1978-1980年,我參加了全國量子化學進修班,這個進修班是在唐敖慶老師的倡議下,由吉林大學理論化學研究所舉辦的,來自全國部分高校和科研院所的教師和理論化學專業的研究生共150多人入班學習。那時候我國正處於「撥亂反正」時期,十年「文革」使得我國的理論化學學科面臨後繼無人的嚴峻局面。在唐敖慶老師倡議下舉辦的這期進修班為我國理論化學學科的發展做出了歷史性貢獻。
我能夠參加這個進修班完全是機緣巧合。1978年,我國恢復了研究生招生,當時我是山東大學化學系的一名教師,出於對理論化學的興趣和對鄧從豪老師的敬仰,我向系領導提出報考鄧從豪老師研究生的申請,系領導不同意我離開化學系,只允許我報考本系研究生,鄧老師當時在山東大學光學系做系主任,因此不能報考,於是我報考研究生的事被擱置下來。不久,化學系領導推薦我去吉林大學舉辦的這期進修班學習,我欣然前往。
▲ 作者和鄧從豪老師
進修班共三個學期,歷時一年半之久。唐敖慶老師為進修班講授了量子力學和量子化學兩門課程,鄧從豪老師講授了分子反應動力學,孫家鍾老師、江元生老師、鄢國森老師、戴樹珊老師和趙成大老師則分別講授了代數與群論、數學物理方法、圖論、分子振動、配位場理論和統計熱力學等。為了消化老師們傳授的知識,我們經常學習到深夜,我印象中,夜裡12點以前睡覺的時候很少。進修班結束時,唐敖慶老師用了一個十分形象的比喻來說明這期進修班的收穫。他對我們說,從事理論化學研究就像攀登喜馬拉雅山,這期進修班把你們送到了8000米高度,剩下的800多米就要靠你們自己攀登了。的確,進修班的學習使我有了較好的理論基礎。
進修班結束後,我報考了鄧從豪老師的研究生,師從鄧老師攻讀碩士和博士學位,從事量子化學基礎理論研究。那時,鄧老師已經從光學系回到化學系做系主任了。在鄧老師的精心培育下,我的學業有了進一步提升。取得博士學位後我又去吉林大學理論化學研究所做了兩年博士後。
▲ 1986年我博士論文答辯時答辯委員合影
左起:江元生院士,鄢國森教授,鄧從豪院士,唐敖慶院士,徐光憲院士,劉若莊院士,孫家鍾院士,張乾二院士
參加進修班學習是我學業道路上的一個裡程碑,不僅為我以後的教學和科研打下了一定基礎,而且使我感受到老一輩科學家培養後輩的拳拳之心:為了讓後一代站得更高,走得更遠,必須讓他們打好堅實的理論基礎。從進修班開班到今天已經有40年之久,時過境遷,集理論化學界精英之力,為研究生講授一年半的基礎理論課程,在今天可能被認為是痴人說夢。我撰寫《量子化學》(劉成卜編著.北京:科學出版社,2020.9)一書的目的,是希望為理論化學的研究生和從事相關研究的從業人員學習量子化學基礎理論提供一點幫助。
從1990 年至今,我一直為山東大學化學學科理論與計算化學專業研究生講授量子化學課程,持續了30 年。《量子化學》正是我在多年積累的研究生教學講義的基礎上編寫而成的。
山東大學化學學科曾經開設了兩種量子化學課程,一種是為化學學科所有專業的研究生開設的,稱為量子化學Ⅰ,講授量子力學基礎和分子電子結構理論初步;另一種則是專門為理論與計算化學專業的研究生開設的,稱為量子化學Ⅱ。我講授的是量子化學Ⅱ。根據教學安排,學生應在修完量子化學Ⅰ和群論(分子點群)等課程之後,才修習量子化學Ⅱ。因此,量子化學Ⅱ的內容是基於學生具備了一定的量子化學(主要是量子力學)和群論基礎而設計的,起點較高。基於以上安排,我編寫了教學講義。在編寫講義的過程中,我有兩點考慮:第一,為了保持知識的連貫性,便於學生接受新的內容,應在講義中適當複習量子力學和群論的有關基礎知識;第二,作為一本教材,應力求系統、完整地介紹量子化學基礎理論。量子化學Ⅰ中講授過的有關電子結構理論的內容不能略去不講,而應該在更高的層次上重新表述,建立嚴謹、完整的量子化學知識系統。當然,由於學時限制,講義內容不可能全部講授,但可以作為課外材料供學生閱讀。
▲ 2005年指導學生科研
在本書撰寫過程中,我特別注重基本概念的闡釋和理論架構的解析。量子化學的特點是:專業術語多、基本概念多、理論方法多。對於所涉及的專業術語和基本概念,我盡力交代清楚其來龍去脈及不同概念之間的聯繫和區別;對於所涉及的理論方法,我致力於解析其框架結構及其發展過程,力圖使學生通過學習本課程了解量子化學的基本精神。此外,量子化學涉及的數學符號多,理論公式多。我儘可能選擇同一符號系統指代同類物理量,不同符號系統指代非同類物理量,以便讀者通過符號辨識各種物理量之間的聯繫和區別,避免造成混淆。對於書中給出的所有公式,我都做了仔細推導,修正了有些教科書中的印刷錯誤,並給出了主要推導步驟及其依據。按照書中給出的推導步驟,學生可以導出所有公式,這對學生加深理解量子化學的基本概念和理論方法會有所幫助。書中給出的不少公式是其他教科書中沒有的,是我依據相關概念或理論方法導出的。我認為,增加這些公式,有利於闡釋相關概念的內涵,有利於揭示相關理論的架構。此外,書中許多公式的推導方法也與其他教科書不同,採用本書的推導方法,概念更為清晰,步驟更為簡潔。
▲ 2008年給學生上課的照片
希望本書能為讀者打好堅實的理論基礎有所裨益。
《量子化學》
劉成卜編著
北京:科學出版社,2020.9
ISBN 978-7-03-066008-4
責任編輯:趙曉霞 高 微
本書是在作者多年積累的研究生教學講義的基礎上修訂而成的,較為系統、完整地介紹了量子化學基礎理論. 全書共6 章,前5 章介紹波函數理論,第6 章介紹密度泛函理論. 波函數理論主要圍繞6 個關鍵詞展開討論,即波函數、電子結構、Hartree-Fock 方程、矩陣元計算、勢能面和相關能. 密度泛函理論主要圍繞5 個關鍵詞展開討論,即密度函數、Hohenberg-Kohn 定理、Kohn-Sham 方程、交換-相關能泛函、基態和激發態. 在介紹有關內容時,本書特別注重基本概念的闡釋和理論架構的解析,並盡力反映量子化學的最新成果. 書中的所有公式都給出了主要推導步驟及其依據,力求嚴謹、簡明,並特別注意採用規範的符號系統. 每章均附有習題.
本書可作為高等學校理論與計算化學、結構化學及光譜學專業研究生的教材或教學參考書,也可供從事相關專業教學和科學研究的教師和科研人員參考.
(本文編輯:劉四旦)
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