01 / 導讀
導讀
引用
Thakkar, A. J. (2021). Quantum Chemistry: A Concise Introduction for Students of Physics, Chemistry, Biochemistry and Materials Science (3rd ed.). IOP Publishing.
章節概要
這是一本篇幅很短的書：零售資訊顯示約165–172頁，共十一章和六個附錄，正文前有《致學生》（A note to the student）、序言和作者簡介。出版社把它既定位為大學二、三年級的教材，也定位為研究人員快速入門或複習的參考書，並稱其重點在於解釋思想，而不是羅列事實或講解操作細節。第3版由十章增至十一章：出版社列出的新內容包括含時薛丁格方程、電子相關波函數方法和密度泛函理論（DFT），以及更多習題、計算量子化學入門和資源列表。下文引用自第2版（2017年）的節標題只說明當時各章的內容，第3版的分節可能有所不同。
第1章：分子對稱性
本書從對稱性而不是量子力學開始。第2版中，這一章涉及對稱操作和對稱元素、分子對稱性的分類以及對稱性帶來的推論。出版社把前兩章稱為全書的基石。
第2章：量子力學基礎
講基本假設：在第2版中包括描述體系狀態的波函數、代表可觀測量的算符、薛丁格方程以及測量值與平均值。含時薛丁格方程是出版社列出的第3版新內容之一。
第3–5章：平動與振動；對稱性與簡併；轉動
這三章講簡單模型，用出版社的話說，它們是分子光譜學和統計熱力學的基礎，對稱性貫穿其中。第2版中依次講了一維導線中的粒子和諧振子；矩形平板中的粒子、對稱性如何導致簡併以及波函數的對稱性；環上的粒子、球面上的粒子和剛性轉子。
第6章：電子運動：氫原子
講氫原子的電子結構。第2版的這一章先講玻恩–奧本海默近似和電子哈密頓量，再求解氫原子和類氫離子。
第7章：分子原型：氫分子離子
講最簡單的分子。第2版借它引入LCAO模型和勢能曲線、變分法、力常數和解離能以及激發態。
第8章：多電子體系的平均場模型
學過單電子原型之後，讀者轉向處理多電子原子和分子的基本思想。這一章在第2版中題為「多電子體系」，從氦原子出發，經過自旋與泡利假設、電子密度和哈特里–福克模型，一直講到原子、雙原子分子和科恩–沈模型。
第9章：休克爾模型
講共軛烴的定性分子軌道理論。第2版中涉及累積多烯、輪烯和其他平面共軛烴，電荷、鍵級與反應性，最後一節說明休克爾模型為何不是定量的。
第10章：電子相關的處理
這是第3版新增的一章，與出版社所說的電子相關波函數方法和DFT方面的新內容相對應；其節級內容沒有公開。
第11章：計算量子化學
出版社稱最後一部分是計算方法的入門，說明用量子化學軟體進行有意義的電子結構計算所必須做出的「最低限度」技術選擇。第2版中相應的一章講了實際計算、後哈特里–福克方法、科恩–沈DFT計算以及基組的選擇。
附錄A–F
含不隨時間變化勢的體系；微擾理論；矩陣形式哈特里–福克方程的求解；參考資料；習題提示與解答；學習與探索資源。
核心概念
第1–2章：對稱性與基本假設
- 對稱操作與點群：使分子保持不變的操作，以及據此對分子進行的分類，貫穿全書。
- 波函數與算符：體系的狀態以及代表可觀測量的算符。
- 薛丁格方程：其解給出允許的狀態和能量的方程。
第3–5章：模型體系
- 箱中粒子、諧振子、剛性轉子：平動、振動和轉動能級背後的簡單模型。
- 簡併：不同狀態具有相同能量；本書把它與對稱性直接聯絡起來。
第6–9章：原子、分子與軌道
- 玻恩–奧本海默近似：把電子運動與核運動分開，從而得到勢能曲線。
- LCAO與變分法：由原子軌道構造分子軌道，並透過使能量最小來最佳化。
- 哈特里–福克（平均場）模型：把每個電子看作在其他電子的平均場中運動。
- 休克爾模型：適用於共軛π體系的簡單定性分子軌道方法。
第10–11章：超越平均場與計算
- 電子相關：平均場模型遺漏的部分，由電子相關波函數方法和DFT處理。
- 基組與方法的選擇：用標準軟體進行有意義計算所需的技術選擇。
評析
優點
- 篇幅短，專注於思想。 全書不到兩百頁，可以與課程同步閱讀，而不是取代課程。出版社說明其重點是面向光譜測量和電子結構軟體「新手使用者」的概念，而不是操作細節。
- 從對稱性入手。 以分子對稱性開篇，並在第4章把它與簡併和波函數對稱性聯絡起來，為化學專業讀者提供了一個後續各章持續使用的框架，從簡併能級一直到分子軌道。
- 通向實際應用。 最後一章面向真正要執行量子化學程式的人，講的是方法和基組的選擇，而不是演算法；新增的資源附錄則指向更多印刷和線上資料。
- 便於自學。 附錄E提供習題提示與解答，第3版還增加了習題。
局限
- 簡明意味著取捨。 各章都很短（第1版和第2版每章約7–14頁），推導和例題有限；需要完整數學推演的學生需要更長的教材。
- 幾乎不講光譜學本身。 書中講了光譜學背後的模型，微擾理論放在附錄裡，但目錄中沒有關於光譜技術或選擇定則的章節；它不能代替光譜學教材。
- 未找到公開書評。 沒有找到第3版的獨立書評，因此關於本書方法的主要依據是出版社的介紹。
在課程中的定位
在本課程中，Thakkar的書承擔簡明概念入門的角色。Engel和Reid的 Physical Chemistry: Quantum Chemistry and Spectroscopy 是一本完整的物理化學教材，講同樣的主題並詳細討論光譜學；McQuarrie的 Quantum Chemistry 篇幅更長、數學推導更詳細，適合想看推導的學生。Thakkar可以在兩者之前作為學科地圖來讀，也可以與它們同時閱讀，作為思想的簡短總結。
Frank Jensen的 Introduction to Computational Chemistry 在研究生層次上講解Thakkar最後兩章所引入的方法，是任何要做計算的人自然的下一步。Pavia等人的 Introduction to Spectroscopy 與Silverstein等人的 Spectrometric Identification of Organic Compounds 是用於結構鑑定的譜圖解析實用教材；它們使用光譜學而不解釋其量子基礎，因此與Thakkar第3–5章是搭配關係，而非重疊。
如何使用本書
本書適合化學、生物化學、材料科學和物理學的大學二、三年級學生，也適合使用光譜學或電子結構軟體、想了解背後概念的研究人員。讀者需要具備微積分基礎，並對向量和矩陣有一定了解；附錄D彙集了參考資料。
實用閱讀計畫：
- 核心： 第1–2章，然後把第3–5章作為模型體系的一個整體來讀，再讀講原子、氫分子離子和平均場模型的第6–8章。這些章節承載全書的論證，應按順序閱讀，因為第1章的對稱性會反覆出現。
- 有機化學與定性成鍵： 主要需要π軌道推理的學生讀第9章休克爾模型。
- 走向計算： 要做計算的人讀第10–11章，之後轉向Jensen的書或軟體文件；附錄C說明矩陣形式哈特里–福克方程如何求解。
- 輔助材料： 附錄A和B講不含時勢和微擾理論，供所修課程用到這些內容的學生閱讀。
先自己做題，再檢視附錄E的提示與解答。由於本書簡明，推導時應手邊備一本更長的教材，並利用附錄F列出的資源進一步探索。