《Atkins' Physical Chemistry》、Peter Atkins & Ronald Friedman 《Molecular Quantum Mechanics》、James Keeler 《Understanding NMR Spectroscopy》

《Atkins' Physical Chemistry》12e：物理化學四大象限與三本延伸專書

物理化學的範圍極廣。若不單純依照傳統授課章序，而是從 理論結構重新整理，可以將現代物理化學劃分成四個主要象限：

Chemical Thermodynamics
Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy
Statistical Mechanics
Chemical Kinetics and Dynamics

Peter Atkins、Julio de Paula 與 James Keeler 合著的 《Atkins’ Physical Chemistry》第 12 版，以此四大象限模組化:

物理化學四大象限總覽

象限	領域	Atkins 12e
I	Chemical Thermodynamics	Focus 1–6
II	Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy	Focus 7–12
III	Statistical Mechanics	Focus 13–16
IV	Chemical Kinetics and Dynamics	Focus 17–19

I. Chemical Thermodynamics
II. Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy
III. Statistical Mechanics
IV. Chemical Kinetics and Dynamics

I. Chemical Thermodynamics

化學熱力學

第一象限研究巨觀系統的 state variables、energy、entropy、free energy、 chemical potential、phase equilibrium 與 chemical equilibrium。

Atkins 12e：Focus 1–6

Focus 1 — The Properties of Gases

氣體的性質

1A — The Perfect Gas

Variables of state
Equations of state
Perfect-gas law
Gas mixtures

1B — The Kinetic Model

Pressure and molecular speeds
Maxwell–Boltzmann distribution
Mean molecular speeds
Collisions
Collision frequency
Mean free path

1C — Real Gases

Compression factor
Virial coefficients
Critical constants
van der Waals equation
Principle of corresponding states

註： Focus 1 的 1B The Kinetic Model 已具有 kinetic theory 與 statistical mechanics 的色彩。不過整個 Focus 1 在 Atkins 的結構中主要作為 thermodynamics 的氣體基礎，因此仍歸入 Chemical Thermodynamics。

Focus 2 — The First Law

熱力學第一定律

2A — Internal Energy

Work
Heat
Internal energy
First Law
Expansion work
Reversible expansion
Isothermal expansion
Calorimetry
Heat capacity

2B — Enthalpy

Definition of enthalpy
Enthalpy change
Heat capacity at constant pressure
Relation between C_P and C_V

2C — Thermochemistry

Standard enthalpy changes
Physical transformations
Chemical reactions
Hess's law
Standard enthalpies of formation
Temperature dependence of reaction enthalpy
Differential scanning calorimetry
Isothermal titration calorimetry

2D — State Functions and Exact Differentials

Exact differentials
Inexact differentials
Changes in internal energy
Changes in enthalpy
Joule–Thomson effect

2E — Adiabatic Changes

Temperature change
Pressure change

Focus 3 — The Second and Third Laws

熱力學第二與第三定律

3A — Entropy

Second Law
Thermodynamic definition of entropy
Statistical interpretation of entropy
Carnot cycle
Thermodynamic temperature
Clausius inequality

3B — Entropy Changes Accompanying Specific Processes

Expansion
Phase transitions
Heating
Composite processes

3C — The Measurement of Entropy

Calorimetric entropy
Third Law
Nernst heat theorem
Third-Law entropy

3D — Concentrating on the System

Helmholtz energy
Gibbs energy
Criteria of spontaneity
Maximum work
Maximum non-expansion work
Standard Gibbs energies

3E — Combining the First and Second Laws

Maxwell relations
Dependence of U on volume
Dependence of G on temperature
Dependence of G on pressure

U, H → S → A, G → μ

Focus 4 — Physical Transformations of Pure Substances

純物質的物理轉變

4A — Phase Diagrams of Pure Substances

Stability of phases
Phase transitions
Coexistence curves
Phase rule
Phase diagrams

4B — Thermodynamic Aspects of Phase Transitions

Stability versus temperature
Stability versus pressure
Melting
Vapour pressure
Solid–liquid equilibrium
Liquid–vapour equilibrium
Solid–vapour equilibrium

Focus 5 — Simple Mixtures

簡單混合物

5A — The Thermodynamic Description of Mixtures

Partial molar quantities
Partial molar volume
Partial molar Gibbs energy
Chemical potential
Gibbs–Duhem equation
Thermodynamics of mixing
Ideal solutions
Ideal-dilute solutions

5B — The Properties of Solutions

Excess functions
Regular solutions
Colligative properties
Boiling-point elevation
Freezing-point depression
Solubility
Osmosis

5C — Phase Diagrams of Binary Systems: Liquids

Vapour-pressure diagrams
Temperature–composition diagrams
Fractional distillation
Azeotropes
Immiscible liquids
Critical solution temperatures

5D — Phase Diagrams of Binary Systems: Solids

Eutectics
Reacting systems
Incongruent melting

5E — Phase Diagrams of Ternary Systems

Triangular phase diagrams
Ternary liquids
Ternary solids

5F — Activities

Solvent activity
Solute activity
Ionic activities
Mean activity coefficients
Debye–Hückel limiting law

Focus 6 — Chemical Equilibrium

化學平衡

6A — The Equilibrium Constant

Gibbs-energy minimum
Reaction Gibbs energy
Exergonic reactions
Endergonic reactions
Equilibrium constants
Molecular interpretation of equilibrium

6B — The Response of Equilibria to the Conditions

Pressure dependence
Temperature dependence
van ’t Hoff equation

6C — Electrochemical Cells

Half-reactions
Electrodes
Types of electrochemical cells
Cell notation
Liquid-junction potential
Nernst equation
Thermodynamic functions from electrochemistry

6D — Electrode Potentials

Standard electrode potentials
Electrochemical series
Activity coefficients
Equilibrium constants

Chemical Thermodynamics 的主線

P, V, T → U, H, S, A, G, μ → Phase Equilibrium → Chemical Equilibrium

II. Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy

分子量子力學與光譜學

第二象限不只包含傳統意義下的 Quantum Chemistry，而是一條更完整的：

Quantum Mechanics → Atomic Structure → Molecular Structure → Spectroscopy

Atkins 12e：Focus 7–12

Focus 7 — Quantum Theory

量子理論

7A — The Origins of Quantum Mechanics

Energy quantization
Black-body radiation
Heat capacity
Atomic spectra
Molecular spectra
Wave–particle duality

7B — Wavefunctions

Schrödinger equation
Born interpretation
Normalization
Constraints on wavefunctions
Quantization

7C — Operators and Observables

Eigenvalue equations
Hermitian operators
Orthogonality
Superposition
Expectation values
Uncertainty principle
Postulates of quantum mechanics

7D — Translational Motion

Free particle
Particle in a box
Multidimensional confinement
Degeneracy
Tunnelling

7E — Vibrational Motion

Harmonic oscillator
Vibrational energy levels
Wavefunctions
Mean values

7F — Rotational Motion

Rotation in two dimensions
Rotation in three dimensions
Angular momentum
Vector model

Focus 8 — Atomic Structure and Spectra

原子結構與光譜

8A — Hydrogenic Atoms

Hydrogenic orbitals
Radial wavefunctions
Atomic orbitals
Energy levels
Ionization energies
Shells and subshells
Radial distribution functions

8B — Many-Electron Atoms

Orbital approximation
Electron spin
Pauli exclusion principle
Aufbau principle
Penetration and shielding
Hund's rules
Self-consistent-field orbitals

8C — Atomic Spectra

Hydrogenic spectra
Many-electron spectra
Singlet and triplet terms
Spin–orbit coupling
Term symbols
Selection rules

Focus 9 — Molecular Structure

分子結構

9A — Valence-Bond Theory

Diatomic molecules
Resonance
Promotion
Hybridization

9B — MO Theory: Hydrogen Molecule-Ion

LCAO
Bonding orbitals
Antibonding orbitals

9C — MO Theory: Homonuclear Diatomic Molecules

MO energy-level diagrams
σ orbitals
π orbitals
Overlap integral
Period-2 diatomic molecules
Photoelectron spectroscopy

9D — MO Theory: Heteronuclear Diatomic Molecules

Polar bonds
Electronegativity
Variation principle

9E — MO Theory: Polyatomic Molecules

Hückel approximation
Matrix formulation
Aromatic stability
Basis functions
Basis sets
Electron correlation
DFT

9F — Computational Chemistry

Hartree–Fock theory
Roothaan equations
Molecular integrals
Density functional theory

Born–Oppenheimer → VB/MO → LCAO → HF/DFT

Focus 10 — Molecular Symmetry

分子對稱性

10A — Shape and Symmetry

Symmetry operations
Symmetry elements
Molecular point groups
Chirality
Molecular polarity

10B — Group Theory

Matrix representations
Reducible representations
Irreducible representations
Characters
Character tables
Symmetry species

10C — Applications of Symmetry

Vanishing integrals
Direct products
Molecular-orbital applications
Symmetry-adapted linear combinations
Selection rules

Focus 11 — Molecular Spectroscopy

分子光譜學

11A — General Features of Molecular Spectroscopy

Absorption
Emission
Stimulated emission
Spontaneous emission
Transition moments
Selection rules
Beer–Lambert law
Spectral broadening
Instrumentation

11B — Rotational Spectroscopy

Rotational energy levels
Linear rotors
Symmetric rotors
Spherical rotors
Microwave spectroscopy
Rotational Raman spectroscopy

11C — Vibrational Spectroscopy of Diatomic Molecules

Vibrational motion
Infrared spectroscopy
Anharmonicity
Birge–Sponer plot
Vibration–rotation spectra
Raman spectroscopy

11D — Vibrational Spectroscopy of Polyatomic Molecules

Normal modes
Infrared absorption
Vibrational Raman spectra

11E — Symmetry Analysis of Vibrational Spectra

Symmetry classification
IR activity
Raman activity
Exclusion rule

11F — Electronic Spectra

Electronic selection rules
Vibrational fine structure
Rotational fine structure
Polyatomic spectra
Transition-metal complexes
π* ← π
π* ← n

11G — Decay of Excited States

Fluorescence
Phosphorescence
Dissociation
Predissociation
Lasers

Focus 12 — Magnetic Resonance

磁共振

12A — General Principles

Nuclear magnetic resonance
Nuclear spin
Magnetic energy levels
NMR spectrometer
Electron paramagnetic resonance
EPR spectrometer

12B — Features of NMR Spectra

Chemical shift
Shielding
Spin–spin coupling
Fine structure
Equivalent nuclei
Strong coupling
Exchange processes
Solid-state NMR

12C — Pulse Techniques in NMR

Magnetization vector
RF field
Time-domain signal
Frequency-domain signal
Spin relaxation
T₁
T₂
Spin decoupling
Nuclear Overhauser effect

12D — Electron Paramagnetic Resonance

g-value
Hyperfine structure
McConnell equation

Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy 的主線

Quantum Mechanics → Atomic Structure → Molecular Electronic Structure → Molecular Symmetry → Spectroscopy → Magnetic Resonance

III. Statistical Mechanics

統計力學

如果採廣義的 Statistical Mechanics，而不是只把它限制為 Statistical Thermodynamics，則 Atkins 的 Focus 13–16 可以形成一個相當完整的第三象限。

Focus 13：Equilibrium Statistical Mechanics
Focus 14：Statistical Physics of Molecular Interactions and Soft Matter
Focus 15：Statistical Physics / Condensed Matter
Focus 16：Kinetic Theory / Nonequilibrium Statistical Mechanics

Focus 13 — Statistical Thermodynamics

統計熱力學

13A — The Boltzmann Distribution

Configurations
Weights
Instantaneous configurations
Most probable distribution
Relative populations

13B — Molecular Partition Functions

Translational partition function
Rotational partition function
Vibrational partition function
Electronic partition function

13C — Molecular Energies

Translational contribution
Rotational contribution
Vibrational contribution
Electronic contribution
Spin contribution

13D — The Canonical Ensemble

Ensemble concept
Dominating configurations
Fluctuations
Mean energy
Independent molecules

13E — The Internal Energy and the Entropy

Internal energy from partition functions
Heat capacity
Entropy from partition functions
Translational entropy
Rotational entropy
Vibrational entropy
Residual entropy

13F — Derived Functions

Thermodynamic functions
Equilibrium constants
Dissociation equilibrium
Molecular contributions to equilibrium

q = Σ_i exp(−βε_i)

Molecular Quantum States + Statistical Theory → Statistical Mechanics

Focus 14 — Molecular Interactions

分子間作用

14A — The Electric Properties of Molecules

Electric dipole moments
Polarizabilities
Polarization
Mean dipole moment

14B — Interactions Between Molecules

Charge–dipole interactions
Dipole–dipole interactions
Dipole–induced dipole interactions
Dispersion interactions
Hydrogen bonding
Intermolecular potentials

14C — Liquids

Molecular interactions in liquids
Radial distribution function g(r)
Thermodynamic properties of liquids
Liquid–vapour interface
Surface tension
Capillarity
Condensation

14D — Macromolecules

Molecular mass distributions
Random coils
Chain dimensions
Conformational entropy
Elastomers
Mechanical properties

14E — Self-Assembly

Colloids
Electrical double layer
Hydrophobic interaction
Micelles
Bilayers
Vesicles
Biological membranes

Statistical Mechanics ↔ Soft Matter / Condensed Matter

Focus 15 — Solids

固體

15A — Crystal Structure

Crystal lattices
Lattice planes
Miller indices
Interplanar spacing

15B — Diffraction Techniques

X-ray diffraction
Bragg's law
X-ray crystallography
Neutron diffraction
Electron diffraction

15C — Bonding in Solids

Metals
Close packing
Electronic structure of metals
Ionic solids
Covalent solids
Molecular solids

15D — Mechanical Properties of Solids

15E — Electrical Properties of Solids

Metals
Insulators
Semiconductors
Superconductors

15F — Magnetic Properties of Solids

Magnetic susceptibility
Permanent magnetic moments
Induced magnetic moments

15G — Optical Properties of Solids

Excitons
Semiconductor optics
Light absorption
LEDs
Diode lasers
Nonlinear optics

Statistical Physics ↔ Condensed Matter Physics

Focus 16 — Molecules in Motion

運動中的分子

重點：
Focus 16 不必歸入 Chemical Kinetics。它的核心不是「化學物種反應有多快」，而是大量粒子的微觀運動如何產生巨觀輸運現象。因此將它視為 Kinetic Theory / Nonequilibrium Statistical Mechanics 並放入 Statistical Mechanics，在理論架構上更整齊。

16A — Transport Properties of a Perfect Gas

Diffusion coefficient
Thermal conductivity
Viscosity
Effusion

16B — Motion in Liquids

Liquid viscosity
Electrolyte solutions
Ionic mobility
Conductivity
Einstein relations

16C — Diffusion

Thermodynamic description
Diffusion equation
Diffusion with convection
Statistical description
Random walk

J = −D∇c
<r²> = 6Dt

Microscopic Random Motion ↔ Macroscopic Transport

IV. Chemical Kinetics and Dynamics

化學動力學與反應動力學

第四象限不只研究 rate law，更進一步處理 reaction mechanisms、molecular collisions、 transition states、potential-energy surfaces、scattering、state-to-state dynamics、 electron transfer 與 surface reactions。

Atkins 12e：Focus 17–19

Focus 17 — Chemical Kinetics

化學動力學

17A — The Rates of Chemical Reactions

Monitoring reaction progress
Experimental methods
Definition of reaction rate
Rate laws
Rate constants
Reaction order
Determination of rate laws

17B — Integrated Rate Laws

Zeroth-order reactions
First-order reactions
Second-order reactions

17C — Reactions Approaching Equilibrium

Reversible reactions
Relaxation methods

17D — The Arrhenius Equation

Temperature dependence of rate constants
Arrhenius parameters
Activation energy
Catalysis

17E — Reaction Mechanisms

Elementary reactions
Consecutive reactions
Steady-state approximation
Rate-determining step
Pre-equilibrium
Kinetic control
Thermodynamic control

17F — Examples of Reaction Mechanisms

Unimolecular reactions
Polymerization
Enzyme kinetics

17G — Photochemistry

Photochemical processes
Quantum yield
Excited-state decay
Quenching
Resonance energy transfer

Focus 18 — Reaction Dynamics

反應動力學

18A — Collision Theory

Reactive encounters
Collision rates
Energy requirement
Steric requirement
RRK model

18B — Diffusion-Controlled Reactions

Solution reactions
Reaction–diffusion equations
Diffusion-controlled kinetics

18C — Transition-State Theory

Activated complex
Eyring equation
Activation parameters
Ionic reactions
Kinetic isotope effect

18D — The Dynamics of Molecular Collisions

Molecular beams
Reactive collisions
State-to-state dynamics
Potential-energy surfaces
Direction of attack
Quantum mechanical scattering

18E — Electron Transfer in Homogeneous Systems

Electron-transfer rate law
Electron tunnelling
Electron-transfer rate constants

Collision → Transition State → Potential-Energy Surface → State-to-State Dynamics

Focus 19 — Processes at Solid Surfaces

固體表面過程

19A — An Introduction to Solid Surfaces

Surface growth
Physisorption
Chemisorption
Surface characterization

19B — Adsorption and Desorption

Langmuir isotherm
BET isotherm
Temkin isotherm
Freundlich isotherm
Adsorption kinetics
Desorption kinetics
Surface mobility

19C — Heterogeneous Catalysis

Surface reaction mechanisms
Langmuir–Hinshelwood mechanism
Eley–Rideal mechanism
Catalytic activity

19D — Processes at Electrodes

Electrode–solution interface
Current density
Butler–Volmer equation
Tafel plots
Voltammetry
Electrolysis
Galvanic cells

Chemical Kinetics and Dynamics 的主線

Rate Laws → Reaction Mechanisms → Molecular Collisions → Reaction Dynamics → Surface Reactions

Atkins 12e 四大象限最終分類

領域	Atkins 12e
Chemical Thermodynamics	Focus 1–6
Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy	Focus 7–12
Statistical Mechanics	Focus 13–16
Chemical Kinetics and Dynamics	Focus 17–19

三本延伸專書：

三位作者相關的另外三本書，則可以看成沿著這四大模組不同方向深入。

1. Peter Atkins — The Second Law

位置

Chemical Thermodynamics ↔ Statistical Mechanics

Peter Atkins 的 The Second Law 並不是一本單純增加數學難度的熱力學教科書，而是從概念上深入：

energy
heat and work
entropy
efficiency
spontaneous change
microscopic disorder
Boltzmann interpretation

主要篇章包括：

Nature's Dissymmetry
The Signpost of Change
Collapse into Chaos
The Enumeration of Chaos
The Potency of Chaos
Transformations of Chaos

所以它首先可以視為 Atkins 12e Focus 3 — The Second and Third Laws 的概念深化。

但它又不斷由 thermodynamic entropy 走向 microscopic probability，因此：

Thermodynamic Entropy ↔ Statistical Interpretation

它正好架起第一象限與第三象限的橋樑。

2. Peter Atkins & Ronald Friedman — Molecular Quantum Mechanics

位置

Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy

這一本就是第二象限的系統性深入教材。

主要章節

The Foundations of Quantum Mechanics
Linear Motion and the Harmonic Oscillator
Rotational Motion and the Hydrogen Atom
Angular Momentum
Group Theory
Techniques of Approximation
Atomic Spectra and Atomic Structure
An Introduction to Molecular Structure
Computational Chemistry
Molecular Rotations and Vibrations
Molecular Electronic Transitions
The Electric Properties of Molecules
The Magnetic Properties of Molecules
Scattering Theory

Quantum Formalism → Atomic Structure → Molecular Structure → Spectroscopy

特別值得注意的是最後的 Chapter 14 — Scattering Theory，使它又自然向第四象限延伸：

Molecular Quantum Mechanics → Scattering Theory → Reaction Dynamics

因此其主要位置是第二象限，但也提供第四象限 microscopic reaction dynamics 所需要的量子理論基礎。

3. James Keeler — Understanding NMR Spectroscopy

位置

Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy
↓
Magnetic Resonance / Spin Dynamics

也就是 Atkins 12e Focus 12 — Magnetic Resonance 的專門深入版本。

主要內容

NMR frequencies and chemical shifts
Energy levels
Vector model
Fourier transformation
FID
Quantum mechanics of one spin
Density operator
Product operators
Spin echoes
J-modulation
Coherence transfer
INEPT
COSY
DQF-COSY
HSQC
HMQC
HMBC
HETCOR
TOCSY
Relaxation
NOE
TROSY
Phase cycling
Field-gradient pulses
Strong coupling
Spin-system analysis
Spectrometer hardware

Quantum Spin States → Spin Dynamics → Pulse Sequences → NMR Spectroscopy

而 relaxation 部分又涉及 random molecular motion、correlation time、 longitudinal relaxation、transverse relaxation 與 NOE，因此 NMR 又與第三象限發生交會：

Statistical Molecular Motion ↔ Spin Relaxation

三本延伸專書與四大象限

專書	作者	主要象限	跨界方向
The Second Law	Peter Atkins	I. Chemical Thermodynamics	↔ III. Statistical Mechanics
Molecular Quantum Mechanics	Peter Atkins & Ronald Friedman	II. Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy	→ IV. Reaction Dynamics
Understanding NMR Spectroscopy	James Keeler	II. Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy	↔ III. Statistical Mechanics

整體架構

Atkins' Physical Chemistry
＝
Physical Chemistry 的完整中央地圖

而三本延伸書則分別為：

The Second Law
Chemical Thermodynamics ↔ Statistical Mechanics

Molecular Quantum Mechanics
Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy 的系統深入

Understanding NMR Spectroscopy
Magnetic Resonance / Spin Dynamics 的專門深入

四大象限之間的理論關係

這四個象限並不是四個彼此孤立的領域。

1. 微觀層次：Molecular Quantum Mechanics

分子的基本狀態由量子力學決定：

ĤΨ = EΨ

因此得到：

molecular energy levels
electronic structure
rotational states
vibrational states
spin states

2. 從量子態到統計系綜：Statistical Mechanics

大量分子的量子態再由統計方法組合：

Molecular Quantum Mechanics + Statistical Theory → Statistical Mechanics

其核心橋樑就是 partition function：

3. 平衡極限：Chemical Thermodynamics

由 Statistical Mechanics 可以推出巨觀的：

U、H、S、A、G、μ

Statistical Mechanics → Chemical Thermodynamics

Chemical Thermodynamics 可以視為平衡條件下的巨觀理論描述。

4. 時間演化與反應：Chemical Kinetics and Dynamics

當問題從：

系統的平衡狀態是什麼？

轉成：

系統如何隨時間改變？

以及：

化學反應在分子層次究竟如何發生？

便進入 Chemical Kinetics and Dynamics。

Molecular Quantum Mechanics + Statistical Mechanics → Chemical Kinetics and Dynamics

最終物理化學架構

Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy
↓
Statistical Mechanics
↙ ↘
Chemical Thermodynamics Chemical Kinetics and Dynamics

亦可以簡化成：

Molecular Quantum Mechanics
↓
Statistical Mechanics
↓
Chemical Thermodynamics + Chemical Kinetics and Dynamics

核心理解：

Molecular Quantum Mechanics 提供 microscopic states；

Statistical Mechanics 將大量 microscopic states 組合成 ensemble；

Chemical Thermodynamics 描述 equilibrium macroscopic behaviour；

Chemical Kinetics and Dynamics 描述 time evolution、reaction rate 與 microscopic reaction dynamics。

因此 Atkins 12e 的價值，不只在於「一本書涵蓋很多物化內容」，而是它幾乎可以被重新閱讀成一套：

Microscopic Quantum States
↓
Statistical Ensemble
↓
Macroscopic Equilibrium + Reaction Dynamics

的完整現代理論物理化學架構

延伸專書：從《Atkins' Physical Chemistry》的繼續深入

前面以 Atkins' Physical Chemistry 12e 作為 Physical Chemistry 這門的中央地圖，再將內容整理成四大象限：

Chemical Thermodynamics
Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy
Statistical Mechanics
Chemical Kinetics and Dynamics

其中有兩本與 Atkins 12e 作者直接相關的專書，特別適合用來把第二象限 Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy 繼續向下深入：

Peter Atkins & Ronald Friedman — Molecular Quantum Mechanics, 5th ed.
James Keeler — Understanding NMR Spectroscopy, 2nd ed.

前一本把分子量子力學從基本公設一路推進到原子結構、分子結構、計算化學、分子光譜與 scattering theory；後一本則把 Atkins 12e 的 Focus 12 — Magnetic Resonance 進一步放大成完整的 NMR spin dynamics 理論。

Peter Atkins & Ronald Friedman — Molecular Quantum Mechanics

簡短介紹

Molecular Quantum Mechanics 可以視為 Atkins 12e 第二象限 Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy 的系統性進階版本。

全書不是只處理 molecular orbital theory，而是從量子力學本身的結構開始：

Quantum Mechanics
↓
Angular Momentum / Group Theory / Approximation Methods
↓
Atomic Structure
↓
Molecular Structure
↓
Computational Chemistry
↓
Molecular Spectroscopy
↓
Scattering Theory

第五版的主要章節包括：

The Foundations of Quantum Mechanics
Linear Motion and the Harmonic Oscillator
Rotational Motion and the Hydrogen Atom
Angular Momentum
Group Theory
Techniques of Approximation
Atomic Spectra and Atomic Structure
An Introduction to Molecular Structure
Computational Chemistry
Molecular Rotations and Vibrations
Molecular Electronic Transitions
The Electric Properties of Molecules
The Magnetic Properties of Molecules
Scattering Theory

因此，它大致可以理解成把 Atkins 12e 的 Focus 7–12 展開成一整本更深入的分子量子力學教材。

尤其最後加入的 Scattering Theory，使它又自然與第四象限 Chemical Kinetics and Dynamics 發生聯繫：

Molecular Quantum Mechanics → Scattering Theory → Reaction Dynamics

第五版前言｜中文翻譯

在這個新版中，我們力求反映 分子量子力學在應用面上的重心變化，並在不犧牲嚴謹性的前提下，使文本更容易理解。以下我們將說明為達成這一目標所採取的主要措施。全書在組織與內容上都有許多新的調整，所有插圖也都重新繪製並加以擴充。

我們新增了一些簡短的 Mathematical background（數學背景） 單元，安排在某種數學技巧首次使用的章節之後。前一版中的 Further information（延伸資訊） 單元，則有些被納入 Mathematical background，有些移到與其內容最直接相關的章末。

新版中也增加了新的 Further information 單元，例如第 7 章關於 Thomas–Fermi 方法 的部分。同時也刪除了一些內容，使教材更容易消化。為了讓敘述更有系統、改善內容流暢度，或避免較困難的材料出現在正文過早的位置，許多內容也重新安排到了不同章節。

解題一直是量子力學學習中困難但重要的一環，因此我們特別重視幫助學生建立解題能力。在我們進行大幅修訂的章節中，廣泛加入了簡短的 brief illustrations，以快速而精簡的例子說明方程式的用法。

某些情況下，這些例子只是用來建立某個物理量的數量級，避免它停留在抽象概念的層次。

與前幾版相同，本書仍有大量 Worked examples（完整例題），需要較詳細的推導；另外還搭配 Self-tests（自我測驗），讓讀者可以在相關問題上實際檢驗自己是否掌握了解題方法。

為了讓每章末的測驗更循序漸進，我們將題目分成較直接的 Exercises（練習題），以及要求較高的 Problems（問題）。數值題的答案列在書末。

Student’s solutions guide（學生解答手冊） 提供指定 Exercises 與 Problems 的詳細解答，而 Instructor’s guide（教師手冊） 則提供全部題目的詳細解答。

有一章幾乎完全重新撰寫，那就是第 9 章的 Computational Chemistry（計算化學）。這一章詳細介紹 density functional theory（密度泛函理論，DFT），因為它是目前最廣泛使用的計算方法之一。

我們在這裡採用一個教學上的設計：先圍繞 H₂ 分子 發展理論。

H₂ 本身太簡單，對多數專業應用來說並不實用，但它的優點是可以把整個方法的細節清楚地展示出來，讓讀者真正看見那些通常被電腦程式隱藏起來的計算步驟。

我們也鼓勵讀者利用網站上的 互動式試算表 來加深理解。這些試算表讓讀者可以把不同數值代入書中的各種方程式，觀察可變參數如何影響結果。

我們還在許多地方擴充了內容，以提供更多入門材料。例如第 13 章增加了 classical magnetism（古典磁性） 的介紹；有些地方則改成更有系統的處理方式，例如第 11 章對 Hund coupling cases（洪特耦合情形） 的整理。

此外，本版還加入了一些其他重要內容，包括全新或大幅擴充的討論：

第 3 章： 圓形與球形方形勢阱
第 6 章： semiclassical approximation（半古典近似）
第 7 章： Racah parameters、Condon–Slater rules 與 atomic units
第 11 章： Wigner–Witmer rules
第 13 章： gauge invariance（規範不變性）
第 14 章： reactive scattering（反應散射）

我們非常感謝所有協助本新版編寫的人，包括以下曾在不同階段審閱本書的人：

Temer Ahmadi，Villanova University
Arjun Berera，University of Edinburgh
Alexander Brown，University of Alberta
Fabio Canepa，University of Genoa
Jonathan Flynn，University of Southampton
Ian Jamie，Macquarie University
Karl Jalkanen，Curtin University of Technology
Peter Karadakov，University of York
Thomas Miller，California Institute of Technology
Alejandro Perdomo，Harvard University
Charles Trapp，University of Louisville
Donald Truhlar，University of Minnesota

我們同樣感謝多年來提供建議與意見的眾多人員，他們人數太多，無法在此一一列名。

最後，我們也要公開感謝出版社；他們在各方面都給予了極大的協助與理解。

PWA
RSF

James Keeler — Understanding NMR Spectroscopy

簡短介紹

James Keeler 的 Understanding NMR Spectroscopy 可以看成 Atkins 12e Focus 12 — Magnetic Resonance 的專門深化版本。

它與一般以「如何判讀化學位移與裂分」為主的 NMR 教材不同，真正的核心是：

Spin States
↓
Hamiltonian
↓
Spin Dynamics
↓
RF Pulses
↓
Coherence Transfer
↓
FID / Fourier Transform
↓
NMR Spectrum

內容由最基本的 NMR frequencies、chemical shifts、scalar coupling，一路深入：

Energy-level description
Vector model
Larmor precession
RF pulses
Spin echo
Fourier transformation
Density operator
Product operators
Coherence transfer
INEPT
COSY
HSQC
HMQC
HMBC
TOCSY
Relaxation
NOE
TROSY
Phase cycling
Field gradients
Strong coupling
Spin-system analysis

因此它主要屬於第二象限 Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy，但 relaxation theory 又把它帶向第三象限：

Statistical Molecular Motion ↔ Spin Relaxation

第二版前言｜中文翻譯

我非常高興有機會推出 Understanding NMR Spectroscopy 第二版。尤其讓我感到欣慰的是，第一版的讀者給了我許多友善而正面的回饋。

儘管這本書毫無疑問仍存在一些缺點，但它顯然確實幫助了許多人掌握 NMR 的理論，這點令我十分高興。

我一直克制自己，不讓新版加入過多額外材料，也不希望使討論變得更加艱深。不過，我還是加入了一個新的章節，補充兩個現在回頭看來，確實是第一版中相當嚴重的遺漏。

第一個主題，是如何把 product operators（乘積算符） 擴展到描述 AX₂ 與 AX₃ 自旋系統中的實驗。

如此一來，就能討論在 ¹³C 光譜學中經常使用的重要實驗，例如：

APT
INEPT
DEPT

第二個主題則是 spin system analysis（自旋系統分析），也就是如何從 強耦合（strongly coupled，second-order）光譜 中擷取 chemical shifts 與 couplings。

在 NMR 發展初期，由於當時可用的磁場強度很低，光譜經常呈現強耦合，因此這類分析幾乎是不可或缺的。

現代使用的磁場強度高得多，所以 strong-coupling effects 已經比較少見，但並沒有完全消失。因此，了解這些效應，以及它們對光譜外觀造成的影響，仍然十分重要。

在相關的主題中，我也討論了：當系統中存在 chemically equivalent spins（化學等價自旋） 時，會產生一些相當不尋常、甚至可能造成誤導的光譜特徵。

與 strong coupling 不同的是，這些由化學等價自旋造成的特徵 與磁場強度無關，因此即使提升磁場強度，也不會使它們減弱或消失。

有關 relaxation（弛豫） 的章節也重新編排過，並新增了對 chemical exchange effects（化學交換效應） 的討論，以協助解釋 transverse relaxation（橫向弛豫）。

最後，我也在第 10 章增加了一小節 double-quantum spectroscopy（雙量子光譜學）。

我希望雙色印刷能同時改善許多圖表的清晰度，也讓印刷頁面的整體外觀更加美觀。

我非常感謝 Andrew Pell 博士（現任職於 École Normale Supérieure de Lyon）。他在完成博士學位與開始博士後研究之間，特地抽出時間協助我準備這個新版。

Andy 為書中的圖加入顏色、為第 9 章製作了一些額外的模擬、錄製了書中所有實驗光譜，並且對新增內容提供意見。

我也很感謝 Daniel Nietlispach 博士（University of Cambridge, Department of Biochemistry），他再次對新內容提出了許多非常有用而且富有洞察力的評論。

Cambridge，2010 年 1 月

第一版前言｜中文翻譯

我非常感謝 Daniel Nietlispach 博士與 Katherine Stott 博士（兩位皆任職於 University of Cambridge, Department of Biochemistry）。他們閱讀、修正並評論了整本書各個版本的草稿。

他們細心而費力的工作對本書最終形式貢獻極大，而且在我看來，確實大幅改善了整本書。

我也很感謝他們自始至終所展現的熱情，正是這些熱情在整個計畫期間持續支持並鼓勵著我。我實在無法期待還有比他們更加具有建設性、更加樂於協助的讀者。

我也要特別感謝 Nikolaus Loening 教授（Lewis and Clark College, Portland, Oregon）。他在很短的時間內，以高度技巧提供了本書所有的實驗光譜。

對於我那些有點吹毛求疵的要求，他始終以幽默而愉快的態度回應，令我非常感激。

Andrew Pell（Selwyn College, Cambridge）也值得特別感謝，他以高超的技巧協助製作本書習題的解答手冊。

我也要感謝我的合作夥伴兼同事 Peter Wothers 博士（University of Cambridge, Department of Chemistry）的支持與建議：他至今仍然是我最嚴格的批評者，也是我最大的鼓勵來源。

我也感謝 Jeremy Sanders 教授（University of Cambridge, Department of Chemistry）提供了非常珍貴的支持與建議。

我對 NMR 的理解與體會——無論它達到了什麼程度—— 都深受那些有幸與我一起工作的人的影響，包括研究生時期的同伴，以及後來的合作研究者。我要感謝他們提供的各種見解。

我也要感謝：

Malcolm Levitt 教授， University of Southampton, Department of Chemistry
Art Palmer 教授， Columbia University, New York
David Neuhaus 博士， MRC LMB, Cambridge

他們總是不厭其煩地回答我提出的許多問題。

這本書起源於一系列 lecture notes。多年來，我曾為各種 summer schools 與 graduate courses 準備這些講義。

在 Rainer Haessner 博士（Technische Universität, Munich）的倡議下，這些講義被放到網路上公開。

自那以後，我收到了大量正面回饋，許多人告訴我這些講義對他們非常有幫助。

正是這些回饋，比其他任何因素更重要地促使我把這些講義擴充成一本完整的書。

本書由作者本人使用 LaTeX 排版，具體使用的是 MiKTeX 所提供的實作版本。

我也要向所有開發與維護 LaTeX 系統的人表達感謝。

所有圖表則是使用：

Adobe Illustrator
有時搭配 Mathematica

製作完成。

最後，我非常高興能夠將這本書獻給：

Professor Ray Freeman

我非常幸運，能夠在 Ray 的研究團隊中開始我的 NMR 生涯。當時我從 Ray 與其他研究生身上學到的一切，在之後的歲月中一直讓我受益匪淺。

自那些早期歲月以來，我對 Ray 的敬佩始終未曾減弱。能有這個機會公開承認自己對他的感激與虧欠，我感到十分高興。

Cambridge，2005 年 7 月

兩本專書在四大象限中的位置

專書	主要位置	延伸方向
Molecular Quantum Mechanics	II. Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy	Scattering Theory → IV. Chemical Kinetics and Dynamics
Understanding NMR Spectroscopy	II. Molecular Quantum Mechanics and Spectroscopy	Relaxation / molecular motion ↔ III. Statistical Mechanics

Atkins' Physical Chemistry 12e
＝ Physical Chemistry 的中央地圖

Molecular Quantum Mechanics
＝第二象限的系統性深入

Understanding NMR Spectroscopy
＝第二象限中 Magnetic Resonance / Spin Dynamics 的專門深入

因此， Atkins 12e 提供的是整體的 Physical Chemistry 架構，而這兩本專書則示範了：當物理化學地圖中的某個區域被放大之後，物理化學可以從本科層級一路深入到真正的理論與專門研究領域。

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