化学与物理图

化学方程式、分子骨架、粒子物理中的费曼图——科学图形各自都有本领域的“绘图语法”。当然可以用通用的 TikZ 从零搭建，但使用领域专用宏包，就能用化学家或物理学家在纸上书写的记法，用很短的代码得到准确的图。这一页从“各工具实际用来做什么”的角度，整理化学中的 mhchem、chemfig、XyMTeX，物理中的 tikz-feynman、feynmf，以及用于分子轨道图的 modiagram。

先看整体图景。即使同样是“化学和物理图形”，要用的工具也会随目标图形明显分开。先通过下面的表确认每个宏包对应的领域，再逐一来看。

化学式与反应式 — mhchem

mhchem 用来把化学式和反应式作为文字排版。它不是画结构（骨架）图的工具，而是负责 在正文或数学环境中书写的化学记号，例如 H2O 或 2 H2 + O2 -> 2 H2O。在导言区用 \usepackage[version=4]{mhchem} 载入，然后在正文中把表达式写进核心命令 \ce{...}（chemical equation）里。

\ce{} 的巧妙之处在于，按自然方式输入就会得到正确的化学排版。紧跟在元素符号后的数字会自动变成 下标（\ce{H2O} → H₂O），带 ^ 的数字或符号会变成 电荷上标（\ce{SO4^2-} → SO₄²⁻）。箭头可以直接写 ->（正向）、<=>（平衡）、<-（反向），+ 会以反应物相加的正确间距排版。状态像 \ce{H2O(l)} 这样放在括号中；沉淀写作 v，逸出气体写作 ^，并用空格分隔（\ce{BaSO4 v}）。

\usepackage[version=4]{mhchem}
% ...
\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O}
\ce{CO2 + C ->[\Delta] 2 CO}
\ce{H2O <=> H+ + OH-}
\ce{Ba^2+ + SO4^2- -> BaSO4 v}

这些例子依次排成：水的生成（左右的系数 2 和下标会自动对齐）、加热（->[\Delta] 把条件标签 Δ 放在箭头上方）、水的电离平衡（双向平衡箭头）、硫酸钡沉淀（末尾的 v 变成 向下箭头 ↓）。箭头可以带两个标签，如 ->[上][下]，分别标注在上下方。\ce{} 既可用于正文，也可用于 $...$ 数学环境中。

mhchem 不能绘制结构式——键线和环不在它的范围内。单键、双键这类简短的键符号可以用 \bond 表示，例如 \ce{C\bond{-}C}；但如果需要真正的骨架图，就该使用下一节的 chemfig。另外还有一个目标相近、较新的宏包 chemformula，它通过 \ch{...} 命令提供类似功能。

结构式与反应方案 — chemfig

chemfig 是绘制分子 结构式（骨架图） 的常用宏包。它基于 TikZ，用一种 “键与分支的迷你语言” 像一笔画一样描述分子。载入只需 \usepackage{chemfig}。核心命令是 \chemfig{...}，在花括号中排列原子和化学键。

语法的核心是 键符号 和 角度。键用 -（单键）、=（双键）、~（三键）表示，放在原子之间。每条键的方向在紧随其后的方括号中指定。像 [2] 这样的 0 到 7 的数字表示以 45° 为步长的预定义方向：[0] 是东（右，0°），逆时针数过去，[2] 是正上方（90°），[4] 是西（180°），[6] 是正下方（270°）。任意角度则像 [:30] 这样用冒号写绝对角度（度）。分支用圆括号 (...) 表示，从主链分出。

\usepackage{chemfig}
% ...
% メタン CH4：中心 C に H を 4 方向へ
\chemfig{H-C(-[2]H)(-[6]H)-H}

% ベンゼン環（交互の二重結合）
\chemfig{*6(=-=-=-)}

上面的甲烷中，H-C 先在碳的 西侧 放一个氢；接下来的两个分支 (-[2]H) 和 (-[6]H) 分别在 正上方 和 正下方 加氢；最后的 -H 向 东侧（默认方向）伸出一个氢，形成十字形的 CH₄。下面的苯中，*6(...) 表示 六元环，括号里的 =-=-=- 让 单键和双键交替，画出熟悉的六边形芳香环。* 生成普通环；使用 ** 则得到内侧带圆的芳香环表示。

chemfig 还可以绘制 反应方案，也就是用箭头连接多个分子的图。用 \schemestart ... \schemestop 包起来，在其中放置分子（\chemfig{...}），再用 \arrow 插入箭头。像 \arrow{->[条件]} 这样可以在箭头上方写试剂或条件，\arrow{<=>} 则生成平衡箭头。下面是一个简单的 A → B 方案。

\schemestart
  \chemfig{H-C(-[2]H)(-[6]H)-H}
  \arrow{->[\small oxidation]}
  \chemfig{O=C(-[2]H)-[6]H}
\schemestop

这会生成一个从左到右的反应方案：从甲烷结构式出发，经过表示氧化的 带标签箭头，到达甲醛结构式。chemfig 可在 pdfLaTeX、LuaLaTeX、XeLaTeX 下运行；因为它基于 TikZ，通常不需要额外的驱动设置（在经由 DVI 的 pLaTeX 下请指定 dvipdfmx）。

另一种结构式工具 — XyMTeX

绘制结构式的老牌宏包还有 XyMTeX（Shinsaku Fujita 编写）。如果说 chemfig 的思路是“把化学键一笔画出来”，XyMTeX 的思路则是 用命令直接调用整个环或骨架。例如苯衍生物会把取代基的位置和种类作为参数传给专用命令。它的优势在于，复杂的稠合多环和取代模式可以通过固定、结构化的命令稳定排版。

用 \usepackage{xymtex} 载入；它提供了把苯环画成纵向或横向等多种命令。全新写作时，多数人会选择记法更直观且仍活跃维护的 chemfig，但对于基于 XyMTeX 的既有稿件，或已经熟悉其命令体系的场合，XyMTeX 现在仍然有用。输出方面，它支持 LaTeX 标准模式，也支持 PostScript 和 PDF 模式。

费曼图 — tikz-feynman 与 feynmf

接着转向物理。表示基本粒子相互作用的 费曼图 主要有两类工具。现代的一类是 tikz-feynman，它基于 TikZ：声明顶点（vertex）和线（propagator）后，系统会 自动布局。推荐用带兼容性键的 \usepackage[compat=1.0.0]{tikz-feynman} 载入。

想快速作图时，使用一次性命令 \feynmandiagram。线的样式可指定为 [fermion]（费米子，即带箭头直线）、[photon]（光子，即波浪线）、[gluon]（胶子，即螺旋线）等；顶点只要写出名称就会隐式创建。若要精确控制位置，则在 tikzpicture 中打开 feynman 环境，用 \vertex 放置顶点，再用 \diagram* 连接。

\usepackage[compat=1.0.0]{tikz-feynman}
% ...
% 一発命令：e+ e- → μ+ μ-（光子交換）
\feynmandiagram [horizontal=a to b] {
  i1 -- [fermion] a -- [fermion] i2,
  a -- [photon] b,
  f1 -- [fermion] b -- [fermion] f2,
};

这是教科书式的 s 通道散射：左侧的电子-正电子对在顶点 a 汇合，a 与 b 由一条 波浪线（光子） 连接，右侧再分裂成另一对粒子。horizontal=a to b 是布局提示，意思是“把 a 和 b 水平放置”。注意：自动布局计算需要 LuaTeX，因为 tikz-feynman 内部使用 Lua 算法。它也能在 pdfLaTeX 下运行，但布局会退化为较简单的形式并发出警告。可以认为 实际使用时基本以 LuaLaTeX 编译为前提。

另一类是经典的 feynmf / feynmp。它们先用 METAFONT（feynmf）或 MetaPost（feynmp） 单独生成每个图，再把结果引入文档，是一种 两遍流程。图按文件名分组在 fmffile 环境中；在 fmfgraph（或 fmfgraph*）里，用 \fmfleft、\fmfright 指定外部腿，用 \fmf{...} 指定线。第一次 LaTeX 运行会写出图的定义文件，mf/mpost 将其转换为字体或图形，第二次运行再读入结果。

\usepackage{feynmp-auto}
% ...
\begin{fmffile}{myfd}
  \begin{fmfgraph*}(120,80)
    \fmfleft{i1,i2}
    \fmfright{o1,o2}
    \fmf{fermion}{i1,v1,o1}
    \fmf{photon}{v1,v2}
    \fmf{fermion}{i2,v2,o2}
  \end{fmfgraph*}
\end{fmffile}

这段代码用 feynmp 画出与前面相同的散射。使用 feynmp-auto 可以 自动执行 MetaPost 步骤，减轻手动两遍流程的负担。feynmf/feynmp 已经很成熟，输出漂亮，在旧论文和 TeX 环境中至今仍广泛使用，但它们需要 额外调用 MetaFont/MetaPost。大致原则是：新工作选方便的 tikz-feynman；若处理旧稿或希望依赖最少，则选 feynmf 系列。

分子轨道图与能级 — modiagram

位于化学和物理交界处的是 分子轨道图（MO 图），它把原子轨道（AO）组合成成键和反键分子轨道（MO）的过程，按能量高低纵向排列来表示。专门用于此的是 modiagram，它同样基于 TikZ。用 \usepackage{modiagram} 载入后，在 MOdiagram 环境 中，用 \atom 描述左右原子轨道，用 \molecule 描述连接它们的分子轨道。

\usepackage{modiagram}
% ...
\begin{MOdiagram}
  \atom{left}{ 1s = {0; up} }
  \atom{right}{ 1s = {0; up} }
  \molecule{ 1sMO = {1; pair, } }
\end{MOdiagram}

这是最简单的 MO 图，表示氢分子 H₂。\atom{left} 和 \atom{right} 分别在每个氢的 1s 轨道中放入一个自旋向上的电子（{0; up}，其中 0 是能级），\molecule 则把两者合并为一个成键轨道并放入 电子对（pair）。只要把占据方式（up、down、pair）和能级高度作为参数给出，就能得到由横线和自旋箭头组成的能级图。类似的能级图也可以用 纯 TikZ 绘制，但 modiagram 专门面向 MO 图规范，因此能更简短、准确地写出这些定型图。

如何选择，以及编译注意事项

最后给出实务上的选择准则。可以直接按 想做什么 来选。若要在正文中写化学式和反应式，用 mhchem；若要画 结构式和反应方案，用 chemfig（复杂稠合环若适合命令式方法，则用 XyMTeX）；若要画 费曼图，用 tikz-feynman（旧环境或既有稿件可用 feynmf/feynmp）；若要画 MO 图，用 modiagram。mhchem 与 chemfig 是互补关系，常见做法是在 同一文档中并用：正文中的方程用 mhchem，另起一行的骨架图用 chemfig。

也要注意 引擎和编译遍数要求。tikz-feynman 的自动布局 以 LuaLaTeX 为前提；在其他引擎下布局会退化。feynmf/feynmp 需要 额外调用 MetaFont/MetaPost 的两遍流程（可用 feynmp-auto 自动化）。chemfig 和 modiagram 基于 TikZ，可在 pdfLaTeX、LuaLaTeX、XeLaTeX 下运行，但 TikZ 图计算量较大，图多时 编译会变慢。用 tikzexternalize 缓存图形，或用 standalone 类单独编译图形，可以让编辑过程更顺畅。