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本论文通过第一性原理电子结构计算和路径积分分子动力学模拟研究了单质氢、盐表面的水、受限水链等体系中的氢原子核量子效应。 本文首先研究了单质氢中的原子核量子效应，通过第一性原理路径积分分子动力学结合两相法模拟得到了500GPa至1200GPa范围之内低温金属氢的熔化温度。从500GPa至800GPa该温度随着压强的升高而降低，而在900GPa以上原子核量子效应直接导致金属氢在低温下保持液态。该低温量子液态氢的存在验证了Ashcroft等人关于氢在高压下存在形式的低温液态假说。通过计算固态氢的超导转变温度，本文推断该相变是存在于一个低温金属液态与超导固态之间。关于500GPa以下区域，人们已知氢在室温下和200GPa是一种混合分子相(相Ⅳ)。原子核量子效应对于相Ⅳ中弱分子层的结构有重要的影响，会使得该层中分子更倾向于离解，从而导致氢的金属性更容易表现出来。通过第一性原理路径积分分子动力学模拟，一个从相Ⅳ到另一种金属性的弱分子相的转变在300GPa时被直接观察到。除此之外，本文还讨论了200GPa到450GPa范围内氢的熔化、液态氢的金属性转变及其临界点等问题。这些研究大大扩展了人们对氢相图的原有认识。 本文研究的第二个体系是氯化钠表面上水吸附的氢键网络。通过与扫描隧道显微镜实验组的合作，本文首次揭示了一个针尖诱导的扫描隧道显微镜对单个水分子轨道进行成像的机制。就吸附结构而言，有金衬底的氯化钠薄膜表面单个水分子的吸附结构是直立结构，最稳定的水团簇是水的四聚体团簇。以水的四聚体团簇为基本单元，通过水分子的桥连可以在氯化钠表面形成一种新的借助氢键网络组成的二维冰层结构和氢键网络。除此之外，本文还展示了如何通过振动模式计算和测量来识别水分子结构及由量子效应导致的同位素替换。本文通过计算验证了由量子效应导致的同位素替换的对称破缺。本文还研究了四聚体团簇具有的两种手性结构之间通过质子的量子协同隧穿过程互相转化的现象，并且发现吸附氯离子的针尖可以加快这种量子隧穿过程，从而可以被用于操控团簇的手性。 本文还对体态水和碳纳米管内受限水链中的质子传输过程中的量子效应进行了研究。通过第一性原理路径积分分子动力学模拟，本文发现质子在氢键上以一种无势垒的状态自由转移。在受限水链上，因为不存在氢键网络的重构，这种由原子核量子效应导致的无势垒转移使得质子可以在受限体系中传输的更快。另一方面质子作为一种有明显量子效应的原子，它的分布是非局域的，是一种连续变化的质子缺陷的形式存在。 本文通过对多类体系中氢原子核量子效应的研究，加深了对这些材料中涉及的氢的热力学和动力学性质的认识，解释了相关体系中的实验观察或者理论预言的一些由量子效应导致的奇异物理性质。同时本文也预测了一些由氢原子核量子效应引起的新的物理性质和物理现象。