学习量子化学，由于需要较多较深的数学、物理学知识，所以比较困难。《神奇的预测--趣谈量子化学》作者王德民、叶学其力求不用数学演绎，将量子化学中的基本概念定性地介绍给青少年朋友们，希望能激发读者的热情，使他们将来能更加深入化学的理性领域，更好地驾驭化学规律。作者感到，对科学的理性认识，即使是最浅易的读物，也需要耐心和思考才能领会其科学思想、科学概念和科学结论。

长期以来，化学被认为是一门经验的学科，通过实验能“知其然”，但是“不知其所以然”。19世纪末发现电子后，化学键的电子理论为近代化学奠定了理论基础，特别是20世纪20年代创立的量子力学，使得对分子的性质作出非经验解释成为可能，从而形成了一门新的学科——量子化学。

王德民、叶学其编著的这本《神奇的预测--趣谈量子化学》力求用浅显的文字和图像来描述量子力学的最基本的概念及其在化学中的应用。它生动地讲述了牛顿的经典物理如何从实验和理论上一步步过渡到量子力学，量子力学用于解释众多的“不知其所以然”的化学现象，从而大大地推动了化学科学的发展。

读者可以从《神奇的预测--趣谈量子化学》中获得富有科学魅力的量子化学的基本概念，走近现代化学的前沿。

前言

1 原子的景象

 1.1 概述

 1.2 拒绝迷信

 1.3 原子的稳定性

 1.4 是西瓜模型还是行星模型

 1.5 核外电子运动像彩云还是像星星

2 量子力学诞生的前夜

 2.1 黑体辐射和能量量子化

 2.2 光电子效应的解释

 2.3 康普顿效应

 2.4 玻尔理论的不足

3 量子力学的框架

 3.1 物质的波动性

 3.2 状态的描述

 3.3 波动方程

 3.4 波函数ψ2

 3.5 通过了氢原子的考验

 3.6 能级跃迁与光谱

 3.7 电子自旋

 3.8 多电子原子

 3.9 微观、宏观的界限和沟通

4 量子化学的本领

5 由价键理论看氢分子的形成

 5.1 化学键理论的局限性

 5.2 从价键理论(Ⅶ)的观点看氢分子的共价键

 5.3 电子对波函数——VB方法

 5.4 从计算结果看分子稳定的必要条件

6 原子轨道重叠和双键、三键的形成

7 价键理论的发展——杂化轨道理论

 7.1 分子的形状

 7.2 甲烷分子的难题

 7.3 杂化轨道理论面世

 7.4 价键理论遇到困难

 7.5 对杂化轨道的进一步认识

8 分子轨道理论如何看分子的形成

 8.1 氢分子的分子轨道

 8.2 为什么两个He原子不能形成稳定的He2

9 分子轨道的组成

 9.1 能量相近的原子轨道能组合

 9.2 对称性相同的原子轨道能组合

10 氧分子为什么有顺磁性

11 甲烷的四个键为什么是等价的

 11.1 甲烷的分子轨道

 11.2 光电子能谱——分子轨道能级的实验证明

 11.3 分子轨道和分子总波函数

 11.4 从分子轨道的角度看甲烷的四个键

12 为什么染料分子中大多含有芳香环

 12.1 分子轨道和能级

 12.2 轨道的类型和能级间隔

 12.3 共轭双键使能级间隔缩小

13 分子轨道中的最活跃部分——前线轨道

 13.1 反应的定向性

 13.2 前线轨道和分子的构型

 13.3 HOMO-LUMO的相互作用和环加成反应

 13.4 前线轨道和共轭烯烃的环化反应

14 计算机给量子化学插上了翅膀

 14.1 预测分子的几何形状

 14.2 决定分子命运的势能曲线和势能曲面

 14.3 从势能面上的一个谷底到另一个谷底

原子是什么样子的？它是一个极小、小到不能再分割的微粒子(或称基本粒子)呢，还是由内部更小的粒子组成的？如果是后者，则其中更小的粒子是什么？它们又是如何组成原子的呢？这个问题与原子的稳定性、周期性及光谱线有着基本的联系，是物质构造最具根本重要性的问题。它使许多物理学家感到困惑，所以曾经出现过各种原子模型。例如：

安培在1814年提出原子是由更细微的粒子组成。这个模型的意义在于指出原子不是小到不可再分割的微粒，但未指出那些更细微的粒子是什么，是否带电，彼此是如何联系在原子之中的。

毕奥等人认为原子包含着一个很大质量的核心，在其周围包含着无质量的雾状物质(可说成是以太粒子)。这个模型的意义在于指出有一个大质量的核心，但还未指明有否电荷，雾状物质是什么。

费希纳认为物质由类似于太阳系的、很小的原子组成。每个重的“太阳”原子都伴随着一些更小的更轻的“行星”原子。这个模型的意义在于将宇宙中的行星运动的形象模拟到原子结构中来，但仍未指出原子的荷电性。

韦伯指出，上述模型中，每个“太阳”原子和轻的“行星”原子都带有电荷，彼此依靠电力维持联系。认为重的“太阳”原子带负电，“行星”原子带正电。这个模型有很大的进步，引入了荷电的思想。

上述种种模型只是一种看法，都没有具体的实验作为证明。

1897年电子的发现，应当说是建立原子模型的基础。J.J.汤姆生(Thomson)为了解释原子的稳定性和周期性，提出被戏称为“葡萄干面包”(也称西瓜)的模型。认为原子中正电荷是均匀分布的球，球中有若干个电子排列着，电子犹如面包中的一粒粒葡萄干或西瓜中的瓜子。为了解释周期性和稳定性，汤姆生将迈耶尔的磁悬浮体实验结果运用到原子结构模型中。

迈耶尔的实验是，将若干个磁针各自单独垂直插入一个个软木块上，将它们放在一盆水中，各自可自由浮动。在水面中央上方悬挂一块磁铁以形成中心磁场。在这个中心磁场作用下，水面上浮动的小磁针彼此会形成整齐稳定的排列。

汤姆生也设想，电子犹如浮动的磁针，也会形成一种稳定性的排列。按此模型，经过计算，汤姆生认为电子数在2～4个时，电子有规则地排列在与中心保持等距离的位置上；当多于4个电子时，将分布在一些同心球面上，球面上的电子数按元素周期律表现出周期性的排列，并且电子在自己的平衡位置附近作微小振动。这个模型能解释原子的稳定性和元素间的周期性，但它不能解释化学元素有特定的光谱线，也无法说明氢原子只有一个电子，却有(被表达得令人惊奇的、简明巧妙的)几个系列光谱线。P7-9

由中国化学会和湖南教育出版社共同组织、约请著名化学家撰写的《走近化学》丛书，是我国近年来为满足青少年读者了解化学和学习化学的需要而出版的一套科普丛书。其内容覆盖面之广，作者阵容之强，是多年来罕见的。丛书的选题不仅紧密结合科学技术发展的实际，更着重于作者和读者之间思想和体会的交流。加以文字流畅，内容新颖并富有趣味，我相信它必将成为广大青少年的良师益友。对于有志于从事科学技术工作的青少年，则更有启迪和激励的作用。

21世纪即将来临，目前尚处于发展中国家之列的中国，在未来几十年里世界高新科技的发展与竞争中，将面临极其严峻的挑战。化学不仅会和其他学科一样，保持着自20世纪50年代以来的迅猛发展势头，而且和生命、信息、材料与环境等科技领域的相互渗透也会日益深入。了解化学和应用化学的水平将对社会生产力的发展和人民生活质量的提高起着关键的作用，化学基础知识也将成为充实新世纪公民基本素质的重要内容之一。因此，《走近化学》丛书的问世所起到的积极作用，一定会得到社会各界的支持和肯定，也一定会受到广大青少年读者的欢迎。

《走近化学》丛书涉及现代化学的多个侧面，介绍了人们在这些领域内的最新成就，反映了作者对该领域未来发展的精辟见解。它将有利于广大青少年读者开阔视野，激起他们对科学技术的兴趣，提高他们对科学技术推动社会发展的重要作用的认识。对于有志于从事科学技术工作的青少年读者则更能起到启蒙的作用。当然，科学技术事业的发展，要依靠千百万科学技术人员的辛勤劳动与杰出科学家的殚精竭虑和艰苦实践，不可能一蹴而就。我们应当由丛书中所展示的前辈科学家所经历过的失败与成功的史实中吸取经验，以增强我们积极参与国际科学技术领域竞争的信心和力量。

光阴荏苒，岁月蹉跎，在新的世纪里，振兴中华、造福人类的历史责任已无可推卸地落在今天青少年一代的肩上。年轻的朋友们，先进的科学技术像明日的朝阳一样，将由你们用双手高高托起!

1997年9月