01 / 導讀
導讀
引用
Engel, T., & Reid, P. (2018). Physical Chemistry: Quantum Chemistry and Spectroscopy (4th ed.). Pearson.
章節概要
本書是兩卷本物理化學課程中的量子力學與光譜學分冊；配套分冊涵蓋熱力學、統計熱力學和動力學。Pearson 列出 17 章。出版社的介紹把計算化學一章歸功於 Warren Hehre，序言則說明合著者 Alex Angerhofer 對重寫的核磁共振一章作出了重要貢獻。每章開篇是三個問題及其回答，邊欄標出 10–15 個關鍵概念，章末有關鍵公式表、延伸閱讀和習題。
第 1–3 章：From Classical to Quantum Mechanics（從經典力學到量子力學）；The Schrödinger Equation（薛丁格方程式）；The Quantum-Mechanical Postulates（量子力學的公設）
開篇幾章從經典圖像過渡到量子圖像，引入薛丁格方程式，並給出全書其餘部分所依據的公設。
第 4–6 章：Applying Quantum-Mechanical Principles to Simple Systems（把量子力學原理應用於簡單系統）；Applying the Particle in the Box Model to Real-World Topics（把箱中粒子模型應用於現實問題）；Commuting and Noncommuting Operators and the Surprising Consequences of Entanglement（對易與不對易運算子及糾纏的驚人後果）
先求解簡單的模型系統，再把箱中粒子應用於現實問題；序言指出，第 5.4 節經過修訂，以便更好地解釋固體中的導電。第 6 章討論對易與不對易運算子以及糾纏，其第 6.6 節經過大幅修訂，納入了量子計算方面的進展。
第 7–8 章：A Quantum-Mechanical Model for the Vibration and Rotation of Molecules（分子振動和轉動的量子力學模型）；Vibrational and Rotational Spectroscopy of Diatomic Molecules（雙原子分子的振動與轉動光譜）
先給出分子振動和轉動的模型，再講雙原子分子的光譜。序言說，講選擇規則起源的第 8.4 節經過修訂和擴充。
第 9–11 章：The Hydrogen Atom（氫原子）；Many-Electron Atoms（多電子原子）；Quantum States for Many-Electron Atoms and Atomic Spectroscopy（多電子原子的量子態與原子光譜）
對原子的處理從氫原子開始，接著是多電子原子，最後是多電子原子的量子態和原子光譜。
第 12–14 章：The Chemical Bond in Diatomic Molecules（雙原子分子中的化學鍵）；Molecular Structure and Energy Levels for Polyatomic Molecules（多原子分子的結構與能級）；Electronic Spectroscopy（電子光譜）
化學鍵先講雙原子分子，再講多原子分子。第 14 章講電子光譜；序言說，第 14.5、14.7 和 14.10 節經過重新表述，把電子躍遷與初態和終態的分子軌道聯絡起來，第 14.12 節也經過修訂，反映了 FRET 應用方面的進展。
第 15–17 章：Computational Chemistry（計算化學）；Molecular Symmetry and an Introduction to Group Theory（分子對稱性與群論入門）；Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy（核磁共振光譜）
一個獨立的計算化學章，接著是分子對稱性與群論。最後一章講核磁共振，在本版中被徹底改寫並擴充，現在涵蓋核 Overhauser 效應、動態核極化，以及如何用二維核磁共振技術測定溶液中大分子結構的廣泛討論。
核心概念
第 1–6 章：量子力學基礎
- 薛丁格方程式與公設：量子系統的運動方程，以及由此得到可測量的規則（第 2–3 章）。
- 箱中粒子：一個應用於現實問題的簡單模型，包括固體中的導電（第 4–5 章）。
- 對易與不對易運算子；糾纏：順序有影響的運算子，以及糾纏的後果，包括它與量子計算的關係（第 6 章）。
第 7–11 章：振動、轉動與原子
- 分子的振動和轉動：量子力學模型及其光譜學結果，包括選擇規則（第 7–8 章）。
- 氫原子與多電子原子：原子的量子力學處理與原子光譜（第 9–11 章）。
第 12–17 章：分子、光譜與計算
- 化學鍵與分子能級：雙原子和多原子分子中的成鍵（第 12–13 章）。
- 電子光譜：與分子軌道相聯絡的電子躍遷（第 14 章）。
- 計算化學、對稱性與群論：計算分子結構，並按對稱性對狀態分類（第 15–16 章）。
- 核磁共振光譜：從基本方法到用於大分子的二維技術（第 17 章）。
評析
優點
- 重核心概念而非百科全書式的覆蓋。 序言說明，目標是在有限的幾個領域中建立扎實的理解，而不是提供一部濃縮的物理化學百科全書；全書也不必依次讀完或讀全，補充性小節可以略去，許多小節相對獨立。
- 在需要之處提供數學幫助。 第三版的數學補編被拆分為 11 個兩到五頁的「Math Essentials」，插在需要相應技能之前，因為作者觀察到，學生很難把數學課上學到的技能遷移到物理化學中。
- 每章都內建學習輔助。 序言和出版社頁面列出了：開篇的三個問題及回答、每章 10–15 條邊欄「Concepts and Connections」、每章末尾的關鍵公式表、延伸閱讀清單、例題，以及章末的概念題、按節組織的數值習題和基於網路模擬的習題。
- 現代應用。 作者把基本原理與掃描穿隧顯微鏡、量子點、量子計算、固體能帶結構、原子力顯微鏡和核磁共振成像聯絡起來，出版社還強調了來自生物學、環境科學和材料科學的應用。
- 專門的計算化學章。 出版社把第 15 章描述為使化學鍵和分子結構的教學從定性轉向定量。
局限
- 只是物理化學課程的一半。 熱力學和動力學內容在配套分冊中，因此涵蓋兩部分的課程需要兩本書；出版社說明，配套分冊的 Pearson+ eText 包含量子化學與光譜學各章。
- 部分支援材料在另外的平臺上。 出版社稱，計算題的詳細操作說明在 Mastering Chemistry 中，該平臺需另行購買；只用書的讀者看不到這些說明。
- 數學要求。 儘管有 Math Essentials，書中仍有關於運算子、群論和二維核磁共振的章節，這些需要熟練的微積分，並且最好具備一些線性代數知識。
- 透過理論講光譜。 光譜學是透過其量子力學基礎來呈現的（第 8、11、14、17 章）。章名並未表明有解讀譜圖以鑑定有機化合物的訓練，對此，專門的譜圖解析書更合適。
在課程中的定位
Engel 和 Reid 的書是本課程所列書籍中的標準課程教材：對量子化學進行完整的大學部層次的論述，隨後講主要的分子光譜學。Thakkar 的 Quantum Chemistry: A Concise Introduction 被描述為一本簡短的、以思想為中心的入門讀物，面向將使用光譜學和電子結構計算而不是發展理論的讀者，適合作為 Engel 和 Reid 第 1–4 章及第 12–13 章之前較平緩的第一遍閱讀。McQuarrie 的 Quantum Chemistry 被描述為對原子結構、成鍵和光譜背後的量子思想的嚴謹論述，是更嚴謹的選擇。
Jensen 的 Introduction to Computational Chemistry 是第 15 章及計算習題的自然延伸。Pavia、Lampman、Kriz 和 Vyvyan 的 Introduction to Spectroscopy 以及 Silverstein 等人的 Spectrometric Identification of Organic Compounds 集中講解如何解讀紅外、核磁共振、紫外–可見和質譜來確定有機結構，因此與 Engel 和 Reid 第 8、14、17 章所講的振動、電子和核磁共振光譜背後的理論相互補充。
如何使用本書
序言指出的目標讀者是主修化學、生物化學和化學工程的大學部學生，以及大氣科學和生物科學的許多學生。書中沒有列出正式的先修要求；Math Essentials 會在需要之前重新整理特定的數學技能。
一個學期課程的實用安排：
- 核心： 第 1–4 章，建立量子力學框架；第 7–8 章，講振動、轉動和雙原子分子光譜；第 9–10 章，講原子；第 12–14 章，講化學鍵和電子光譜。
- 選講專題： 第 5 章和第 6 章（箱中粒子的應用、運算子與糾纏），視興趣而定；如果教學大綱包括原子光譜，則讀第 11 章原子態。
- 工具與延伸： 第 15 章計算化學，可與第 12–13 章同時學習；第 16 章對稱性與群論；第 17 章核磁共振，本版已重寫，如果大綱包含核磁共振則學習。
先讀每章開頭的問題和「Concepts and Connections」邊欄，先做例題再做章末習題，複習時使用關鍵公式表。序言說明全書不必從頭讀到尾，如果時間緊張，可以略去補充性小節。