所示，發現其為高對稱環伸縮振動模式，該振動模式對應的拉曼光譜頻率值的大小與其各相鄰碳原子間的大小相等的作用力呈正相關，即C6H6的各相鄰碳原子間的作用力越大，則其A1g正則振動方式大小的拉曼光譜頻率值也越大。苯的芳香性與碳原子間的共軛性（即存在環狀共軛π和σ鍵）有關，為說明苯的共軛性，我們用Guassview5.0繪制其基態構型分子軌道中存在環電流的幾個重要特征的前線分子軌道圖，如圖2所示，從圖2看出C6H6的HOMO-4特征分子軌道形成π環流，使苯具有π芳香性，而HOMO-9、HOMO-14軌道形成σ環流，使苯具有σ芳香性，而這種共軛性大小也由苯分子中各相鄰碳原子間的大小相等的這種作用力大小（主要由MBO表示）所決定，在實驗上必表現為其共軛性越大其高對稱的環伸縮振動A1g拉曼光譜頻率越高，即苯的芳香性大小與其高對稱的環伸縮振動A1g拉曼光譜頻率大小也呈正相關關系，即苯的芳香性越大，其環伸縮振動頻率也越大。
因為C、Si、Ge屬于同一主族，最外層都具有4個電子，形成化合物的性質十分相似，我們經過對三個系列分子的數據進行整理分析，發現CnHn（n=3～8）、SinHn（n=3，5～8）、GenHn（n=3，5～8）符合C6H6所討論的結果，它們都具有環狀的共軛π和σ鍵，芳香性越大，鍵級越大，環伸縮頻率越大，如SinHn（n=3，5～8）從Si8H82+到Si3H3+，NICS（min）由-7.7增加到-20.9，MBO鍵級由0.72增加到1.56，環伸縮振動頻率由277.9增加到604.7。說明我們找到了芳香性分子的芳香性大小（NICS）與其高對稱的環伸縮振動A1g/A1′光譜拉曼光譜頻率大小間相關性的有力依據。
4 結論
CnHn（n=3～8）、SinHn（n=3，5～8）、GenHn（n=3，5～8）三個系列分子的NICS理論計算值大小與其環伸縮振動（A1g/A1′）拉曼光譜頻率理論計算值大小間呈高度正相關，分子的芳香性越大，其環伸縮振動頻率也越大，預測可通過測定芳香性物質的環伸縮振動（A1g/A1′）拉曼光譜頻率的大小來實現對其芳香性大小的實驗定量測定。
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關鍵詞：結構化學 教學方法 內容體系 教學質量
中圖分類號：O641-4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（b）-0204-01
結構化學是用量子力學原理和現代物理方法，從微觀的角度來研究原子、分子和晶體微觀結構及其結構與性能之間關系的學科。結構化學是現代化學的一個重要分支，其基本理論和基本內容是無機化學、有機化學等基礎化學的重要理論基礎。所以，通過結構化學課程的學習，不僅要讓學生掌握結構化學的具體知識，而且還要讓學生深刻理解“結構決定物性”這一基本原理。
近幾年來，作者所在學校為貫徹“少而精、精而新”的原則，課程體系不斷調整，各類課程教學學時數不斷減少，在這種新形勢下如何提高結構化學課程的教學質量成為教學管理工作者和教師首要解決的問題。作者結合多年從事結構化學課程教學積累的經驗，重新優化了結構化學課程的課程體系和教學內容、在此基礎上對教學方法進行了改革，旨在要使學生不僅學會從微觀層次看問題，拓展思路，抓住問題本質，而且還要提升學生理論聯系實際的能力，以利于素質教育和人才培養，更好地順應社會需要。
1 優化課程內容體系
依據系統論對結構化學課程內容體系進行了進一步的優化、重組和精練。首先，刪除原教材中陳舊落后的知識內容，增加新知識的內容。將原有的內容體系向環境、生命、材料、能源等科學領域適當地擴展，實現與現代化學理論前沿的密切接軌。其次，建立新的知識系統，優化知識結構，將知識點按物質系統層次重新組織，將知識點組成知識鏈、構成知識網。通過整合、精簡、豐富、優化課程內容體系，實現對教學內容更深刻的理解，建立更完善的理論體系。
通過內容體系的優化，使教師和學生更加明確電子構型和幾何構型是結構化學的兩條主線；更加有利于結構化學量子理論和原子結構、化學鍵理論和分子結構、點陣理論和晶體結構三種理論和三類結構的講授；更加有利于學生打好量子化學基礎、對稱性原理基礎和結晶化學基礎三方面的基礎。
2 改革教學方式、方法
2.1 重視多媒體網絡教學
掌握結構化學知識和原理不能脫離實驗，借助于計算機技術，學生將能“走進”原子、分子和固體內部，探索微觀世界的奧妙。計算機技術對結構化學的重要作用之一，就是把真實的微觀世界中的抽象性在虛擬世界里具體化，顯著改進教學效果，這也是結構化學多媒體網絡教學的魅力。
在多媒體教學基礎上，我們進一步實施網絡教學，編寫出適合于現代遠程教育的網絡課件，使結構化學多媒體教學和網絡教學走向更為完美的境界。在教學模式上，進一步發揮學生為認知主體的作用，有利于學生自主安排學習時間和進度，能使學生得到最好的指導，及時獲得最新知識。與此同時，我們進行了結構化學的教學平臺建設，在教學平臺中開設精典試題庫、在線輔導答疑、仿真模擬實踐等項目，為實現數字化學習和自主、探索性學習創造條件。
2.2 設置課程論文撰寫環節
設置課程論文不僅可以讓學生在搜尋研究對象、研究范圍時，對以前的專業知識進行回顧和分析，還可以引發學生對化學知識、原理和現象進行思考。比如，我們設置的課程論文：三個著名實驗—— 黑體輻射、光電效應與波爾原子光譜的思考。通過該課程論文的撰寫可以讓學生知道，既要掌握好傳統知識，又要不為它所束縛，要從反常現象中產生新思維，開創新領域。通過“晶體結構”這部分傳統內容的講解我們設置的課程論文：準晶和非晶態材料的發展與應用。該課程論文可以使學生接觸相關領域的最新知識，激發學生的學習熱情和研究興趣。
課程論文撰寫環節的設置還可為學生畢業論文研究階段所需要的邏輯思維和論文寫作打下基礎。當然，在指導學生進行課程論文研究時，不僅要講授一般論文的寫作格式，培養學生的邏輯思維，提高學生的書面表達能力，形成一般論文的寫作規范；還要注意講述一般科學研究的方法和步驟，科學工作者所應具備的科學道德，全面提升學生的科學素養。
2.3 成立科研興趣小組
為了鼓勵學生在結構護化學的學習過程中有一個思考與深化，接受與發展的時間流程。我們將有興趣的同學組織在一起，成立科研興趣小組，通過科學研究過程提高課堂教學的效果與質量。這種做法可以突破課堂教學時間和空間的束縛，讓學生提出問題并設立課題進行研究，或讓學生直接參與老師的科研課題（通常是將課題拆解成幾個子課題）研究。具體做法：一是讓學生就某一部分內容，通過查閱文獻，嘗試提出問題，老師確定具有可行性后，以學生科研項目的形式進行專門研究，教師適時給予專門性指導。二是將老師承擔的科研課題進行拆解，拆分成幾個相對獨立的子課題，針對學生的各自特長分派給學生，在整個研究過程中，課題組的老師全程參與指導。這樣的模式不僅有利于學生將課堂中學到的知識進行延伸并拓展，而且有利于激發學生的探索熱情和求知的欲望，培養學生的團結合作的素養，提升學生的思維能力和創造能力。
2.4 教師科研成果引入課堂
大量的研究結果表明，教師的科研和教師的教學效果之間呈現出顯著的相關性。作為一位高校教師，在開展教學活動中，完全依照傳統教學模式進行教學，無法將最新的知識和新技術傳授給學生，不利于培養學生的創新意識，也不利于學生實踐能力的提升。因此，教師要通過加強科研實踐，緊跟學科研究的最新動態，將科研成果引入教學課堂，才能在教學中很自然地、潛移默化地用科研所必需的實踐精神和創造精神去感染學生，才能使學生受到鼓舞、得到啟迪，才能使自己的課堂內容具有豐富性、代表性、創造性和啟發性。
3 結論
通過對課程內容體系的優化，使教師和學生更加明確了電子構型和幾何構型是結構化學的兩條主線；通過對教學方式方法的改革，拓展了學生的思路、提升了學生理論聯系實際的能力、提出問題和解決問題的能力，是培養出來的學生更加順應社會的需要。
參考文獻
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