诺贝尔物理学奖和化学奖科普宣传画

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　回主页

1998 年度诺贝尔化学奖--宣传画内容(略图)

瑞典皇家科学院将1998年度诺贝尔化学奖授予量子化学领域的瓦尔特·科恩和约翰·包普尔，以表彰科恩发展了密度泛函数理论和包普尔发展了量子化学中所用的计算方法。
约翰·包普尔
瓦尔特·科恩

计算机辅助化学


化学不再只是试管和试剂了。在量子化学中，可以用量子力学来计算分子的性质和它们之间的相互作用。本年度诺贝尔奖获得者能够借助计算机应用量子力学=的复杂方程来研究分子和化学过程。

 

波函数方法
约翰·包普尔发展了化学中的计算方法，这些方法是基于对薛定谔方程 （Schr?dinger equation）中的波函数作不同的描述。他创建了一个理论模型化学、其中用一系列越来越精确的近似值、系统的促进量子化学方程的正确解析、从而可以控制计算的精度，这些技术是通过高斯计算机程序向研究人员提供的。今天这个程序在所有化学中都用来作量子化学的计算。

能量表面
化学反应过程，可以比作在一个有山有谷的景观中活动。分子寻求最低的能量状态，它们的路线穿越尽可能最低的"山关"。这种能量景观展示分子的结构和动力学。

光谱
分子性质可用不同类型的光谱来研究。卟啉分子的浦验测定光谱炉膛可以根据量子化学计算的光谱图来解释。

结构
分子的三维结构可以用量子化学方法精确测定。其应用之一是开发新催化剂以便生产像药物和塑料等非常特异的产品。

电荷分布
量子化学方法可以计算出分子的电荷分布。一个分子中的多余电子（图中为红色）将被拉向另一个分子中的更带正电荷的部分（蓝色）。这些碱性对以此把DNA结合在一起。
在有机化学中的应用
可以用量子化学方法来研究化学反应的机制。薛定谔方程可以给出每个分子结构的能量。一个给定反应路线的能旦曲线通过不同的中间态（最小值）和转变态（最大值）可以特定的机制是否可能。左图是臭氧O3与不包和碳氢化合物反应并生成危险的自由基的可能机制。

在生物化学中的应用
通过一个酶分子的活性部位中挑选一定数量的 (20-60个)原子，可以用量子化学方法来研究键合和反应机制。周围的蛋白质可以用最简单的方法来描述。左图的模型表示肌肉中的肌红朊如何保护自己不被一氧化碳所毒害的一个可能的机制，氧原子通过与蛋白质的一个氨基酸形成氢键来克服来自有害的一氧化碳的竞争。

密度方法
早在1964-64年瓦尔特·科恩就指出： 一个量子力学体系的能量仅由其电子密度所决定。这个量比薛定谔方程中复杂的波函数要容易得多。科恩同时还提供一个方法来建立方程，从其解可以得到体系的电子密度和能量。这个方法称为密度泛函理论，已经在化学中得到广泛应用，因为简单，可以应用于较大的分子。