Engel & Reid的《Physical Chemistry》、《Quantum Chemistry and Spectroscopy》、《Thermodynamics, Statistical Thermodynamics, and Kinetics》


物理化學
Engel & Reid的《Physical Chemistry》第三版 目錄:
  1. Fundamental Concepts of Thermodynamics — 1
    Thomas Engel / Philip Reid
  2. Heat, Work, Internal Energy, Enthalpy, and the First Law of Thermodynamics — 17
    Thomas Engel / Philip Reid
  3. The Importance of State Functions: Internal Energy and Enthalpy — 51
    Thomas Engel / Philip Reid
  4. Thermochemistry — 73
    Thomas Engel / Philip Reid
  5. Entropy and the Second and Third Laws of Thermodynamics — 99
    Thomas Engel / Philip Reid
  6. Chemical Equilibrium — 147
    Thomas Engel / Philip Reid
  7. The Properties of Real Gases — 193
    Thomas Engel / Philip Reid
  8. Phase Diagrams and the Relative Stability of Solids, Liquids, and Gases — 213
    Thomas Engel / Philip Reid
  9. Ideal and Real Solutions — 243
    Thomas Engel / Philip Reid
  10. Electrolyte Solutions — 279
    Thomas Engel / Philip Reid
  11. Electrochemical Cells, Batteries, and Fuel Cells — 297
    Thomas Engel / Philip Reid
  12. From Classical to Quantum Mechanics — 341
    Thomas Engel / Philip Reid
  13. The Schrödinger Equation — 359
    Thomas Engel / Philip Reid
  14. The Quantum Mechanical Postulates — 381
    Thomas Engel / Philip Reid
  15. Using Quantum Mechanics on Simple Systems — 393
    Thomas Engel / Philip Reid
  16. The Particle in a Box and the Real World — 411
    Thomas Engel / Philip Reid
  17. Commuting and Noncommuting Operators and the Surprising Consequences of Entanglement — 435
    Thomas Engel / Philip Reid
  18. A Quantum Mechanical Model for the Vibration and Rotation of Molecules — 457
    Thomas Engel / Philip Reid
  19. The Vibrational and Rotational Spectroscopy of Diatomic Molecules — 483
    Thomas Engel / Philip Reid
  20. The Hydrogen Atom — 517
    Thomas Engel / Philip Reid
  21. Many-Electron Atoms — 537
    Thomas Engel / Philip Reid
  22. Quantum States for Many-Electron Atoms and Atomic Spectroscopy — 563
    Thomas Engel / Philip Reid
  23. The Chemical Bond in Diatomic Molecules — 595
    Thomas Engel / Philip Reid
  24. Molecular Structure and Energy Levels for Polyatomic Molecules — 627
    Thomas Engel / Philip Reid
  25. Electronic Spectroscopy — 661
    Thomas Engel / Philip Reid
  26. Computational Chemistry — 691
    Thomas Engel / Philip Reid
  27. Molecular Symmetry — 747
    Thomas Engel / Philip Reid
  28. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy — 775
    Thomas Engel / Philip Reid
  29. Probability — 809
    Thomas Engel / Philip Reid
  30. The Boltzmann Distribution — 835
    Thomas Engel / Philip Reid
  31. Ensemble and Molecular Partition Functions — 859
    Thomas Engel / Philip Reid
  32. Statistical Thermodynamics — 893
    Thomas Engel / Philip Reid
  33. Kinetic Theory of Gases — 925
    Thomas Engel / Philip Reid
  34. Transport Phenomena — 947
    Thomas Engel / Philip Reid
  35. Elementary Chemical Kinetics — 981
    Thomas Engel / Philip Reid
  36. Values of Selected Physical Constants; SI Prefixes; Greek Alphabet; Conversion Table for Units — 1029
    Thomas Engel / Philip Reid
  37. Masses and Natural Abundances for Selected Isotopes; Periodic Table of the Elements — 1031
    Thomas Engel / Philip Reid

其中CH1-CH11為Chemical Thermoynamics ; CH12-CH18為Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy ; CH29-CH34為Statistical Mechanics;Ch35為Chemical Kinetics and Dynamics​。 

 到了第四版，原本第三版的一冊《Physical Chemistry》被拆分成兩冊： 
Physical Chemistry: 《Quantum Chemistry and Spectroscopy》, 4th ed. 
Physical Chemistry: 《Thermodynamics, Statistical Thermodynamics, and Kinetics》, 4th ed. 

 也就是把第三版原本連貫的： 
 Chemical Thermodynamics→Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy→Statistical Mechanics→Chemical Kinetics and Dynamics 

 拆成兩個可獨立授課的教材模組。
I.《Quantum Chemistry and Spectroscopy》第四版

全書共 17 章：
  1. From Classical to Quantum Mechanics
  2. The Schrödinger Equation
  3. The Quantum-Mechanical Postulates
  4. Applying Quantum-Mechanical Principles to Simple Systems
  5. Applying the Particle in the Box Model to Real-World Topics
  6. Commuting and Noncommuting Operators and the Surprising Consequences of Entanglement
  7. A Quantum-Mechanical Model for the Vibration and Rotation of Molecules
  8. Vibrational and Rotational Spectroscopy of Diatomic Molecules
  9. The Hydrogen Atom
  10. Many-Electron Atoms
  11. Quantum States for Many-Electron Atoms and Atomic Spectroscopy
  12. The Chemical Bond in Diatomic Molecules
  13. Molecular Structure and Energy Levels for Polyatomic Molecules
  14. Electronic Spectroscopy
  15. Computational Chemistry
  16. Molecular Symmetry and an Introduction to Group Theory
  17. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
這一冊基本上就是第三版原本的 Ch.12–28 獨立出來，重新編號為 Ch.1–17。第四版的正式目錄確實從量子力學基礎一路到原子、分子電子結構、光譜、計算化學、群論與 NMR。

因此整冊可以統稱為：

Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy
​
如果再細分，其結構是：

Quantum Mechanics→Molecular Rotation/Vibration→Atomic Structure→Molecular Electronic St

也包含現代量子化學的重要工具：

Computational Chemistry+Molecular Symmetry.


II.《Thermodynamics, Statistical Thermodynamics, and Kinetics》第四版
 全書共 20 章。
A. Ch.1–11：Chemical Thermodynamics
  1. Fundamental Concepts of Thermodynamics
  2. Heat, Work, Internal Energy, Enthalpy, and the First Law of Thermodynamics
  3. The Importance of State Functions: Internal Energy and Enthalpy
  4. Thermochemistry
  5. Entropy and the Second and Third Laws of Thermodynamics
  6. Chemical Equilibrium
  7. The Properties of Real Gases
  8. Phase Diagrams and the Relative Stability of Solids, Liquids, and Gases
  9. Ideal and Real Solutions
  10. Electrolyte Solutions
  11. Electrochemical Cells, Batteries, and Fuel Cells
因此：

Ch.1–11 = Chemical Thermodynamics ​

這部分和第三版前 11 章的基本架構幾乎直接對應。

Engel 在第 1 章直接把熱力學定義為一門巨觀科學，而且明確說她：

不依賴對物質在分子尺度上的描述。

他甚至用那個很極端、但很漂亮的 Concept 說明：

因為熱力學不需要描述物質的微觀細節，所以她既可以應用於一公升純水，也可以應用於一公升垃圾。

所以：

Thermodynamics does not require Statistical Mechanics
​
第一、第二、第三定律，以及由她們建立的

U, H, S, A, G, μ

都可以直接從巨觀實驗事實、狀態函數以及平衡關係建立。

不需要先知道：
  • 原子是否存在；
  • 分子的波函數；
  • 分子有哪些量子能階；
  • 配分函數；
  • Boltzmann distribution。
照樣可以做：

ΔG<0

的自發性判斷，也可以計算相平衡、化學平衡與電池電勢。

因此：

Thermodynamics
是一套本身可以自足的巨觀理論。

這點其實也和 Levine 對四大領域的界定一致：thermodynamics 是研究平衡巨觀性質及其關係的 macroscopic science，而 statistical mechanics 則是把 molecular 與 macroscopic levels 連起來的另一門理論。

B. Ch.12–17：Statistical Mechanics
  1. Probability
  2. The Boltzmann Distribution
  3. Ensemble and Molecular Partition Functions
  4. Statistical Thermodynamics
  5. Kinetic Theory of Gases
  6. Transport Phenomena
因此:

Ch.12–17 = Statistical Mechanics
​

統計力學可以「解釋並重建」熱力學，雖然熱力學可以獨立成立，不代表統計力學與她無關。

恰恰相反：

Thermodynamics 不需要 Statistical Mechanics 才成立
​

但是：

Statistical Mechanics 可以從微觀理論導出 Thermodynamics
​

也就是一種不對稱關係。

可以畫成：

Thermodynamics

本身就站得住；

但如果我們追問：

為什麼 U,S,CV,G 具有這些數值？

便要往下走：

Microscopic molecular properties⟶Statistical Mechanics⟶Macroscopic Thermodynamics
​
因此 Statistical Mechanics 並不是熱力學的「必要公理」，而是熱力學的微觀基礎與解釋理論。

Ch.12–17  Statistical Mechanics，其中又可以細分成三層。

Ch.12–15：Equilibrium Statistical Mechanics
Probability→Boltzmann Distribution→Partition Functions→Statistical Thermodynamics


其真正架構為：

Molecular Quantum Mechanics+Statistics→Statistical Mechanics
​


























因此：

Quantum microscopic description→Statistical Mechanics→Macroscopic Thermodynamics
​
Ch.16：Kinetic Theory

Kinetic Theory of Gases 討論：

  • Maxwell velocity/speed distribution
  • molecular collisions
  • effusion
  • mean free path
因此她屬於：

Kinetic Theory within Statistical Mechanics
也就是從平衡能量分布進一步研究分子的運動與碰撞統計。
Ch.17：Transport / Nonequilibrium Statistical Mechanics
Transport Phenomena 討論：
  • diffusion
  • thermal conduction
  • viscosity
  • ionic conduction
共同核心是：

也就是：

gradient→flux→relaxation toward equilibrium
​
所以 Ch.17 可以理解為統計力學向非平衡統計力學／傳輸理論的延伸。


II. Ch.18–19：Chemical Kinetics and Dynamics
  1. Elementary Chemical Kinetics
  2. Complex Reaction Mechanisms
表面上出版社仍然用 Kinetics 命名，但從內容分類，我會把兩章合稱為：

Chemical Kinetics and Dynamics
​
因為 Ch.18 不只包含：
  • reaction rates
  • rate laws
  • integrated rate laws
  • sequential and parallel reactions
  • temperature dependence of rate constants

這些傳統 kinetics，還包括：
  • perturbation–relaxation methods
  • potential energy surfaces
  • activated complex theory
  • diffusion-controlled reactions
尤其是：

Potential Energy Surfaces
​
已經開始從：

反應有多快？

進一步走向：

分子究竟如何從反應物走到生成物？

也就是：

Reactants→Transition region→Products.

這就是 chemical dynamics 的基本視角。

Ch.19 又進一步討論：

  • Lindemann mechanism
  • catalysis
  • radical-chain reactions
  • explosions
  • nonlinear and oscillating reactions
  • photochemistry
  • electron transfer
所以最適合的廣義名稱是：
Chemical Kinetics and Dynamics
​
當然，Engel 在這裡仍只是大學化學系的物理化學層級，尚未深入專門 chemical dynamics 的 reactive scattering、trajectory、state-to-state dynamics 等內容。

IV. Ch.20：Macromolecules
Macromolecules
包含：
  • Macromolecular Structures
  • Random-Coil Model
  • Biological Polymers
  • Synthetic Polymers
  • Characterizing Macromolecules
  • Self-Assembly, Micelles, and Biological Membranes
Engel 自己在章首就指出，本章需要第 12 章的：

probability+probability distribution functions.

因此它雖然在章序上被放到 Ch.20，但從學科分類上最好看成：

Statistical Mechanics — Macromolecular Applications
​
尤其 Random-Coil Model、本體構型統計、高分子質量分布、自組裝，都具有很強的統計力學色彩。

總結:
《Thermodynamics, Statistical Thermodynamics, and Kinetics》
Ch.1–11 :Chemical Thermodynamics
Ch.12–17:Statistical Mechanics 
Ch.18–19:Chemical Kinetics and Dynamics
Ch.20:Statistical Mechanics — Macromolecular Applications

《Quantum Chemistry and Spectroscopy》
 Ch.1–17:Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy
​
第三版完整合冊第四版
Ch.1–11 Chemical ThermodynamicsTSTK Ch.1–11
Ch.12–28 Molecular Quantum Mechanics and SpectroscopyQC&S Ch.1–17
Ch.29–34 Statistical MechanicsTSTK Ch.12–17
Ch.35 Elementary Chemical Kinetics擴充為 TSTK Ch.18–19 Chemical Kinetics and Dynamics
無新增 TSTK Ch.20 Macromolecules
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立秋

今天是立秋乃二十四節氣之一，，斗指坤，太陽位於黃經135°，代表秋季將要到來，然而，實際上依然炎熱，立秋的下一個節氣也正是處屬((8/23)，因此「長夏」除了指為季夏農曆六月，亦有指為農曆六月的大暑到農曆七月的處暑，所謂「處」代表停止或躲藏，意思是炎熱的夏天暑氣到此逐漸止息、開始消退。因此，若以土配「長夏」，則亦可說，農曆六月的小暑到農曆七月的處暑為土德。日本明治改曆後，舊曆七月七日的七夕，挪為新曆七月七日或是新曆八月七日，新曆七月七日正值農曆六月的「小暑」而新曆八月七日則正是「立秋」。
若依原本農曆七月初七的七夕時節來看，大致位於「立秋」與「處暑」之間，正值初秋、暑氣尚未完全消退之際。到了農曆七月十五的中元節，則更接近農曆七月的中氣「處暑」，象徵暑熱漸退、秋意漸濃，也逐步進入農作成熟與秋收展開的時節。
中元節原本就具有濃厚的農事祭典色彩。初秋時部分作物開始成熟，人們會以新收成的稻米、瓜果等祭祀祖先與土地神，一方面向祖先「報告秋成」，另一方面酬謝天地與土地庇佑，並祈求後續秋收順利即具有「薦新、謝土、慶賀收成」的豐收祭典意涵。
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儲三陽的《分子的電子構造》、蘇明德的《初等量子化學》


儲三陽的《分子的電子構造》 自序

記得二年前劉廣定教授和我談起「聯經」準備出版中文教課書的計畫，目的在使學生更易掌握教材內容重點。筆者很贊同這個構想，現在很榮幸能參與這個計畫。

其實本書內容較適合做為「量子化學」的參考書籍，筆者假定讀者對量化已有些接觸，討論內容偏重在分子軌域理論。撰寫本書的一個目的在於提供一般量化課本在分子軌域方面實例不足的缺點。有不少同學抱怨一般量化教本似乎太偏量子力學，因而懷疑修習量化對他們的研究工作如化學合成的必要性。的確在一般量化課本如 Levine 一書十五章中只有在最後一、二章中提及分子構造問題，前面大半皆為量子力學部分。而本書選材可視為該書最後二章的延伸和擴大。內容著重在以分子軌域觀點來探討分子構造和反應性問題，因此書名是《分子的電子構造》。希望這種編排能使同學們看出量化課程對化學系其他課程的基礎性和關聯性。

在章節安排方面，僅在第一、二章中複習量子力學和原子構造等基本觀念。後面幾章皆和分子的電子構造有關，如雙原子分子，計算方法，有機和無機分子，群論和化學反應等。一般而言，本書偏重分子軌域的定性觀念，精神有些近似 Coulson 的 Valence 一書，這當然是和筆者的偏好有關。但在本書附錄中有討論含兩電子雙原子分子的 ab-initio 計算詳細過程，這個實例麻雀雖小，五臟俱全，使讀者有機會認識大型計算所包含的基本計算步驟。

本書得以完成，應感謝高浦祥、蘇明德、顏裕豐三位同學提供修改意見。也感謝洪克銘、許淳洋、高木岐、李龍正、郭泰惠、王章助、傅俊賢、蔡元謙、林宗展、高浦祥等修習「分子軌域理論」的各位同學，他們給我以本書教材做為「試教」的機會。最後得感謝謝美明同學的抄稿，蘇明德同學和高浦祥同學的繪圖、提供附錄資料及校稿工作。也感謝周碧鳳同學的最後校稿工作。


　　　　　　　　　　　　　　　　　儲三陽

　　　　　　　　　　　民國77年於清華大學化學系

　　　　　　　　　　　　民國78年12月15日修訂

《分子的電子構造》目錄

叢書弁言　i

自序　iii

第一章　量子力學觀念介紹　1

第一節　物質波　1

第二節　波爾原子理論　1

第三節　薛丁格方程式　3

第四節　測不準原理　7

第二章　原子軌域　13

第一節　氫原子之薛丁格方程式之解　13

第二節　多電子原子系統之軌域能階　20

第三節　光譜項符號　24

第四節　Hunds 法則　29

第三章　分子軌域計算　33

第一節　軌域模型　33

第二節　哈崔—法克自洽場計算法　36

第三節　基底函數　43

第四節　相關能量和電子組態作用計算法　46

第四章　雙原子分子　51

第一節　兩原子軌域形成分子軌域　51

第二節　雙原子分子之電子組態　56

第三節　化學鍵成因和軌域相關圖　58

第四節　電子密度及鍵級定義　62

第五節　雙自由基和自旋狀態　63

第五章　有機多原子分子　71

第一節　CH₂及C₂H₄分子　71

第二節　CH₃及C₂H₆分子　76

第三節　CH₄分子構造及混合軌域　79

第四節　π電子系統　81

第五節　半經驗計算法　88

第六章　群論　91

第一節　分子對稱操作群　91

第二節　分子電子波函數之對稱性質　94

第三節　非簡約代表　100

第四節　直接乘積　108

第五節　混合軌域和分子軌域　111

第六節　投影操作方法　116

第七節　分子點群的分類　118

第七章　無機分子　123

第一節　配位子的光譜化學系統　123

第二節　18電子規則　126

第三節　三明治及半三明治化合物　129

第四節　等瓣對比觀念　133

第五節　有機金屬系統之鍵結實例　137

第八章　化學反應和電子構造　143

第一節　軌域相關圖　143

第二節　軌域對稱和烯類偶合的禁止和允許反應　147

第三節　改變禁止反應的一些因素　152

第四節　邊際軌域理論　154

第五節　分子位能面之介紹　162

附錄　175

附錄一　兩電子系統的 ab initio 自洽場計算　175

（A）計算方法　175

（B）程式說明　188

附錄二　物理常數　215

附錄三　變分法　219

（A）變分法原理　219

（B）變分法應用在激發態　226

（C）線性變分函數的應用　228

附錄四　原子單位　235

附錄五　勒格金參數法　237

參考資料　241

索引　245

儲三陽的《分子的電子構造》是給已學過一些量子化學的化學系學生，用分子軌域統整化學鍵、分子結構、有機、無機與反應性的專題教材。

核心是：MO theory for chemists，而不是完整的 Molecular quantum mechanics textbook。

儲三陽對當時 Levine 第三版的批評， Levine 後來幾版大幅擴充分子電子結構與計算化學，如第七版，Levine 已經把分子與計算部分擴充成第12–17章：

  • 分子對稱性
  • 雙原子分子電子結構
  • 分子量子力學定理
  • 多原子分子電子結構
  • 電子相關、CI、MP、CC、DFT
  • 半經驗法、分子力學與化學反應

其中第15–17章已遠遠超過民國78年自序所說的「最後一、二章稍微提及分子」。不過第七版仍保留「先完整建立量子力學、後進入分子」的骨架。它改善的是分子部分的份量與深度，而不是徹底改成儲三陽那種「從分子軌域與化學問題出發」的教學哲學。


《分子的電子構造》 群論更偏向實際 MO 建構，包括：
  • 表示與不可約表示
  • 直積
  • 混成軌域與分子軌域
  • 投影操作方法
  • 分子點群分類
Levine 第七版第12章只有：
  • 對稱元素與操作
  • 對稱點群
《分子的電子構造》更強調：怎樣真正使用群論建構、分類及理解分子軌域。

無機與有機金屬化學的方向更明確

《分子的電子構造》第七章直接收入：
  • 光譜化學序列
  • 18電子規則
  • 三明治與半三明治化合物
  • 等瓣對比觀念
  • 有機金屬鍵結實例
Levine 第七版雖然包含很廣泛的電子結構方法，但沒有安排一章以18電子規則、三明治化合物及 isolobal analogy 為中心。因此在這方面更像一部面向實際無機化學的分子軌域教材。

《分子的電子構造》最後以一整章處理：
  • 軌域相關圖
  • 軌域對稱
  • 禁制與允許反應
  • 前線分子軌域
  • 分子位能面

這讓全書形成一條完整化學敘事：

原子軌域→分子軌域→鍵結與結構→反應性

Levine 第七版雖然在第16、17章中包含化學反應，但目錄上只是電子相關方法與半經驗／分子力學章中的若干節，並不是整本書的主要敘事終點。


Levine 第七版是完整性與現代計算深度。
詳細包含：
  • 量子力學公設與測量
  • Hermitian 算符、完備性、矩陣
  • 角動量與自旋
  • 變分法與微擾理論
  • Slater determinant
  • 分子 Hartree–Fock 方程
  • 基底函數與實際 ab initio 計算
  • CI、MP、coupled cluster
  • DFT
  • composite methods
  • 非共價作用
  • NMR shielding
  • 相對論效應
  • 溶劑效應
  • 分子力學與現代半經驗法
第15～17章已經形成相當完整的計算量子化學體系，而不只是分子軌域的定性討論。

Levine的《Quantum Chemistry》核心是：

Quantum mechanics+molecular electronic-structure theory
​

蘇明德曾是儲三陽「分子軌域理論」課程的學生，並參與《分子的電子構造》的繪圖、附錄資料與校稿工作。後來蘇明德另著《初等量子化學》，其內容由量子觀念、數學工具與簡單模型一路講至多電子原子，恰好在教材範圍上與儲三陽偏重分子軌域、分子結構與反應性的《分子的電子構造》形成互補。

蘇明德的《初等量子化學》序言

在我年少讀大學的時候，我就已下定決心要寫一本中文版的《量子化學》。

因為在我上「量子化學」課時，臺上授課者講得不明不白，臺下的我也聽得不清不楚。下課之後，我自修英文版的《量子化學》，又讀的似懂非懂，跑去問授課者又被數落得一無是處。那時年少的我只要聽到「量子化學」四個字，痛苦、無力、無助、茫茫然不知該如何是好？即使多年以後的今天，當時修讀「量子化學」苦楚不堪的場景，至今仍然可以清晰浮現在我眼前，年少的我是多麼希望有一本中文書，告訴我「量子化學」到底是在講什麼？

後來到英國留學，再到美國，再回到英國作研究員，又回到美國，在學術旅途上，我駐留過不少地方，但都來來去去的。就這樣我一路邂逅，只覺山水俱已蒼茫，只知道年少的我已天涯日遠。就像每滴的酒回不了最初的葡萄，我回不了年少。

但年少時想寫中文版《量子化學》的念頭，卻一直還在心中縈繞。雖是如此，多年下來，不知道為什麼，一直遲遲未動筆認真去完成它。直到兩年前，系上安排我教授「量子化學」，促使我真的開始執筆去寫了。

因「量子化學」的內容相當廣泛，涵蓋整個化學領域，因此寫這本《初等量子化學》，想先試試水溫，看看讀者的反應及須要改進的地方，我再做調整，續寫下一本更進階版的《量子化學》。

也正因如此，我時時以中文讀者為中心，下筆時，盡可能把「量子」的概念用中文講述清楚，因此，在本書中有些英文專有名詞，會用不同於以往的詞彙來表達（像是：degeneracy，有人翻譯成「簡併度」，但在本書裡翻譯成「等階系」，代表「相等能階系列」）。除此以外，在每章章節後，會有至少五十題以上的習題，並附上詳細中文解答。因為根據我個人的讀書經驗，多做題目，可幫助學習者更進一步掌握書本上所要傳達的概念。因此，我絕對深信讀者若能多多解題，必可從解題過程中，對該章節的內容、觀念有更深入的了解與認識。

讀者在研讀本書時，一定會發現到有很多的量子觀念在每章節重複述說。之所以如此，是為了提醒、加深讀者的印象。但必須強調的是：這本《初等量子化學》的所有實質內容都不是我發現或發明的，我只不過是把眾家的說法與詮釋，分門別類，用自己的方式表達出來罷了。

本書之所以能夠順利完成出版，真的要感謝很多人。感謝系上陳清玉教授的推動，也感謝范惠雅小姐不辭辛勞的打字與編排，更感謝眾多同學的幫忙校對和訂正。要感謝的人實在太多人了，無法在此一一提及。另外，還要感謝五南出版社王正華先生的支持與協助，更感謝五南文化事業的楊榮川董事長，正因為有了大家的幫忙，這本書才能有問世的一天！

雖然本書經過多次校對、修正，錯誤已降至最低程度，但不可諱言的，可能還有一些不足之處，有賴於讀者不吝指正。

希望這本書能真正幫助對「量子化學」有興趣的人，進而能順利越過入門起步時的大難關。

　　　　　　　　　　　　　　　　　蘇明德　謹識

ps:《初等量子化學》序言所回憶的量子化學課程並非由儲三陽開授，其中未具名的授課者也不是儲三陽。

目錄

第一章　量子觀念的誕生　1

第一節　古典物理的困境　1
第二節　黑體輻射　2

〔附錄1.1〕Planck提出量子假說　12
〔附錄1.2〕成功應用溯因法和內插法的典範　13

第三節　光電效應　13
第四節　氫原子光譜　17

一、「量子化規則」　19
二、「穩定態假設」　20
三、「頻率規則」　20

〔附錄1.3〕原子結構的量子理論和Bohr的思想方法　25

第五節　光的「波粒二像性」　27
第六節　微觀粒子的「波粒二像性」　28
第七節　de Broglie波（物質波）的本質　32
第八節　測不準原理　36

〔附錄1.4〕Einstein與Planck的爭辯　50

第九節　測微觀物理現象的特徵　51

一、能量「量子化」　51
二、測不準原理　51

〔附錄1.5〕光量子論的建立和愛因斯坦的思想方法　53
〔附錄1.6〕原子單位制　55

練習題　55

第二章　量子化學常用的簡單數學工具及基本假設　61

第一節　二階線性常微分方程式　61

一、分解因式法　61
二、級數展開法　63

第二節　算子　66

一、等同性　66
二、加法性　67
三、乘法性　67
四、互換性　68
五、乘冪性　72
六、線性算子（linear operator）　72
七、特定函數（eigenfunction）和特定值（eigenvalue）　73
八、Laplace算子　75

第三節　機率函數和平均值　79

九、Hermit算子　82
十、線性Hermit算子　87

第四節　量子力學基本假設之一——波函數　89

一、電子繞射實驗的再認識（見第一章第七節）　89
二、波函數的物理意義　90
三、「歸一化」的波函數　92

第五節　量子力學基本假設之二——「物理量」算子　94

第六節　量子力學基本假設之三——薛丁格方程式　101

一、薛丁格方程式的再說明　102
二、波函數的標準化條件　104

〔附錄2.1〕薛丁格是如何推導出「薛丁格方程式」　111
〔附錄2.2〕「聯想法」和「類比法」的重要性　114

第七節　量子力學基本假設之四——態的疊加原理　115

一、「物理量」具有確定值的條件　117
二、不同「物理量」同時具有確定值的條件　118
三、「物理量」的平均值　119
四、量子力學原理的數學概念及其物理意義的再說明　123

第八節　量子力學基本假設之五——Pauli不相容原理　126
（Pauli Exclusion Principle）

第九節　「量子力學」假設的再說明　132
第十節　不同波函數反映不同的物理意義　136
第十一節　virial定理　138

練習題　140

第三章　「量子化學」在簡單模型上的應用　147

第一節　前言　147

第二節　「一維位能箱」中粒子的「薛丁格方程式」　148

一、「一維位能箱」中的粒子　148
二、「一維位能箱」中粒子的「薛丁格方程式」及其解　150
三、「薛丁格方程式」解的討論　155

第三節　「三維位能箱」中粒子的「薛丁格方程式」　175

第四節　穿隧效應　187

一、「穿隧效應」現象　188
二、又一個「穿隧效應」的著名應用例子　197

第五節　「一維簡諧振動」　198
第六節　「三維簡諧運動」　206
第七節　「量子力學」處理微觀體系的一般步驟與量子效應　207

〔附錄3.1〕量子如何穿越「節點」？　208

練習題　220

第四章　氫原子的結構及其相關性質　229

第一節　前言　229

第二節　氫原子與似氫離子的薛丁格方程式解　230

一、ϕ 方程的求解　237
二、Θ 方程的求解　241
三、R(r) 方程的求解　247
四、總波動函數 Ψn,l,m​ 的形式　253

第三節　四個量子數（n、l、m、ms​）的物理意義　257

一、「主量子數」n（主要決定總能量值大小）　259
二、角量子數 l（主要決定「電子雲」的形狀）　264
三、磁量子數 m（主要決定「電子雲」的空間方位取向）　267
四、自旋量子數 ms​（主要決定「自旋」的狀態）　274

第四節　氫原子軌域之圖形表示　277

一、徑向 r 分布圖　285
二、角度分布圖　302
三、電子雲空間分布圖　317
四、原子軌域等值線圖及原子軌域等密度線圖　318
五、原子軌域之網格立體圖　320
六、原子軌域剖面圖　321
七、原子軌域輪廓圖　327

第五節　不同波函數反映不同的物理意義　330

〔附錄4.1〕　334
〔附錄4.2〕　336

練習題　337

第五章　多電子原子結構　347

第一節　多電子原子的薛丁格方程式之近似求解　347

一、多電子原子的「薛丁格方程式」　347
二、「單電子近似法」（又稱「軌域近似法」）　350
三、中心力場近似法　352
四、「自我滿足場」方法　360

第二節　原子核外多電子的排列與分布　364

一、Pauli不相容原理（Pauli Exclusion Principle）　365
二、能量最低原理　365
三、Hund’s Rule　366

第三節　電子「自旋」　366

一、電子「自旋」問題的提出　366
二、「自旋波函數」和「自旋—軌域波函數」　368
三、等同粒子和「Pauli不相容原理」（參考第二章第八節及第五章第二節）　372
四、「自旋相關效應」　377

第四節　原子光譜　377

一、原子光譜的概念　377
二、氫原子光譜　379
三、多電子原子的「光譜項」（Term Symbol）　380
四、原子能階圖　392
五、由電子「組態」確定「光譜項」　394
六、「基本態」之「光譜項」　403

練習題　409

《初等量子化學》：

量子觀念的起源→數學工具與量子公設→簡單模型→氫原子→多電子原子

《分子的電子構造》：

原子軌域→分子軌域計算→雙原子分子→有機、無機分子→群論→化學反應

兩本接起來，正好是：

《初等量子化學》：從量子到原子⟹《分子的電子構造》：從原子到分子與反應

儲三陽在自序中明說，《分子的電子構造》：假定讀者對量子化學已經有所接觸；

只用第一、二章複習量子力學與原子構造；重點是分子軌域、分子結構與反應性。

換言之，它缺少的正是：為什麼量子力學會誕生；薛丁格方程怎麼理解；算符、特徵值、平均值是什麼；量子力學公設如何建立；方盒、穿隧、諧振子怎麼解；氫原子軌域和量子數如何導出；多電子原子如何近似處理。

而《初等量子化學》恰好把這些內容全部寫成正文，而且作者在序言中明確表示，他寫書的動機就是希望用中文幫初學者越過量子化學入門的困難；他刻意重複重要觀念、加入大量習題並附詳細中文解答。

所以兩本書不只是主題上碰巧互補，連教學目的也互補： ​
















這兩本台灣物理化學家所寫的正體中文書，十分適合作為Levine《Quantum Chemistry》第七版的參考書，Levine《Quantum Chemistry》提供的是量子化學理論的完整性、嚴謹性與現代分子電子結構計算的方法。

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