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| 編輯推薦： |
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以深入浅出的方式介绍化学键理论和计算方法，理论与实践结合。
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| 內容簡介： |
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《化学键：用原子轨道解读平面波》系统介绍了LOBSTER软件以及其中使用的晶体轨道哈密顿布居分析方法，内容涵盖化学键理论和计算方法的最新进展，不仅以深入浅出的方式介绍了化学键理论，还介绍了化学键计算方法的应用，理论与实践结合，并提供了大量的案例，帮助读者理解和掌握化学键理论和计算分析方法。本书可供化学、材料科学、物理等相关领域高校师生和科研院所研究人员及对化学键有兴趣的普通读者阅读参考。
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| 關於作者： |
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王一旭，现为德国亚琛工业大学RichardDronskowski教授课题组博士后研究员。他于2015年毕业于北京科技大学，获材料科学与工程学士学位。随后直博，师从龙毅教授和张虎教授，于2020年获得博士学位。博士期间，曾赴美国佛罗里达州立大学和美国国家高磁场实验室在MichaelShatruk教授（现为美国科学促进会会士）课题组开展访学研究。2022年，他获得德国洪堡基金资助，加入Dronskowski教授团队。王一旭博士的研究兴趣主要集中在材料科学、固体化学与凝聚态物理的交叉领域，目前已在国际知名期刊上发表论文20余篇，他的研究成果不仅丰富了相关领域的理论体系，而且为新型功能材料的设计与开发提供了指导。
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| 目錄：
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目 录
第1章 如何阅读 (或者不去阅读) 本书 /1
第2章 分子和固体的理论计算 /4
第3章 分析分子和固体 /19
第4章 材料“七武士七巧板”及其化学键 /48
4.1 遵循八隅体规则的简单体系/51
4.2 混合阴离子、复杂阴离子以及复杂阳离子/65
4.3 电池材料中共价性与离子性的竞争/83
4.4 分子晶体、氢键及其他次级键/93
4.5 Zintl相、金属、巡游磁体以及钢/108
4.6 高压下的奇异行为/124
4.7 固体中的多核心键/141
第5章 我们可以学到什么 /159
附录 普通及量子化学 /161
附录 A 八隅体规则/161
附录 B 电负性/164
附录 C 晶格能/166
附录 D 数量和实体/167
附录 E 第二周期元素 (Li—Ne) 的特殊地位/170
附录 F 氧化态 (或数)、离子电荷以及形式电荷/172
附录 G 特殊相对论化学/176
附录 H 杂化以及轨道混合/178
附录 I 超导性与化学/181
参考文献 /184
索引 /199
致谢 /206
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| 內容試閱：
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化学键：用原子轨道解读平面波
[德] 理查德·德朗斯基（Richard Dronskowski） 著
王一旭 译
清华大学出版社
北 京
内 容 简 介
本书系统介绍了 LOBSTER 软件以及其中使用的晶体轨道哈密顿布居分析方法，内容涵
盖化学键理论和计算方法的最新进展，不仅以深入浅出的方式介绍了化学键理论，还介绍了
化学键计算方法的应用，理论与实践结合，并提供了大量的案例，帮助读者理解和掌握化学
键理论和计算分析方法。
本书可供化学、材料科学、物理等相关领域高校师生和科研院所研究人员及对化学键有
兴趣的普通读者阅读参考。
北京市版权局著作权合同登记号 图字：01-2025-1098
Richard Dronskowski. Chemical Bonding: From Plane Waves via Atomic Orbitals. Walter de
Gruyter GmbH Berlin Boston. All rights reserved.
This work may not be translated or copied in whole or part without the written permission of
the publisher (Walter De Gruyter GmbH， Genthiner Stra.e 13， 10785 Berlin， Germany).
版权所有，侵权必究。举报：010-62782989， beiqinquan@tup.tsinghua.edu.cn。
图书在版编目（CIP）数据
化学键 : 用原子轨道解读平面波 / (德) 理查德.德朗斯基著; 王一旭译. -- 北京 :
清华大学出版社， 2025. 12. -- ISBN 978-7-302-70195-8
Ⅰ．O641.1
中国国家版本馆 CIP 数据核字第 2025XZ4345 号
责任编辑：孙亚楠
封面设计：常雪影
责任校对：赵丽敏
责任印制：宋 林
出版发行：清华大学出版社
网 址：https://www.tup.com.cn， https://www.wqxuetang.com
地 址：北京清华大学学研大厦 A 座 邮 编：100084
社 总 机：010-83470000 邮 购：010-62786544
投稿与读者服务：010-62776969， c-service@tup.tsinghua.edu.cn
质量反馈：010-62772015， zhiliang@tup.tsinghua.edu.cn
印 装 者：天津鑫丰华印务有限公司
经 销：全国新华书店
开 本：170mm×240mm 印 张：14.25 字 数：189 千字
版 次：2025 年 12 月第 1 版 印 次：2025 年 12 月第 1 次印刷
定 价：99.00 元
产品编号：110322-01
献给我的中国科学家朋友们，无论他们身在何处，
工作在何方，他们都在追寻化学真理的道路上。
永远怀念 Karl Jug(1939—2023)。
中译版前言
这本书的完成，离不开我于日本度过的几个月学术休假时光。我衷
心感谢我的同事 Takahiro Yamada 和 Hisanori Yamane，他们再次邀请
我前往位于日本仙台东北大学的多元物质科学研究所 (IMRAM)。同样，
我在中国也感受到了无比热情的款待，不仅在深圳职业技术大学的霍夫
曼先进材料研究院，更是在这个伟大国家的各个角落。在大家的坚持建
议下，我深信将本书译为中文将是一个绝佳的选择。我特别感谢王一旭，
他接受了将复杂的科学术语转化为流畅翻译的巨大挑战，同时保留了
原文的轻松语调。我还要以极大的热情感谢我的学术同事们项红萍 (上
海)、朱敏 (上海)、王浩 (深圳)、冯思思 (太原) 以及 Ulli Englert(太原)
提供的额外支持，为中国科学的崇高荣誉添彩。在结束这段致谢之前，
我还要再次感谢我在德国亚琛的研究团队，感谢他们多年来的辛勤工作
和卓越成果。本书的出版还得益于与清华大学出版社的赖文琼、孙亚楠
以及 De Gruyter 出版社的 Sebastian Schmitt 愉快的交流。与此同时，
我那台陪伴我多年的老 CF-MX4 已经被一台 ThinkPad X13 取代，我
希望它能像它的前任一样经久耐用。我希望你们喜欢阅读这本书，编写
这本书对于我来说是一种极大的乐趣。专业的理论家们请原谅我在某些
地方对于内容进行的简化，那是为了帮助读者理解不得已而为之的。化
学万岁。实验万岁。理论万岁。除了数字，请给出理解 (化用自 Coulson
的名言)。
Richard Dronskowski
前言
即使是预测未来，有时候我们也可以做到“虽不中，亦不远矣”的
效果。抚今追昔，当我于约 20 年前完成我的《固体材料的计算化学》一
书时，我以这样一句话结尾：“计算技术正在成为合成实验科学家的有
力工具。”时光飞逝，计算技术最终还是发展到了这样一种花团锦簇的
境地，几乎验证了我当年的预测。当然，这种预测相对容易，大多数人
应该都可以做到。
目前，对于分子以及固体体系的量子力学计算无时无处不在进行，
无论是在学术界还是工业界。每天，全球有成千上万的科学家不仅通过
实验手段，也在通过理论计算的方式努力地寻找新材料。这是否极其困
难？这取决于角度。从某种程度上来说，对于这种材料进行模拟变得非
常容易，这主要归功于可以完美运行的软件，其中许多软件 (如 VASP、
Quantum Espresso 和 ABINIT) 建立在赝势 (或者更准确地说，PAW 势)
和平面波理论的强大组合之上，这种方法既高效又准确。如果晶体结构
未知，则可以通过 USPEX、CALYPSO、XtalOpt 等基于进化算法及相
关算法方便地进行晶体结构预测。只要有一台高性能计算机，我们几乎
可以研究任何感兴趣的材料性质。特别是可以在进行实验合成之前，对
尚未制备的化合物进行研究。如有需要，还可以使用 PHONOPY 等代
码对感兴趣的体系进行足够准确的声子计算，也可以预测其在有限温度
(和各种压力) 下的热力学性质。除此之外，诸如 Materials Project 或
者 NOMAD 之类的数据库正在源源不断地自动更新以便材料基因组学
研究。现在的研究人员在开始计算之前最好先检索一下这些数据库，并
| 化学键：用原子轨道解读平面波
且应该在几周之后再次查看，因为数据库将通过使用更“好”(尽管更
昂贵) 的泛函自我更新。计算机确实变得快得多 (而有些软件却变慢了，
感谢 Python；我当然是在开玩笑)。
然而，有些重要的信息完全缺失了。用一句关于人们知识仅限于了
解却缺乏理解的名言 (它被错误地归于了阿尔伯特·爱因斯坦) 可以很
好地说明这一点。随着计算机和科学计算软件 (至少其中的某些) 变得
更加强大和准确，人们已经逐渐意识到理解的重要性，因其深植于人性
中。因此，尽管我们具有更先进的数值理论和更准确的测量方法，但这
些并未改变我们需要解决的真正的科学问题。例如，AB 相的 α 晶型
(已知) 要比预测的 β 晶型看起来更稳定，但是为什么会这样？à我们所
有合成类似于已知氮化物的磷化物的努力都失败了，原因何在？新的碳
化物太共价了，我们如何增强其中的离子性？我们应该如何取代四元碲
化物以改善其相变特性？当然，我们不需要再运行 500 万次的额外计
算。我一次又一次地遇到 (并试图回答) 这些问题。它们来自许许多多
的研究者，他们极具天赋但却没有固体化学甚至基础化学的知识基础，
更别提分子量子化学了。
对于上述问题的理解所带来的挑战将在未来几年变得愈加严峻。人
工智能时代已经来临，迟早 (或许已经存在) 一种强大的神经网络将几
乎完美地解决计算问题，从而比最快的量子力学方法更快地给出结构、
能量以及性质。这些答案在数值上是正确的，但是没有人理解为什么。
这个问题看起来似曾相识：已故的鲍比·费舍尔，历史上最伟大的国际
象棋选手之一，能够快速分析下一步国际象棋如何落子，尽管他的思维
速度并不比我们快多少 (而且比计算机要慢很多个数量级)，但他直观地
理解了国际象棋这项运动及其规则。到底是何种化学规律主宰着未来材
料的成分和结构？又由什么驱动了其中的化学成键？
à 简单地以 α 晶型能量更低作为问题的答案本质上不包含任何物理化学信息。
VI
前 言 |
如前所述，在过去的 20 年里，我听取了全球许多计算科学家的意
见。而且我惊讶地感到对于 (几乎) 完全正确的计算结果的快速解释非
常必要。尽管我们可以对数十亿个积分进行数值计算，对于这些结果的
解读却无法自动进行，愚蠢的计算机反而需要在我们的思维和一些训练
的帮助下才能完成这一任务。特别是，我们可以让计算机运行一个简便
的程序，例如使用原子轨道的 LOBSTER 程序，以提取大量化学键信
息，然后我们可以努力通过人类思维来理解。虽然快速培训出色的研究
者以掌握这一领域颇具挑战性——他们甚至缺乏量子化学知识，谈何固
体化学——我还是坚信这事值得一试，这也是我想要在这本关于固体化
学键的入门读物中完成的事情。我们需要理解，我们也会理解。亲爱的
计算理论家，我们虽未曾谋面，但我深知你所面临的挑战。让我们一起
努力解决它吧，这不会需要太多时间。既然你已经在阅读这段文字，我
们就已经开始一起工作了。
我衷心感谢我的同事 Takahiro Yamada 教授和 Hisanori Yamane 教
授，他们再次邀请我在仙台东北大学的多元物质科学研究所 (IMRAM)
做客。鉴于我所在大学的条件，我根本没有时间写书，甚至是一本小书，
每天都“有案牍之劳形”。我非常感谢亚琛工业大学的校长 (以及北莱
茵–威斯特法伦州的纳税人) 允许我有几个月的时间脱离这种环境。同
样，我还要感谢我耐心的同事们，尤其是 Andreas Houben 以及 David
Hemker，当然还有 Mona Marquardt，感谢她在 9000 千米外继续细心
管理沟通和行政事务。线上会议使得世界变小了很多 (当然也使得逃离
变得困难了一些，如今已经不太可能隐藏起来)，但是 7 小时或 8 小
时的时差可以充分利用起来。当我的同事们还在睡觉的时候，我正在
努力工作并忙于撰写本书，反之亦然！此外，我要感谢 David Hemker、
Peter Müller 和 Hicham Bourakhouadar，他们进行了部分计算并在准备
图片方面提供了大量帮助。本书中很大一部分的结果是基于先前已有的
计算，仅通过 LOBSTER 电脑程序得以实现。该程序是许多人共同努
VII
| 化学键：用原子轨道解读平面波
力的结果，尤其是 Stefan Maintz、Volker Deringer、Marc Esser、Ryky
Nelson、Christina Ertural、Peter Müller 以及 Andrei Tchougréeff。你们
可以为创造出了一份极其实用且完全免费的学术“产品”而感到自豪。
最后，衷心感谢 Hisanori Yamane、David Schnieders、Rainer P.ttgen、
Eugen Schwarz、Christoph Bannwarth、Gerhard Raabe、Alex Corkett
对本书的审阅，并指出其中的错误。同样，我也要感谢 Mona Marquardt
以及 Linda Reitz 对本书一致性的检查并再次进行仔细校对。如果仍有
疏漏之处，我负全责。我还要感谢 De Gruyter 出版社的编辑 Kristin
Berber-Nerlinger 以及 Ria Sengbusch 提供的帮助。最后，感谢我的老
伙计 CF-MX4 多年如一日的不懈工作。
我希望您喜欢阅读本书，我在整理出版本书的过程中也已经体会到
了很大的乐趣。专业理论家可能会觉得我在某些地方做了极大的简化，
但我为了帮助读者理解别无选择。
化学万岁。实验万岁。理论万岁。除了数字，请给出理解 (化用自
Coulson 的名言)。
Richard Dronskowski
亚琛
2023 年 5 月
VIII
缩写表
AFM 反铁磁的
AIM 分子中的原子
AO 原子轨道
ASA 原子球近似
bcc 体心立方
BCS 巴丁–库珀–施里弗
BI 成键指数
B3LYP Becke 三参数 Lee-Yang-Parr（泛函）
BO 键级
CALPHAD 计算相图
CBM 导带底
CC 耦合团簇
CI 构型相互作用
CNDO 完全忽略微分积分
CNEE 完全忽略一切本质
CO 晶体轨道
COBI(n) 晶体轨道成键指数（n 原子）
COHP 晶体轨道哈密顿布居
COOP 晶体轨道重叠布居
+D 色散（校正）
DFT 密度泛函理论
| 化学键：用原子轨道解读平面波
DMFT 动态平均场理论
DOE 能量密度
DOS 态密度
EA 电子亲和能
ELF 电子局域函数
EN 电负性
ESP 静电势
ESR 电子自旋共振
fcc 面心立方
FM 铁磁的
GGA 广义梯度近似
GP 总电荷
GST Ge-Sb-Te 固溶体的奇怪化学名称
GW 涉及格林函数的多体理论
hcp 六方紧密堆积
HF 哈特里–福克
HOMO 最高占据分子轨道
HSE Heyd–Scuseria–Ernzerhof（泛函）
ICOBI(n) 积分晶体轨道成键指数（n 原子）
ICOHP 积分 COHP
IE 离子化能
IpCOHP 积分投影 OCHP
IST In-Sb-Te 固溶体的奇怪化学名称
LAPW 线性增强平面波
LCAO 原子轨道线性组合
LDA 局域密度近似
X
缩 写 表 |
LMTO 线性松饼锡轨道
LOBSTER 面向电子结构重构的局域轨道基组
LUMO 最低未占据分子轨道
MBJ 改进 Becke–Johnson (泛函)
MO 分子轨道
MPx M.ller–Plesset (x 阶扰动)
NMR 核磁共振
NP 净电荷
OP 重叠电荷
PAW 投影缀加平面波
PBE Perdew–Burke–Ernzerhof (泛函)
PCM 相变材料
pCOHP 投影 COHP
pCOOP 投影 COOP
pFC 投影力常数
RVB 共振价键
SCAN 强约束和适当规范（泛函）
TB 紧束缚
TRIP 相变诱导塑性
TWIP 孪晶诱导塑性
U 哈伯德参数
VBM 价带顶
vDW 范德华
VEC 价电子数
XRD X 射线衍射
YBCO Y-Ba-Cu-O 超导体的奇怪化学名称
XI
目录
第 1 章 如何阅读 (或者不去阅读) 本书 /1
第 2 章 分子和固体的理论计算 /4
第 3 章 分析分子和固体 /19
第 4 章 材料“七武士七巧板”及其化学键 /48
4.1 遵循八隅体规则的简单体系 /51
4.2 混合阴离子、复杂阴离子以及复杂阳离子 /65
4.3 电池材料中共价性与离子性的竞争 /83
4.4 分子晶体、氢键及其他次级键 /93
4.5 Zintl 相、金属、巡游磁体以及钢 /108
4.6 高压下的奇异行为 /124
4.7 固体中的多核心键 /141
第 5 章 我们可以学到什么 /159
附录 普通及量子化学 /161
附录 A 八隅体规则 /161
附录 B 电负性 /164
附录 C 晶格能 /166
附录 D 数量和实体 /167
附录 E 第二周期元素 (Li—Ne) 的特殊地位 /170
| 化学键：用原子轨道解读平面波
附录 F 氧化态 (或数)、离子电荷以及形式电荷 /172
附录 G 特殊相对论化学 /176
附录 H 杂化以及轨道混合 /178
附录 I 超导性与化学 /181
参考文献 /184
索引 /199
致谢 /206
XIV
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