蓮華胎藏院: Keith J. Laidler John H. Meiser Bryan C. Sanctuary的《Physical Chemistry》

Keith J. Laidler John H. Meiser Bryan C. Sanctuary的《Physical Chemistry》

對岸G. Benenti, G. Casati and G. Strini 的《Principles of quantum computation vol. I: basic concepts 》的中譯本，書中於能量與訊息提到了馬克士威妖(Maxwell's demon)。而我初次知道Maxwell's demon是在大二物化KEITH J. LAIDLER的physical chemistry中統計力學的章節，雖然成大化工兩學期的物化是不教書中量子力學與統計力學內容，但是自己還是把整本都念完了XD

序言

本書第四版《物理化學》（Physical Chemistry），和前幾版一樣，是以適合作為學生入門教材的方式撰寫；這些學生可能打算成為化學家，也包括許多在其職涯中認為物理化學不可或缺的人。物理化學這個領域如今已變得非常廣闊，幾乎滲透到所有科學之中。物理學家、工程師、生物學家，以及醫學科學領域的工作者，都會發現物理化學知識對他們的工作十分重要。

本書預設讀者已具備基礎化學知識，大致相當於北美大學一年級通常會學到的內容。（在英國制度中，科學學位通常三年取得，而這些基礎內容通常在高中教授。）本書主要是為大學傳統的一整年課程而寫。不過，本書涵蓋的內容遠超過一年課程所能講授的範圍。因此，它也可以用於較進階課程，並可作為那些在工作領域中需要本學科基礎知識者的一般參考書。

本版的變更

在本書第四版中，我們保留了前幾版的大部分材料，只在有助於改善概念理解，或納入物理化學某些最新發現時才加以修改。許多章加入了新的小節，若干章的涵蓋範圍也大幅擴充。不幸的是，為了節省篇幅，我們不得不刪除第 20 章〈高分子〉。不過，由於該章中某些觀念對物理化學其他領域很重要，我們已將相關材料轉移到其他合適的章節之中。

大多數基本性質的數值，都依據最新資料進行了調整。附錄 D 中大幅新增了熱力學資料；此外，也加入了一張 CODATA 熱力學資料表，其中包含

的數值。附錄 D 中的資料皆對應於 1 bar 壓力下的數據。

第四版加入了許多新習題，讓教師能為學生提供充分選擇。這些習題組涵蓋廣泛的主題與難度。本新版以及隨書的《解答手冊》（Solutions Manual）都已經過仔細校對，以確保正確性。

在本版中，我們很高興引入一種特別有用的方式來視覺化物理過程。隨書附上的 CD 讓學生能使用許多物理關係的互動式圖形。使用者可以觀察在一個可能相當複雜的關係式中，改變某個變數會造成什麼影響。此外，許多圖也以動畫呈現，能使學生更清楚理解困難概念。隨附的對話、文字資訊與文字連結，也提供學生一種更完整的學習方式。

一如以往，我們歡迎學生及其他使用者提出評論與對未來版本的建議。我們期待收到你們的意見。

特色

我們刻意使本書帶有鮮明的歷史風格，部分原因是許多學生對本學科的歷史特別感興趣。更重要的是，我們相信，若能從某些科學主題最初如何被理解的角度來介紹，學生會更容易理解這些主題。

例如，若把熱力學定律直接當作公設來呈現，我們認為從教學觀點來看並不令人滿意。相較之下，說明熱力學定律如何從實驗證據中被推導出來，對學生而言要容易理解得多。此外，透過觀察一門學科的歷史發展，我們能以其他方式難以達到的程度，更深入地學習科學方法。

我們明白，歷史式的取徑可能會被稱為「老派」，但流行終究必須讓位給有效性。我們也加入了十一篇科學家的短傳。選擇這些科學家，並不是因為我們認為他們的工作比其他人更重要——畢竟誰能做出這樣的判斷呢？——而是因為我們覺得他們的人生與職涯特別有趣。

本書也為學生提供了若干特殊輔助工具。本版新增了「目標」（Objectives）小節，列出學生在完成該章後應該掌握的關鍵觀念或技術。每章的「預覽」（Preview）會以簡短敘述說明該章將呈現的材料，使章節內容具有整體一致感。

所有新術語都以斜體或粗體標示。學生應特別注意這些術語，以及那些以方框特別強調的方程式。章中出現的重要方程式，也會在每章末尾以簡明清單列出。附錄 C 所提供的數學關係式，應可作為便利的參考資料。

編排與彈性

我們處理物理化學各分支的順序，是一種個人偏好；其他教師可能偏好不同順序。本書在撰寫時已考慮到使用上的彈性。全書內容可依下列主題分組：

分組章節主題

A 第 1–6 章氣體、液體與溶液的一般性質；熱力學；物理與化學平衡

B 第 7–8 章電化學

C 第 9–10 章化學動力學

D 第 11–15 章量子化學；光譜學；統計力學

E 第 16–19 章若干特殊主題：固體、液體、表面、輸運性質

我們所採用的順序有一個優點：第 11–15 章這些較困難的主題，可以安排在課程後半段一開始講授。本書也很容易配合各種替代順序，例如：

順序 A 順序 B 順序 C

第 1–6 章第 1–6 章第 1–6 章

第 9–10 章第 11–15 章第 11–15 章

第 7–8 章第 7–8 章第 9–10 章

第 11–15 章第 9–10 章第 7–8 章

第 16–19 章第 16–19 章第 16–19 章

除此之外，某些章內主題的順序，特別是第 16–19 章中的主題，也可以加以變動。

章末材料

「關鍵方程式」（Key Equation）小節列出學生應該非常熟悉的方程式。這份清單不應被理解為唯一重要的方程式，而應視為廣泛適用於化學問題的基礎表達式。

習題依主題編排，較困難的題目以星號標示。所有習題的答案都收錄在書末；詳細解答則收錄於另一本《物理化學解答手冊》（Solutions Manual for Physical Chemistry）。

單位與符號

我們遵循國際單位制（SI, Système International d’Unités），以及國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）的建議；這些建議見於 IUPAC《綠皮書》（Green Book）。讀者可參閱附錄 A，以了解這些單位與建議的概要。

這些建議的核心特徵，是採用「量代數」（quantity algebra，有時也稱為 quantity calculus）的方法：一個符號代表一個物理量，而物理量是由一個純數值，也就是該量的數值，與一個單位相乘而成。

有時，例如取對數或作圖時，我們需要的是某個量的「數值」，也就是該物理量除以其單位量所得的結果。IUPAC《綠皮書》在這一點上並未提出建議，因此我們在前幾章中創新地使用上標 u（代表 unitless，無單位）來表示這樣的數值。到後面章節時，我們認為沒有必要繼續採用這種標記，因為讀者應該很快就能理解這一點。

致謝

我們特別感謝多年來許多同事所提供的啟發性談話、協助與建議，尤其包括：

加拿大國家研究委員會的 R. Norman Jones 博士與 D. A. Ramsay 博士（光譜學）；渥太華大學的 Glenn Facey 博士（NMR 光譜學）、Brian E. Conway 博士（電化學）與 Robert A. Smith 博士（量子力學）；南達科他大學的 Donald Abraham 博士（物理學）；Beloit College 的 David A. Dobson 博士（物理學）；Argonne National Laboratory 的 Mark A. Beno 博士（X 光光譜學）、Michael J. Pellin 博士與 Stephen L. Dieckman 博士（光譜學）、Victor A. Maroni 博士（固態與超導體）；John Carroll University 的 Michael J. Setter 博士（電化學）；Ball State University 的 Jason W. Ribblett 博士（光譜學與量子力學）；University of York 的 Graham Doggett、Tom Halstead、Ron Hester 與 Robin Perutz 博士；McGill University 的 John Harrod、Anne-Marie Lebuis（X 光光譜學）、David Ronis、Frederick Morin、Zhicheng（Paul）Xia（NMR 光譜學）與 Nadim Saade（質譜學）博士。

也特別感謝為本書多媒體部分作出貢獻的人員：University of York 的 Tom Halstead 博士；MCH Multimedia Inc. 的 Adam Halstead、Emily Cranston 與 Jürgen Karir；印度 Madras Institute of Technology 的 M. S. Krishnan；以及 Pronexus Infoworld Animations 的 J. Anantha Krishnan。

我們也感謝本版的審閱者，包括：

Edmund Tisko，University of Nebraska

Gordon Atkinson，University of Oklahoma

Bernard Laurenzi，University of Albany

Stephen Kelty，Seton Hall University

Pedro Muiño，Saint Francis College

Ruben Parra，University of Nebraska, Lincoln

Jonathan Kenny，Tufts University

James Whitten，University of Massachusetts, Lowell

Therese Michels，Dana College

Renee Cole，Missouri State University

Robert Brown，Douglas College

Phillip Pacey，Dalhousie University

Christine Lamont，University of Huddersfield

Curt Wentrup，University of Queensland

N. K. Singh，University of New South Wales

David Hawkes，Lambuth University

此外，我們也要感謝下列審閱者對前一版提出的建議：

William R. Brennen（University of Pennsylvania）、John W. Coutts（Lake Forest College）、Nordulf Debye（Towson State University）、D. J. Donaldson（University of Toronto）、Walter Drost-Hansen（University of Miami）、David E. Draper（Johns Hopkins University）、Darrell D. Ebbing（Wayne State University）、Brian G. Gowenlock（University of Exeter）、Robert A. Jacobson（Iowa State University）、Gerald M. Korenowski（Rensselaer Polytechnic Institute）、Craig C. Martens（University of California, Irvine）、Noel L. Owen（Brigham Young University）、John Parson（The Ohio State University）、David W. Pratt（University of Pittsburgh）、Lee Pederson（University of North Carolina at Chapel Hill）、Richard A. Pethrick（University of Strathclyde）、Mark A. Smith（University of Arizona）、Charles A. Trapp（University of Louisville）、Gene A. Westenbarger（Ohio University）、Max Wolfsberg（University of California, Irvine）、John D. Vaughan（Colorado State University）、Josef W. Zwanziger（Indiana University）。

若不感謝我們專案編輯 Gina J. Linko 的細緻工作，那將是我們的疏漏。最後，我們也要特別指出 Louisiana Tech University 的 B. Ramu Ramachandran 所作出的貢獻；他在章末習題與《解答手冊》方面的工作，是本版的重要組成部分。

Keith J. Laidler

John H. Meiser

Bryan C. Sanctuary

作者

Laidler 具有化學動力學領導地位，Meiser 寫熱力學章節，Sanctuary 則發展量子理論、光譜學、統計力學與輸運性質章節。

Keith J. Laidler
Laidler 是很重要的物理化學家，尤其以化學動力學與過渡態理論 / 活化複合物理論相關工作著名。他曾任 University of Ottawa 化學教授，也是物理化學史方面的作者。ACS 歷史化學相關資料與其他簡介都把他定位為 20 世紀化學動力學的重要人物。

這本物化的化學動力學也是寫得最好的!

第 9 章　Chemical Kinetics I. The Basic Ideas

化學動力學 I：基本觀念

9.1 消耗速率與生成速率

Rates of Consumption and Formation

9.2 反應速率

Rate of Reaction

9.3 經驗速率方程式

Empirical Rate Equations

反應級數

無明確級數的反應

速率常數與速率係數

9.4 動力學結果分析

Analysis of Kinetic Results

積分法

半衰期

微分法

無簡單級數的反應

對立反應 / 可逆反應

9.5 極快速反應的技術

Techniques for Very Fast Reactions

flow methods

pulse methods

9.6 分子動力學觀點

Molecular Kinetics

分子數與反應級數

9.7 Arrhenius 方程式

The Arrhenius Equation

活化能

9.8 位能面

Potential-Energy Surfaces

9.9 指前因子

The Pre-exponential Factor

硬球碰撞理論

過渡態理論

量子穿隧

動力學同位素效應

9.10 溶液中的反應

Reactions in Solution

溶劑介電常數的影響

離子強度的影響

靜水壓的影響

擴散控制反應

線性 Gibbs 能關係

分子束

9.11 反應動力學 / 反應動態學

Reaction Dynamics

化學發光

動力學計算

過渡物種的偵測

Key Equations

Problems

Suggested Reading

Britannica 也列出他為 University of Ottawa 前化學教授，並是 The World of Physical Chemistry 的作者。《物理化學的世界》是由化學學者 Keith J. Laidler 撰著，由前文化大學化學系主任陳道達教授翻譯、國立編譯館發行的物理化學經典譯作。

Laidler 的專業是化學動力學，而且是過渡態理論、反應速率理論那一脈的重要人物。ACS History 的資料說，他曾在 Oxford 跟 Hinshelwood 做動力學，後來到 Princeton 跟 Henry Eyring 做博士，並與 Samuel Glasstone、Eyring 合著 The Theory of Rate Processes，這本後來成為該領域經典。

Laidler 也很重視物理化學史。ACS History 提到他不只發表超過 250 篇科學論文，也寫了不少物理化學史文章與書，例如 The World of Physical Chemistry，並因物理化學史相關貢獻獲得 Dexter Award。

從科學史、實驗證據、概念形成過程來教物理化學~所以在介紹統計力學時，自然就從馬克士威爾妖精開始~

John H. Meiser
John H. Meiser 是 Ball State University 的化學教授 emeritus。Ball State 的頁面列他為 Professor Emeritus of Chemistry。 ACS 的 C&EN 訃聞稱他是 Ball State University 46 年的受愛戴教育者，並且是 Laidler and Meiser 這本「landmark」物理化學教材的共同作者；該書多版、多語翻譯，全球使用。

Bryan C. Sanctuary
Bryan C. Sanctuary 是 McGill University 化學退休教授。Google Scholar 顯示他為 Retired Professor, Chemistry, McGill University，研究專業是量子力學、量子統計、自旋等等。 McGill 的課程/人員資料也列出 Bryan C. Sanctuary 具有 B.Sc. Ph.D. 背景。

第四版由Sanctuary完善量子力學、光譜學以及統計力學，還有輸運性質即11章~19章。

第 11–19 章其實就是這本書的「微觀與凝聚相物理化學」半部：

量子力學→化學鍵→光譜→NMR/雷射/現代光譜→統計力學→固態→液態→表面與膠體→輸運性質

其中第 15 章建立統計力學的形式基礎，接著依次討論固態、液態、表面與膠體，以及輸運性質。若放在統計物理與凝態物理並無明確界線的脈絡下理解，這幾章其實形成了一條十分自然的路線。

第 16 章固態位於固態物理、固態化學與量子統計物理的交界；第 17 章液態主要連接液態物理與古典統計力學；第 18 章表面與膠體則屬於表面科學、軟凝態物理及介觀系統的統計描述；第 19 章所討論的擴散、黏滯、熱傳導、布朗運動與沉降，則自然通向輸運理論及非平衡統計物理。

這種編排並不是把統計力學先當作一套抽象理論，再附加幾個凝態物理的應用。正如久保等人所強調的，統計物理與凝態物理的界線從來不是截然分明的；統計物理的許多方法，本來就是在處理真實物質問題的過程中發展出來的。Landau–Lifshitz 的《統計物理》同樣體現這一點：其內容由一般統計原理直接延伸至固體、相變、表面、化學反應以及凝聚態的量子理論。

因此，第 15～19 章可以理解為一幅以化學家的語言寫成的統計—凝態物理圖景：

統計力學→固態與液態→表面及軟凝態→非平衡輸運

與一般凝態物理的差別，不在於研究對象完全不同，而在於物理化學還額外關心化學組成、分子間作用、鍵結、吸附、催化與反應性。

窮理致智為因，物理為根本，化學為中心，生命為究竟。

物理化學(量子化學)與凝聚態物理學(固態物理學)雙修。大悲胎藏法之本尊為『觀音母・白衣觀世音(白處尊)』;金剛頂瑜伽本之尊為『蓮華部母・金剛法智尊』。