结构化学

《结构化学》是一门具有中国特色的化学专业本科基础课，在欧美的化学专业本科课程中没有相应的Structural Chemistry，相关的内容被分散到高年级物理化学和无机化学课程中。《结构化学》通常安排在化学专业本科大二或大三讲授，因为课程内容需要用到微积分和线性代数，而这两门基础数学课通常至少要大一下学期才学完。《结构化学》的一个基本任务，就是用量子力学语言讲解化学中重要的概念和原理，例如化学键的本质、原子结构、分子轨道理论等等。如果说，《物理化学》是物理和化学这两个基础学科的“界面”，那么《结构化学》则是这个界面偏向物理的那一侧。

在为化学拔尖人才培养定制的101计划课程体系中，《结构化学》的核心任务，无疑是最大程度地强化化学专业本科生的物理基础。简而言之，就是要把化学键和化学反应的相关物理本质讲深讲透。学完《结构化学》的化学专业本科生，应该可以和物理专业的学生用相同的语言讨论问题，读懂当代化学的研究论文，掌握以量子物理的思维解读化学现象。基于上述要求，在《结构化学》101计划教材的编写中，我们刻意地强化课程中的物理内容，与原有的多数《结构化学》教程相比，在以下三个方面具有突出的特点：

一、大幅加深量子力学基础。本教程用了两章的篇幅，分别介绍波动力学和矩阵力学。在传统的《结构化学》课程中，量子力学基础往往只是简短的一章，重点介绍微观粒子的波粒二象性和薛定谔方程，矩阵力学方面的知识几乎没有触及。然而，要想理解量子力学的精髓，以及电子自旋等非经典物理性质，矩阵力学的知识必不可少。本教程不仅用矩阵力学的语言讲解电子自旋720度旋转对称性的量子力学根源，也采用粒子数表象推导谐振子的能量表达式。通过这些矩阵力学知识的学习，学生才能明白为何坐标与动量的对易关系、海森堡不确定性原理以及谐振子的零点能，其实具有相通的量子力学本质。矩阵的运用在《结构化学》中其实是无法回避的，在分子对称性与群论（第三章）的学习中，每个对称操作都需要用矩阵表示。关于矩阵的相似变换、特征分解等常用的线性代数，本教程在相关章节的末尾都配有相应的数学附录。

二、显著加强原子光谱与分子谱学。本教程用专门的两章介绍原子光谱和分子谱学。谱学方法是当代化学研究重要的手段，而谱学数据的解读，强烈依赖量子力学。我们将原子光谱独立成章，是为了更系统深入地讲解角动量耦合这一重要的物理基础。分子谱学一章的内容非常丰富，不仅有分子振动转动光谱，也包括光电子能谱和磁共振谱学，并深入讲解这些谱学结果中的“化学位移”。将原子/分子结构的学习与谱学方法紧密结合，学生可以深刻体会现代化学研究的范式。所有的化学结构和过程，都有强大的谱学数据作支撑，而这些谱学方法的背后则是一整套深刻的物理逻辑。在原子/分子结构和谱学方法的这部分内容中，本教程还增加了现代量子化学计算方法的介绍，其中涉及人工智能与机器学习等当前最前沿的研究领域，恰好2024年的物理和化学诺贝尔奖均授予了开创机器学习与AlphaFold程序的科学家。

三、拓展了固体结构的内容。本教程用三章的篇幅介绍固体结构的相关知识，包括能带结构、衍射理论和晶体结构。现代化学研究的范畴已经远远超出共价键与分子，分子聚集体和固体材料的研究和运用十分普遍。在讲完处理分子共轭结构的休克尔理论之后，自然而然地可以将之延伸到固体能带理论；而当讲到周期性扩展结构时，不可避免地又牵涉到波的特性，在第一章波动力学中讲述的傅立叶变换等知识在固体结构的学习中又出现了。整个《结构化学》的知识体系，其背后存在一个清晰的数学结构，即波的叠加（态叠加原理），而波的独特性质就是存在互为倒数的两个变量，如坐标与动量、时间与频率。在能带结构和衍射理论的学习中，倒易空间的运用是无法回避的，但在原有多数《结构化学》教程中却普遍缺少这方面的介绍，这可能也是化学专业与物理专业学生常见的思维差异的一个根源。

除了上述显著不同于传统《结构化学》教程的特点，本教程对传统内容的讲述也常采用新的方式。例如介绍薛定谔方程时从与经典波动方程的类比入手；将特征标表直接作为矩阵进行约化操作；从一维圆周运动开始逐步过渡到三维氢原子结构的薛定谔方程求解等等。总而言之，本教程的内容大体上可以分为三个部分：上篇是理论基础，包括波动力学、矩阵力学和分子对称性与群论，共三章；中篇是原子与分子结构，包括原子结构、原子光谱、分子谱学和分子轨道理论，共四章；下篇是固体结构，包括能带结构、衍射理论和晶体结构，共三章。需要指出的是，这个教程的章节顺序并非对应于实际教学的顺序，教师可以根据实际教学情况灵活组合这十个模块的知识，每个模块都是相对独立和完备的。

显然，任何知识的学习和掌握不是靠看一本教程就可以完成的。我们希望这本《结构化学》101计划教程能成为那些想对化学现象的本质一探究竟的学生的重要参考书，但必须指出，绝不是只看这本教程就足以学通结构化学。

参与本教程编写工作的人员众多，有些虽然没有贡献具体的文字，但也参与了教程编写的讨论。我们一直认为，一本好的教程应该不仅对知识进行深入浅出地介绍，还应该传达知识产生的思想脉络。不过由于各人文字表述方式的差异，这一愿望可能无法达成于每一章，须在今后的再版中不断优化提升。

编者

2024年10月于武汉珞珈山