正體中文書
物理化學四個主要象限: Molecular Quantum Mechanics / Quantum Chemistry and Spectroscopy、 Statistical Mechanics、 Chemical Thermodynamics, 以及 Chemical Kinetics and Dynamics,
其中的 Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy——分子量子力學與光譜學,不只處理電子結構計算; 她還包括量子力學本身的形式架構、原子與分子的量子態、分子的轉動與振動、
電子結構、光與物質的交互作用,以及利用光譜觀察這些量子態的方法。
Quantum Mechanics
→ Molecular Quantum Mechanics
→ Quantum Chemistry
→ Molecular Spectroscopy & Photochemistry
→ Solids & Surfaces
在這套架構裡,光譜學不是量子化學後面附帶的一章,而可以說是
分子量子力學面向實驗世界的語言。
ΔE = hν
量子力學告訴我們分子有哪些可能的狀態與能量;
光譜學則讓這些原本抽象的量子態,以轉動、振動、電子躍遷與磁共振等方式被實際觀測。
因此這個象限的核心可以概括成:
Quantum states
+ Electronic structure
+ Molecular motion
+ Spectroscopic transitions
+ Extended electronic structures
二、Atkins & Friedman:Molecular Quantum Mechanics
Cohen-Tannoudji 回答的是「量子力學如何運作」;
Atkins 與 Friedman 則進一步問:
這套量子力學如何真正成為原子與分子的理論?
Generic Quantum Mechanics
→ Molecular Quantum Mechanics
因此這本書可以視為整個象限的中央教材之一。
她從量子形式、平移、振動、轉動與角動量開始,
經過群論與近似法,再進到原子結構、分子結構、計算化學、
分子轉振、電子躍遷以及分子的電磁性質。
目錄
展開 Atkins & Friedman《Molecular Quantum Mechanics》主要目錄
- The Foundations of Quantum Mechanics
量子力學基礎
- Linear Motion and the Harmonic Oscillator
直線運動與簡諧振子
- Rotational Motion and the Hydrogen Atom
轉動運動與氫原子
- Angular Momentum
角動量
- Group Theory
群論
- Techniques of Approximation
近似方法
- Atomic Spectra and Atomic Structure
原子光譜與原子結構
- An Introduction to Molecular Structure
分子結構導論
- Computational Chemistry
計算化學
- Molecular Rotations and Vibrations
分子轉動與振動
- Molecular Electronic Transitions
分子電子躍遷
- The Electric Properties of Molecules
分子的電性質
- The Magnetic Properties of Molecules
分子的磁性質
- Scattering Theory
散射理論
Mathematical Background
- Complex Numbers
- Differential Equations
- Vectors
- Matrices
- Fourier Series and Fourier Transforms
- Scalar and Vector Functions
這裡也可以看出「Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy」
比單純的「Quantum Chemistry」更能涵蓋全貌。
因為書本並沒有在 molecular orbital theory 結束,
而是繼續走向 spectroscopy、electric/magnetic properties,
甚至最後進入 scattering theory。
Quantum Formalism
→ Atomic Structure
→ Molecular Structure
→ Spectroscopy
→ Scattering

三、Szabo & Ostlund:Modern Quantum Chemistry
當分子量子力學開始真正面對多電子分子,
問題就從「量子力學的基本模型」轉變成:
多電子 Schrödinger equation 到底要怎麼算?
Attila Szabo 與 Neil S. Ostlund 的
Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory
正是負責這一層。
Born–Oppenheimer
→ Hartree–Fock
→ Electron Correlation
→ CI / Coupled-Pair / MBPT / Green's Function
因此她在這個象限中的角色可以稱為
Advanced Electronic Structure Theory。
目錄
展開 Szabo & Ostlund《Modern Quantum Chemistry》目錄
Chapter 1 — Mathematical Review
數學回顧
- Linear Algebra
- Orthogonal Functions, Eigenfunctions, and Operators
- The Variation Method
Chapter 2 — Many Electron Wave Functions and Operators
多電子波函數與算符
- The Electronic Problem
- Atomic Units
- Born–Oppenheimer Approximation
- Antisymmetry / Pauli Exclusion Principle
- Spin Orbitals and Spatial Orbitals
- Hartree Products
- Slater Determinants
- Hartree–Fock Approximation
- Configuration Interaction
- One- and Two-Electron Integrals
- Coulomb and Exchange Integrals
- Second Quantization
- Spin-Adapted Configurations
Chapter 3 — The Hartree–Fock Approximation
Hartree–Fock 近似
- Hartree–Fock Equations
- Coulomb and Exchange Operators
- Fock Operator
- Canonical Hartree–Fock Equations
- Koopmans' Theorem
- Brillouin's Theorem
- Restricted Closed-Shell Hartree–Fock
- Roothaan Equations
- SCF Procedure
- Population Analysis
- Polyatomic Basis Sets
- STO-3G
- 4-31G
- 6-31G* and 6-31G**
- Unrestricted Open-Shell Hartree–Fock
- Pople–Nesbet Equations
- The Dissociation Problem
Chapter 4 — Configuration Interaction
組態交互作用
- Full CI Matrix
- Correlation Energy
- Doubly Excited CI
- Natural Orbitals
- One-Particle Reduced Density Matrix
- MCSCF
- GVB
- Truncated CI and Size Consistency
Chapter 5 — Pair and Coupled-Pair Theories
電子對與耦合電子對理論
- Independent Electron Pair Approximation
- Coupled Cluster Approximation
- Cluster Expansion of the Wave Function
- Coupled Electron Pair Approximation
- Many-Electron Theories with Single Particle Hamiltonians
Chapter 6 — Many-Body Perturbation Theory
多體微擾理論
- Rayleigh–Schrödinger Perturbation Theory
- Diagrammatic Perturbation Theory
- Orbital Perturbation Theory
- Perturbation Expansion of the Correlation Energy
- Hugenholtz Diagrams
- Goldstone Diagrams
- Linked Cluster Theorem
Chapter 7 — The One-Particle Many-Body Green's Function
單粒子多體 Green 函數
- Green's Functions in Single Particle Systems
- The One-Particle Many-Body Green's Function
- Self-Energy
- Dyson Equation
- Application to H₂ and HeH⁺
- Perturbation Theory and Green's Function Method
Appendices
- Integral Evaluation with 1s Primitive Gaussians
- Two-Electron Self-Consistent-Field Program
- Analytic Derivative Methods and Geometry Optimization
- Molecular Integrals for H₂ as a Function of Bond Length
Szabo–Ostlund 把「量子化學」從定性的 MO 圖,
推進到真正的多電子電子結構理論。
這也是為什麼她適合放在 Atkins & Friedman 之後:
前者建立整體 molecular quantum mechanics,
後者則深入電子結構計算的核心。

四、Principles of Molecular Spectroscopy and Photochemistry
電子結構理論回答了「有哪些態」、「它們的能量是多少」,
但物理化學還必須回答另一個問題:
這些量子態如何透過光譜被觀測?又如何隨時間發生轉移?
因此,在量子化學之後放入
Principles of Molecular Spectroscopy and Photochemistry
非常自然。
Quantum States
→ Optical Transitions
→ Spectroscopy
→ Nonadiabatic Dynamics
→ Density Matrix
這本書的特色,是把分子量子力學與光譜學直接連接起來,
而且不是只停留在定態光譜。
她從 time-dependent perturbation、Born–Oppenheimer approximation
與雙原子分子運動開始,
再進入 molecular spectroscopy、dense media、
nonadiabatic processes、density matrix、master equation 與 quantum beat。
目錄
展開《Principles of Molecular Spectroscopy and Photochemistry》目錄
-
Introduction
導論
-
Time-dependent Perturbation Method
含時微擾方法
-
Born–Oppenheimer (BO) Approximation
Born–Oppenheimer 近似
-
Motion of Diatomic Molecules
雙原子分子的運動
-
Principles of Molecular Spectroscopy
分子光譜學原理
-
Absorption Spectra in Dense Media
緻密介質中的吸收光譜
-
Non-adiabatic Rate Processes
非絕熱速率過程
-
Density Matrix Method
密度矩陣方法
-
Master Equations for Isolated Systems
孤立系統的主方程
-
Theoretical Treatments of Quantum Beat
Quantum Beat 的理論處理
光譜學作為分子量子力學的實驗語言
如果把整個象限濃縮,光譜可以看成量子結構的實驗投影:
Rotational states → Microwave spectroscopy
Vibrational states → IR / Raman spectroscopy
Electronic states → UV–Vis / Electronic spectroscopy
Spin states → NMR / EPR
所以「分子量子力學與光譜學」並不是把兩門不相干的科目硬接在一起。
相反地:
Molecular Quantum Mechanics
↔ Spectroscopic Observation
分子量子力學告訴我們量子態的結構;
光譜學告訴我們如何從實驗讀出這些態之間的能量差、對稱性與動力學。

五、Roald Hoffmann:Solids and Surfaces
A Chemist's View of Bonding in Extended Structures
前面的書主要從一般量子力學一路走到分子、電子結構與分子光譜。
接下來便出現一個自然的問題:
如果分子不再是有限的,而是一路延伸成一維、二維甚至三維的週期系統,
分子軌域與化學鍵的語言還能不能繼續使用?
Roald Hoffmann 的
Solids and Surfaces: A Chemist's View of Bonding in Extended Structures
正好適合放在這整條路線的最後。
Molecular Orbitals
→ Bloch Orbitals
→ Energy Bands
→ DOS
→ Bonding in Solids
→ Surface Bonding
Introduction
Hoffmann 一開始就指出,一維、二維與三維方向延伸的巨大結構充滿我們周遭的世界。
無論是天然、生物來源或人工合成的高分子,
以及金屬、合金、陶瓷與其他複合材料,
都在人類文化中扮演了塑造性的角色。
礦物結構構成牆面顏料與玻璃的基礎,
天然與合成高分子構成我們的衣物;
而無機超導體與導電有機高分子等新材料所展現的特殊電性與磁性,
則可能塑造未來科技。
固態化學是重要的、充滿生命力的,而且仍在成長。
表面科學也是如此。
無論是金屬、離子固體、共價固體或半導體,
一個表面都是具有自己化學性質的一種物質形式。
表面在結構與反應性上,一方面與 bulk material、
氣相離散分子以及溶液中的聚集體具有相似之處;
另一方面也具有自己的差異。
相似之處把表面化學連回一般化學,
而差異則讓表面變得有趣,也使它具有實際用途。
Hoffmann 特別指出:
experimental surface science 是 chemistry、physics 與 engineering 的交會地帶。
新的 spectroscopy 為我們提供大量關於原子與分子如何和表面交互作用的資訊。
工具可能來自物理,但真正提出的問題非常化學:
表面的結構是什麼?反應性如何?分子吸附之後又如何改變?
非均相催化更使金屬與氧化物表面的研究具有特殊的重要性。
我們早已知道化學反應發生在表面,
但直到現代表面科學成熟後,
才逐漸能真正辨認 heterogeneous catalysis 的基本機制步驟。
另一方面,許多新型固態材料最引人注目的地方,
恰恰是它們的電性與磁性。
因此,化學家不只要能夠合成材料並決定其結構,
也必須能夠測量並理解這些物理性質。
要做到這件事,就不能逃避材料的
electronic structure。
表面研究同樣不可避免地必須理解這些延伸物質形態的電子結構。
化學家為什麼必須學 band theory?
問題在於,描述這些問題所需要的
solid-state physics 與 band theory
通常並不是傳統化學教育的核心內容。
Hoffmann 的回答很乾脆:
它應該是。而本書最主要的目標,就是教會化學家這套語言。
而且他想證明,這套語言沒有想像中那麼陌生。
在很多方面,它其實就是把化學家已經非常熟悉的
molecular orbital theory
延伸出去。
化學家的局域觀點
Hoffmann 接著故意說得很挑釁:
他懷疑物理學家可能不認為化學家能教他們什麼 solid-state bonding,
但他不同意。
化學家長期累積了大量關於 simple covalent bonding、
ionic bonding、molecular structure、clusters 與 local environments 的直觀。
化學家的觀點往往是局域的,
而且非常擅長從複雜結構中「看出鍵」與局部結構單元。
從大量經驗以及簡單模型中,
化學家建立了關於分子為何能夠形成、如何形成、
以及為何能夠維持在一起的直觀理解。
Hoffmann 甚至說:
物理學家有時的確比化學家更會計算一個分子或固體的電子結構;
但他們並不一定比化學家更能夠「理解」那些計算。
化學家完全沒有必要在與物理學家對話時感到自卑。
因為 molecular chemistry 的經驗,
對詮釋複雜 electronic structure 極其有價值。
而且在材料研究裡還有另一個很現實的理由:
在化學家真正把某個分子或材料合成出來以前,
別人根本無法研究它的性質。
化學與物理之間的橋
Hoffmann 當然也不是要把物理排除在外。
相反地,他特別稱讚那些努力在物理與化學之間架橋的研究者,
包括 Jacques Friedel、Walter A. Harrison、Volker Heine、
James C. Phillips、Ole Krogh Andersen 等人。
他真正反對的,是固態化學與傳統分子化學彼此失去語言上的聯繫。
在他看來,如果有數種方法可以解釋固態化學中的同一個現象,
那麼能夠把手上的結構與某個熟悉的離散分子建立關係的解釋,
往往具有特殊的化學價值。
Zintl concept 就是一個漂亮的例子。
它的理論並不複雜:
高度 electropositive 的 A 原子把電子轉移給主族元素 B,
而 B 再利用這些電子形成鍵。
它之所以重要,不只是因為能解釋很多固態結構,
更因為它在
solid-state chemistry 與 organic / main-group chemistry
之間建立了聯繫。
本書的方法
因此 Hoffmann 的目標不是把固態材料變成一堆抽象的
E(k) 曲線。
他要尋找能把高度離域的 crystal orbitals
重新翻譯成局域化學作用的工具。
主要包括:
- Density of States(DOS)
- Decomposition / projected DOS
- Crystal Orbital Overlap Population(COOP)
- Frontier orbital analysis
- Interaction diagrams
- Extended Hückel method
- Tight-binding method with overlap
也就是從:
Delocalized Band Structure
→ Local Chemical Interpretation
重新問回化學最關心的問題:
Where are the electrons?
Where are the bonds?
目錄
展開 Hoffmann《Solids and Surfaces》目錄
- 引言
- 一維尺度上的軌域與能帶
- Bloch 函數、k 與能帶結構
- 能帶寬度
- 能帶如何展開
- Pt(II) 平面四方配合物的重疊堆積
- Fermi 能級
- 更多維度:至少二維
- 提出表面問題
- 態密度(Density of States)
- 電子在哪裡?
- 分子-表面相互作用的探討:DOS 分解
- 鍵在哪裡?
- 一個固體實例:ThCr₂Si₂ 結構
- 前線軌域觀點
- 表面上的軌域交互作用
- 案例研究:Ni(100) 晶面上的 CO 吸附
- 化學吸附能壘
- 化學吸附是一種折衷
- 三維延伸結構中的前線軌域
- 晶胞中的多電子單元與能帶重疊
- 晶體成鍵
- Peierls 畸變
- 三維結構的簡要論述
- 表面軌域交互作用的定性理解
- Fermi 能級問題
- 另一種方法及其貢獻
- 固體裡究竟有什麼新的?
- 參考文獻
- 索引
從分子軌域到能帶
Hoffmann 的核心思路可以用最簡單的方式表示:
2 atoms
→ a few molecular orbitals
N atoms
→ N closely spaced molecular orbitals
N → ∞
→ Energy Band
在晶體中,因週期性而得到 Bloch states:
ψn,k(r) = eik·r un,k(r)
但是 Hoffmann 不滿足於知道 band structure。
他仍然追問:
這條 band 哪一段是 bonding?
哪一段是 antibonding?
電子數如何影響結構?
表面吸附時哪些軌域真正發生作用?
所以這本書真正做的不是用 solid-state physics
取代 molecular chemistry,
而是把兩套語言連起來:
Molecular Orbital Theory
↔ Band Theory
固體裡究竟有什麼新的?
到了全書最後,Hoffmann 才真正回答這個問題。
如果晶體中的 bands 都非常窄,
重複單元之間幾乎沒有 orbital overlap,
那麼其鍵結和離散分子相比,其實沒有太多本質上的新東西。
但是當 bands 變寬,
就會出現 extensive delocalization,
而離域化確實可能產生新的鍵結效應。
Hoffmann 同時也承認:
像 superconductivity、ferromagnetism、charge-density wave、
spin-density wave、heavy fermions 等真正具有固態集體性的物理現象,
並不是這本書所要完整處理的內容。
要理解那些現象,化學家仍然必須學習更多 solid-state physics。
因此 Hoffmann 並不是主張「固態物理什麼都沒有新的」。
他的重點是在於:
即使進入 extended structures,
許多 bonding problems 仍然可以透過 orbital interactions
與化學家的局域鍵結直覺來理解。
他最後把整本書濃縮成一個極具化學味的觀點:
固體就只是一個很大的分子。
The solid is a molecule, a big one, to be sure, but just a molecule.
因此,我們應該試著從不得不高度離域化的 Bloch-function 描述中,
重新抽取出這個巨大分子的化學本質:
結構與反應性背後的化學鍵
用 Hoffmann 自己的語氣來說:
那些鍵一定就在那裡。
六、這五套書如何共同構成「Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy」
如果依照理論層級排列,這五套書並不是互相競爭的教材,
而像是一條逐漸展開的路:
Cohen-Tannoudji
Quantum Mechanics
↓
Atkins & Friedman
Molecular Quantum Mechanics
↓
Szabo & Ostlund
Advanced Electronic Structure Theory
↓
Principles of Molecular Spectroscopy and Photochemistry
Molecular Spectroscopy & Quantum Dynamics
↓
Roald Hoffmann
Bonding in Extended Structures, Solids & Surfaces
Cohen-Tannoudji 建立量子力學本身;
Atkins & Friedman 把她轉化成原子與分子的量子力學;
Szabo & Ostlund 深入多電子電子結構;
分子光譜與光化學再把這些量子態連接到實驗上的 transition 與 dynamics;
最後 Hoffmann 則把 molecular orbital thinking
一路延伸到 solid 與 surface。
因此這一象限真正的範圍不是狹義的「量子化學計算」,
而是一整套由量子態出發、解釋物質微觀結構與光譜性質的理論:
Quantum Mechanics
→ Electronic Structure
→ Molecular Structure
→ Spectroscopy
→ Extended Structures
這也說明了為什麼我傾向保留
Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy
這個名稱。
「Molecular Quantum Mechanics」代表的是微觀的量子結構與電子結構;
「Spectroscopy」則代表我們如何從實驗看見這些結構。
而 Hoffmann 的加入,又使這套分子軌域與鍵結的語言,
自然延伸到週期性固體與表面。
結語
從 Cohen-Tannoudji 的 state space 與 quantum postulates,
經過 Atkins & Friedman 的原子、分子、轉振與光譜,
再經 Szabo–Ostlund 的 Hartree–Fock、CI 與 electron correlation,
我們得到了一套真正能夠處理分子 electronic structure 的理論。
而 molecular spectroscopy 使這些量子態不再只是紙面上的 eigenvalues;
它們以 absorption、emission、rotation、vibration、
nonadiabatic transition 與 quantum coherence 的形式進入實驗。
最後 Hoffmann 再把這套語言向外推:
從 molecular orbital 到 Bloch orbital,
從離散能階到 energy band,
從分子鍵結到 crystal 與 surface bonding。
於是,從最小的量子態到延伸的固體,
這條路始終圍繞著一個非常化學的問題:
電子在哪裡?鍵在哪裡?
而即使到了固體,
固體就只是一個很大的分子。
化學並不只是詢問「物質由哪些元素組成」。
即使具有相同的元素組成,不同的電子排列、空間幾何、
鍵結方式、分子對稱性與聚集方式,
都可能產生完全不同的物理與化學特性。
在量子力學出現以後,
這種「結構決定特性」的關係得到了更深的微觀基礎。
電子波函數與 Hamiltonian 決定可允許的量子態,
而這些量子態進一步決定分子的鍵結、幾何、轉動、振動、
電子躍遷以及電性與磁性。
例如,轉動能階反映分子的轉動慣量與鍵長;
振動光譜反映鍵力常數與正常模態;
電子光譜揭露電子態與電子躍遷;
而磁共振則從自旋、局部磁環境與耦合中提供分子結構資訊。