01 / 导读
导读
引用
Engel, T., & Reid, P. (2018). Physical Chemistry: Quantum Chemistry and Spectroscopy (4th ed.). Pearson.
章节概要
本书是两卷本物理化学课程中的量子力学与光谱学分册；配套分册涵盖热力学、统计热力学和动力学。Pearson 列出 17 章。出版社的介绍把计算化学一章归功于 Warren Hehre，序言则说明合著者 Alex Angerhofer 对重写的核磁共振一章作出了重要贡献。每章开篇是三个问题及其回答，边栏标出 10–15 个关键概念，章末有关键公式表、延伸阅读和习题。
第 1–3 章：From Classical to Quantum Mechanics（从经典力学到量子力学）；The Schrödinger Equation（薛定谔方程）；The Quantum-Mechanical Postulates（量子力学的公设）
开篇几章从经典图像过渡到量子图像，引入薛定谔方程，并给出全书其余部分所依据的公设。
第 4–6 章：Applying Quantum-Mechanical Principles to Simple Systems（把量子力学原理应用于简单体系）；Applying the Particle in the Box Model to Real-World Topics（把箱中粒子模型应用于现实问题）；Commuting and Noncommuting Operators and the Surprising Consequences of Entanglement（对易与不对易算符及纠缠的惊人后果）
先求解简单的模型体系，再把箱中粒子应用于现实问题；序言指出，第 5.4 节经过修订，以便更好地解释固体中的导电。第 6 章讨论对易与不对易算符以及纠缠，其第 6.6 节经过大幅修订，纳入了量子计算方面的进展。
第 7–8 章：A Quantum-Mechanical Model for the Vibration and Rotation of Molecules（分子振动和转动的量子力学模型）；Vibrational and Rotational Spectroscopy of Diatomic Molecules（双原子分子的振动与转动光谱）
先给出分子振动和转动的模型，再讲双原子分子的光谱。序言说，讲选择定则起源的第 8.4 节经过修订和扩充。
第 9–11 章：The Hydrogen Atom（氢原子）；Many-Electron Atoms（多电子原子）；Quantum States for Many-Electron Atoms and Atomic Spectroscopy（多电子原子的量子态与原子光谱）
对原子的处理从氢原子开始，接着是多电子原子，最后是多电子原子的量子态和原子光谱。
第 12–14 章：The Chemical Bond in Diatomic Molecules（双原子分子中的化学键）；Molecular Structure and Energy Levels for Polyatomic Molecules（多原子分子的结构与能级）；Electronic Spectroscopy（电子光谱）
化学键先讲双原子分子，再讲多原子分子。第 14 章讲电子光谱；序言说，第 14.5、14.7 和 14.10 节经过重新表述，把电子跃迁与初态和终态的分子轨道联系起来，第 14.12 节也经过修订，反映了 FRET 应用方面的进展。
第 15–17 章：Computational Chemistry（计算化学）；Molecular Symmetry and an Introduction to Group Theory（分子对称性与群论入门）；Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy（核磁共振波谱）
一个独立的计算化学章，接着是分子对称性与群论。最后一章讲核磁共振，在本版中被彻底改写并扩充，现在涵盖核 Overhauser 效应、动态核极化，以及如何用二维核磁共振技术测定溶液中大分子结构的广泛讨论。
核心概念
第 1–6 章：量子力学基础
- 薛定谔方程与公设：量子体系的运动方程，以及由此得到可测量的规则（第 2–3 章）。
- 箱中粒子：一个应用于现实问题的简单模型，包括固体中的导电（第 4–5 章）。
- 对易与不对易算符；纠缠：顺序有影响的算符，以及纠缠的后果，包括它与量子计算的关系（第 6 章）。
第 7–11 章：振动、转动与原子
- 分子的振动和转动：量子力学模型及其光谱学结果，包括选择定则（第 7–8 章）。
- 氢原子与多电子原子：原子的量子力学处理与原子光谱（第 9–11 章）。
第 12–17 章：分子、光谱与计算
- 化学键与分子能级：双原子和多原子分子中的成键（第 12–13 章）。
- 电子光谱：与分子轨道相联系的电子跃迁（第 14 章）。
- 计算化学、对称性与群论：计算分子结构，并按对称性对状态分类（第 15–16 章）。
- 核磁共振波谱：从基本方法到用于大分子的二维技术（第 17 章）。
评析
优点
- 重核心概念而非百科全书式的覆盖。 序言说明，目标是在有限的几个领域中建立扎实的理解，而不是提供一部浓缩的物理化学百科全书；全书也不必依次读完或读全，补充性小节可以略去，许多小节相对独立。
- 在需要之处提供数学帮助。 第三版的数学补编被拆分为 11 个两到五页的“Math Essentials”，插在需要相应技能之前，因为作者观察到，学生很难把数学课上学到的技能迁移到物理化学中。
- 每章都内置学习辅助。 序言和出版社页面列出了：开篇的三个问题及回答、每章 10–15 条边栏“Concepts and Connections”、每章末尾的关键公式表、延伸阅读清单、例题，以及章末的概念题、按节组织的数值习题和基于网络模拟的习题。
- 现代应用。 作者把基本原理与扫描隧道显微镜、量子点、量子计算、固体能带结构、原子力显微镜和核磁共振成像联系起来，出版社还强调了来自生物学、环境科学和材料科学的应用。
- 专门的计算化学章。 出版社把第 15 章描述为使化学键和分子结构的教学从定性转向定量。
局限
- 只是物理化学课程的一半。 热力学和动力学内容在配套分册中，因此涵盖两部分的课程需要两本书；出版社说明，配套分册的 Pearson+ eText 包含量子化学与光谱学各章。
- 部分支持材料在另外的平台上。 出版社称，计算题的详细操作说明在 Mastering Chemistry 中，该平台需另行购买；只用书的读者看不到这些说明。
- 数学要求。 尽管有 Math Essentials，书中仍有关于算符、群论和二维核磁共振的章节，这些需要熟练的微积分，并且最好具备一些线性代数知识。
- 通过理论讲光谱。 光谱学是通过其量子力学基础来呈现的（第 8、11、14、17 章）。章名并未表明有解读谱图以鉴定有机化合物的训练，对此，专门的谱图解析书更合适。
在课程中的定位
Engel 和 Reid 的书是本课程所列书籍中的标准课程教材：对量子化学进行完整的本科层次的论述，随后讲主要的分子光谱学。Thakkar 的 Quantum Chemistry: A Concise Introduction 被描述为一本简短的、以思想为中心的入门读物，面向将使用光谱学和电子结构计算而不是发展理论的读者，适合作为 Engel 和 Reid 第 1–4 章及第 12–13 章之前较平缓的第一遍阅读。McQuarrie 的 Quantum Chemistry 被描述为对原子结构、成键和光谱背后的量子思想的严谨论述，是更严谨的选择。
Jensen 的 Introduction to Computational Chemistry 是第 15 章及计算习题的自然延伸。Pavia、Lampman、Kriz 和 Vyvyan 的 Introduction to Spectroscopy 以及 Silverstein 等人的 Spectrometric Identification of Organic Compounds 集中讲解如何解读红外、核磁共振、紫外–可见和质谱来确定有机结构，因此与 Engel 和 Reid 第 8、14、17 章所讲的振动、电子和核磁共振光谱背后的理论相互补充。
如何使用本书
序言指出的目标读者是主修化学、生物化学和化学工程的本科生，以及大气科学和生物科学的许多学生。书中没有列出正式的先修要求；Math Essentials 会在需要之前刷新特定的数学技能。
一个学期课程的实用安排：
- 核心： 第 1–4 章，建立量子力学框架；第 7–8 章，讲振动、转动和双原子分子光谱；第 9–10 章，讲原子；第 12–14 章，讲化学键和电子光谱。
- 选讲专题： 第 5 章和第 6 章（箱中粒子的应用、算符与纠缠），视兴趣而定；如果教学大纲包括原子光谱，则读第 11 章原子态。
- 工具与延伸： 第 15 章计算化学，可与第 12–13 章同时学习；第 16 章对称性与群论；第 17 章核磁共振，本版已重写，如果大纲包含核磁共振则学习。
先读每章开头的问题和“Concepts and Connections”边栏，先做例题再做章末习题，复习时使用关键公式表。序言说明全书不必从头读到尾，如果时间紧张，可以略去补充性小节。