第2章　理论基础与研究方法

化学的核心为化学键，所有研究均围绕化学键的形成、断裂、变化等展开，化学键的变化对于化合物整体即是其电子结构和几何结构变化。化学键本质就是电子配对，因此人们总是关注反应中电子的配对、得失和转移。化学问题实质是电子的问题，电子作为微观粒子的代表，本质上遵循1925—1926年间发展起来的量子力学。自然而然，电子成为了量子力学和化学相结合的纽带。量子力学真正确立的标志是1926年奥地利物理学家薛定谔建立了量子力学基本方程即薛定谔方程。后续发展的诸多理论方法主要围绕如何改善求解薛定谔方程的速度和精度。

量子化学即是采用量子力学理论和方法来研究化学问题。早在1927年，德国物理学家沃尔特·海特勒（W. Heitler）和弗里茨·伦敦（F. London）用量子力学方法成功处理氢分子[1]，近似算出氢分子体系的波函数，首次在理论水平上揭示了化学键本质，使人们领略到量子力学在研究分子结构问题方面的巨大魅力，开创了量子力学与化学的交叉学科—量子化学。随着量化理论的不断完善和计算机技术的突飞猛进，目前人们已经可以把量化计算应用于几乎所有的分子、配合物及晶体，研究它们的结构和性质。

1998年，诺贝尔化学奖授予了密度泛函理论创立者美国物理学家、化学家沃尔特·科恩和为发展量化计算方法作出巨大贡献的英国化学家约翰·波普，极大地推动了量子化学的发展。随着计算服务器集群和大型计算工作站的出现及量化软件（例如Gaussian，Gamess，ADF等）的推出，量化计算逐渐成为化学理论研究的主流。现在量化计算可以给出和实验相媲美的结果，不仅可以诠释已有实验结果，而且还能揭示反应机理，并通过理论预测来设计实验。

近年来，量化计算不仅深受理论研究者所青睐，也逐渐成为实验研究者进行研究的有力武器。量化计算已成功应用于化学学科所有的分支中，同时还与物理、生物、数学、计算机等学科交叉。随着多学科之间相互交叉和渗透，量化计算的研究领域不断拓宽，研究方法不断创新，在化学研究中发挥着愈来愈重要的作用。