01 / 導讀
導讀
引用
McQuarrie, D. A. (2007). Quantum Chemistry (2nd ed.). University Science Books.
章節概要
全書約690頁，包含十二章、穿插其間的八個簡短「MathChapter」（A至H）、數值習題答案與索引。每章都附有範圍廣泛的習題與練習。
第1章：The Dawn of the Quantum Theory
本章從歷史源頭介紹量子理論，在任何波動方程出現之前，先說明為何需要新的力學。緊接著是MathChapter A（複數）。
第2章：The Classical Wave Equation
作為薛丁格方程的準備，先討論古典波動方程。隨後是MathChapter B（機率與統計）。
第3章：The Schrödinger Equation and a Particle in a Box
引入薛丁格方程，並將其應用於第一個可精確求解的模型——箱中粒子。隨後是MathChapter C（向量）。
第4章：The Postulates and General Principles of Quantum Mechanics
以公設的形式陳述量子力學的形式架構，並給出支配算符與測量的一般原理。隨後是MathChapter D（級數與極限）。
第5–6章：The Harmonic Oscillator and Vibrational Spectroscopy；The Rigid Rotator and Rotational Spectroscopy
這兩章把模型系統與其所解釋的光譜配成一對：振動對應諧振子，轉動對應剛性轉子。出版社指出，分子光譜學貫穿這些章節討論。兩章之間是MathChapter E（球座標），第6章之後是MathChapter F（行列式）。
第7章：The Hydrogen Atom
氫原子獨立成章，據出版社介紹，其電子光譜也在該章討論。隨後是MathChapter G（矩陣）。
第8章：Approximation Methods
近似方法被當作通向無法精確求解之系統的途徑。隨後是MathChapter H（矩陣特徵值問題）。
第9章：Many-Electron Atoms
專門討論含多個電子的原子。據出版社介紹，本章逐步示範氦原子的自洽場計算，並借助一個提供Hartree-Fock原子軌域的網站來計算多電子原子的性質。
第10–11章：The Chemical Bond: One- and Two-Electron Molecules；Qualitative Theory of Chemical Bonding
第10章由原子進入分子，逐步示範氫分子的自洽場計算。第11章轉向化學鍵的定性理論。
第12章：The Hartree–Fock–Roothaan Method
最後一章專講Hartree-Fock方法及後Hartree-Fock方法在分子性質計算上的應用。據出版社介紹，本章引入高斯軌域及標記計算的記號（如HF/STO-6G與HF/6-31G**），結尾幾節以半定量方式介紹組態交互作用、耦合簇理論與密度泛函理論。
核心概念
第1–4章：基礎
- 量子理論的起源：古典力學不得不被取代的實驗與歷史原因。
- 薛丁格方程：其解描述量子系統的波動方程，首先應用於箱中粒子。
- 量子力學公設：連結狀態、算符與測量值的形式規則。
第5–8章：模型系統與近似
- 諧振子與剛性轉子：振動與轉動的模型系統，與振動光譜及轉動光譜相連。
- 氫原子：可精確求解的原子及其電子光譜。
- 近似方法：處理沒有精確解之系統的技巧。
第9–12章：原子、化學鍵與計算
- 多電子原子：超越氫的原子結構，以及自洽場計算。
- 化學鍵：一電子、兩電子分子的處理，以及隨後的化學鍵定性理論。
- Hartree–Fock–Roothaan方法：現代分子計算的基礎，涉及高斯軌域及建立其上的後Hartree-Fock方法。
評析
優點
- 數學內容單獨處理。 MathChapter是穿插全書的簡短章節，使學生可專注於物理原理。它們涵蓋複數、機率與統計、向量、級數與極限、球座標、行列式、矩陣與矩陣特徵值問題，各自安排在初次需要之處。
- 先修要求較低。 出版社說明的先修要求是一年微積分，不要求學過微分方程，因此具備標準化學背景的讀者即可入手。
- 融入了現代計算。 第二版增加了氦與氫的自洽場計算實例、一章Hartree-Fock及其後續方法，以及使用計算化學程式和NIST實驗與從頭計算資料網站的習題。
- 光譜學與模型結合。 振動與轉動光譜與諧振子、剛性轉子在同一章展開，氫的電子光譜則獨立成章。
局限
- 範圍限於量子化學的核心。 章節安排止於Hartree-Fock-Roothaan方法；組態交互作用、耦合簇理論與密度泛函理論只在結尾幾節「至少半定量地」介紹，計算實務需另尋資料。
- 目錄中沒有分子對稱性或群論的章節。 課程若涉及這些內容，需要其他資料。
- 篇幅。 約690頁、十二章加八個MathChapter，一個學期很難讀完全書。
在課程中的定位
在本課程的書目中，McQuarrie是為化學家寫的、自成體系的量子力學完整展開。Engel與Reid的Physical Chemistry: Quantum Chemistry and Spectroscopy是大學部物理化學課程的一冊，從量子理論的起源經原子與分子談到光譜學，因此是物理化學系列課程中可比較的替代選擇。Thakkar的Quantum Chemistry: A Concise Introduction是一本簡短、以概念為中心的教材，適合將使用光譜與計算而非發展理論的讀者，可作為讀McQuarrie之前較輕鬆的入門。
Jensen的Introduction to Computational Chemistry從McQuarrie最後一章止步之處接續，是學習McQuarrie僅作介紹的計算方法的自然後續。Pavia的Introduction to Spectroscopy與Silverstein的Spectrometric Identification of Organic Compounds負責的是另一項工作——由譜圖鑑定有機結構，與McQuarrie解釋分子為何具有這些譜圖的理論相互補充。
如何使用本書
本書適合學過一年微積分、想系統學習化學中所用量子力學的學生，無論是大學高年級或研究所一年級課程。事先不需要學過微分方程。
實用的閱讀方案：
- 核心： 依序讀第1至4章，再讀第5至7章，學習三個標準的可精確求解系統。
- 按需補數學： 在後續章節需要時再讀相應的MathChapter，已熟悉的可略過。
- 原子與分子： 第8至11章給出近似方法，以及對原子與化學鍵的初步應用。
- 計算： 第12章是分子計算的入口，可搭配使用計算化學程式與NIST資料網站的習題。
每章習題範圍廣，宜隨課程進度完成，並將數值結果與書末的答案核對。