01 / 导读
导读
引用
Thakkar, A. J. (2021). Quantum Chemistry: A Concise Introduction for Students of Physics, Chemistry, Biochemistry and Materials Science (3rd ed.). IOP Publishing.
章节概要
这是一本篇幅很短的书：零售信息显示约165–172页，共十一章和六个附录，正文前有《致学生》（A note to the student）、序言和作者简介。出版社把它既定位为本科二、三年级的教材，也定位为研究人员快速入门或复习的参考书，并称其重点在于解释思想，而不是罗列事实或讲解操作细节。第3版由十章增至十一章：出版社列出的新内容包括含时薛定谔方程、电子相关波函数方法和密度泛函理论（DFT），以及更多习题、计算量子化学入门和资源列表。下文引用自第2版（2017年）的节标题只说明当时各章的内容，第3版的分节可能有所不同。
第1章：分子对称性
本书从对称性而不是量子力学开始。第2版中，这一章涉及对称操作和对称元素、分子对称性的分类以及对称性带来的推论。出版社把前两章称为全书的基石。
第2章：量子力学基础
讲基本假设：在第2版中包括描述体系状态的波函数、代表可观测量的算符、薛定谔方程以及测量值与平均值。含时薛定谔方程是出版社列出的第3版新内容之一。
第3–5章：平动与振动；对称性与简并；转动
这三章讲简单模型，用出版社的话说，它们是分子光谱学和统计热力学的基础，对称性贯穿其中。第2版中依次讲了一维导线中的粒子和谐振子；矩形平板中的粒子、对称性如何导致简并以及波函数的对称性；环上的粒子、球面上的粒子和刚性转子。
第6章：电子运动：氢原子
讲氢原子的电子结构。第2版的这一章先讲玻恩–奥本海默近似和电子哈密顿量，再求解氢原子和类氢离子。
第7章：分子原型：氢分子离子
讲最简单的分子。第2版借它引入LCAO模型和势能曲线、变分法、力常数和解离能以及激发态。
第8章：多电子体系的平均场模型
学过单电子原型之后，读者转向处理多电子原子和分子的基本思想。这一章在第2版中题为"多电子体系"，从氦原子出发，经过自旋与泡利假设、电子密度和哈特里–福克模型，一直讲到原子、双原子分子和科恩–沈模型。
第9章：休克尔模型
讲共轭烃的定性分子轨道理论。第2版中涉及累积多烯、轮烯和其他平面共轭烃，电荷、键级与反应性，最后一节说明休克尔模型为何不是定量的。
第10章：电子相关的处理
这是第3版新增的一章，与出版社所说的电子相关波函数方法和DFT方面的新内容相对应；其节级内容没有公开。
第11章：计算量子化学
出版社称最后一部分是计算方法的入门，说明用量子化学软件进行有意义的电子结构计算所必须做出的"最低限度"技术选择。第2版中相应的一章讲了实际计算、后哈特里–福克方法、科恩–沈DFT计算以及基组的选择。
附录A–F
含不随时间变化势的体系；微扰理论；矩阵形式哈特里–福克方程的求解；参考资料；习题提示与解答；学习与探索资源。
核心概念
第1–2章：对称性与基本假设
- 对称操作与点群：使分子保持不变的操作，以及据此对分子进行的分类，贯穿全书。
- 波函数与算符：体系的状态以及代表可观测量的算符。
- 薛定谔方程：其解给出允许的状态和能量的方程。
第3–5章：模型体系
- 箱中粒子、谐振子、刚性转子：平动、振动和转动能级背后的简单模型。
- 简并：不同状态具有相同能量；本书把它与对称性直接联系起来。
第6–9章：原子、分子与轨道
- 玻恩–奥本海默近似：把电子运动与核运动分开，从而得到势能曲线。
- LCAO与变分法：由原子轨道构造分子轨道，并通过使能量最小来优化。
- 哈特里–福克（平均场）模型：把每个电子看作在其他电子的平均场中运动。
- 休克尔模型：适用于共轭π体系的简单定性分子轨道方法。
第10–11章：超越平均场与计算
- 电子相关：平均场模型遗漏的部分，由电子相关波函数方法和DFT处理。
- 基组与方法的选择：用标准软件进行有意义计算所需的技术选择。
评析
优点
- 篇幅短，专注于思想。 全书不到两百页，可以与课程同步阅读，而不是取代课程。出版社说明其重点是面向光谱测量和电子结构软件"新手用户"的概念，而不是操作细节。
- 从对称性入手。 以分子对称性开篇，并在第4章把它与简并和波函数对称性联系起来，为化学专业读者提供了一个后续各章持续使用的框架，从简并能级一直到分子轨道。
- 通向实际应用。 最后一章面向真正要运行量子化学程序的人，讲的是方法和基组的选择，而不是算法；新增的资源附录则指向更多印刷和在线资料。
- 便于自学。 附录E提供习题提示与解答，第3版还增加了习题。
局限
- 简明意味着取舍。 各章都很短（第1版和第2版每章约7–14页），推导和例题有限；需要完整数学推演的学生需要更长的教材。
- 几乎不讲光谱学本身。 书中讲了光谱学背后的模型，微扰理论放在附录里，但目录中没有关于光谱技术或选择定则的章节；它不能代替光谱学教材。
- 未找到公开书评。 没有找到第3版的独立书评，因此关于本书方法的主要依据是出版社的介绍。
在课程中的定位
在本课程中，Thakkar的书承担简明概念入门的角色。Engel和Reid的 Physical Chemistry: Quantum Chemistry and Spectroscopy 是一本完整的物理化学教材，讲同样的主题并详细讨论光谱学；McQuarrie的 Quantum Chemistry 篇幅更长、数学推导更详细，适合想看推导的学生。Thakkar可以在两者之前作为学科地图来读，也可以与它们同时阅读，作为思想的简短总结。
Frank Jensen的 Introduction to Computational Chemistry 在研究生层次上讲解Thakkar最后两章所引入的方法，是任何要做计算的人自然的下一步。Pavia等人的 Introduction to Spectroscopy 与Silverstein等人的 Spectrometric Identification of Organic Compounds 是用于结构鉴定的谱图解析实用教材；它们使用光谱学而不解释其量子基础，因此与Thakkar第3–5章是搭配关系，而非重叠。
如何使用本书
本书适合化学、生物化学、材料科学和物理学的本科二、三年级学生，也适合使用光谱学或电子结构软件、想了解背后概念的研究人员。读者需要具备微积分基础，并对向量和矩阵有一定了解；附录D汇集了参考资料。
实用阅读计划：
- 核心： 第1–2章，然后把第3–5章作为模型体系的一个整体来读，再读讲原子、氢分子离子和平均场模型的第6–8章。这些章节承载全书的论证，应按顺序阅读，因为第1章的对称性会反复出现。
- 有机化学与定性成键： 主要需要π轨道推理的学生读第9章休克尔模型。
- 走向计算： 要做计算的人读第10–11章，之后转向Jensen的书或软件文档；附录C说明矩阵形式哈特里–福克方程如何求解。
- 辅助材料： 附录A和B讲不含时势和微扰理论，供所修课程用到这些内容的学生阅读。
先自己做题，再查看附录E的提示与解答。由于本书简明，推导时应手边备一本更长的教材，并利用附录F列出的资源进一步探索。