极品高斯教程——量子化学计算方法汇总.

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化学物理学中的量子化学计算方法

化学物理学中的量子化学计算方法量子化学计算方法在现代化学物理学领域中得到了广泛的应用，它们通过模拟分子的量子力学行为来预测其各种性质。在本文中，我们将探讨几种常见的量子化学计算方法，并介绍它们的优缺点。

1. 分子轨道方法（MO）

分子轨道方法是一种较为传统的量子化学计算方法。它是由 H.

F. Danian和 R. S. Mulliken 开发的，主要通过数学方法来描述分子

的电子结构和反应性质。分子轨道方法的核心思想是基于分子轨

道理论，将由分子内电子的原子轨道线性组合（LCAO）得到分子轨道。一般情况下，分子轨道与原子轨道的线性组合是根据哈密

顿量进行的线性组合，再用量子化学算法处理。

分子轨道方法的优点是其基于一种可视，简化的模型，能够很

好地预测分子各种性质，如结构、振动频率、离子化能、化学反

应机理等。然而，分子轨道方法也有其缺点，它对大型体系较差，对于存在多个等价的结构，则需要用多重方法进行计算，这使得

计算大型分子的计算时间和计算资源消耗都较大。

2. 密度泛函方法（DFT）

密度泛函理论是在密度泛函方法（DFT）的基础上发展的，它

是一种基于能量泛函的电子结构计算方法。与分子轨道方法不同，密度泛函方法不关注电子的轨道，而是以电子密度为基础，描述

化学反应的机理。

密度泛函方法的优点是其对大型分子的计算较为准确，其计算

速度比分子轨道方法快。此外，密度泛函方法对于某些化学反应

及其器件的模拟也更加准确。但密度泛函方法也存在一些缺点，

它对于某些特定类型的分子结构，如杂环分子、金属配合物和化

学键的缺陷部分计算结果较差。

量子化学计算方法

*
(2)u
r12
(2)
d
2
r (1) Jˆ j (1)s (1)
ct*j cu*j
tu
r
*
(1) s
(1)t
r12
*
(2)u
(2)
d1d
2

ct*j cu*j rs | tu)
tu
双电子排斥积分
同理：
r (1) Kˆ j (1)s (1)
建立在三个近似基础上:
1、非相对论近似 2、Born-Oppenhermer近似 3、单电子近似（轨道近似）
最后得到单电子运动方程
由于体系状态波函数采用不同形式的单电子波函数组合，就产生不同的计算水平。
简单的单电子乘积
是 Hartree 方程原子体系
Slater行列式
是
Hartree-Fock
方程
原子和分子体系
LCAO-MO方法多组态波函数
Hartree-Fock-Roothaan 方程
（HFR方程）分子体系
组态相互作用(Configuration Interaction称为CI)分子体系
3. 2 从头计算（ab intio method）
对于分子体系不同,不能象原子体系那样用类氢轨道（或Slater轨道）直接代入H-F方程求解，而分子轨道要用原子轨道（或某些基组）展开，这就形成了Hartree-Fock-Roothaan方程。

高斯计算入门

无限周期重复体系(晶体、固体
表面、链状聚合物等)
Crystal、NNEW3、VASP、
Wien等
完整编辑ppt
4
本研究室目前常用的量化软件：
Gaussian 98/03: 由Pople等人编写，经过几十年的发展和完善，
该软件已成为国际上公认的、计算结果具有较高
可靠性的量子化学软件，它包含从头算、半经验
以保证计算结果的可靠性。假设当前的研究对象是化合物A，
可通过下列途径进行验证：
1. 与A化合物现有实验结果之间的比较；
2. 若无实验方面的报道，可对与A类似的化合物B进行研究，此
时以B的实验结果作为参照；
3. 当上述方法行不通时，可以采用较大模型和较为高级的计算
方法得到的计算结果作为参照，该方法主要用于系列化合物
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G03程序的安装和运行
1. G03程序的安装：
(1).确定运行平台：Windows或Linux？
(2).对Windows平台：
直接运行setup.exe，其余步骤按提示操作即可；也可将其它机
器上将已安装好的G03直接拷贝到本机，但需设置运行环境。
对Linux平台：
a.若G03是经过压缩过的(文件结尾为gz)，用gunzip命令解压：
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(2)cp－复制文件命令，相当于DOS下的copy命令: cp -rf

量子化学计算的基本原理和操作步骤

量子化学计算是一种借助于量子力学原理和计算机技术进行分子和原子的性质计算的方法。它在大分子、催化剂设计、材料科学等领域具有重要的应用价值。本文将介绍量子化学计算的基本原理和操作步骤。

一、基本原理

1.量子力学原理

量子力学是描述微观领域中粒子行为的物理理论。在量子力学中，粒子的状态由波函数表示，波函数满足薛定谔方程。量子化学计算利用波函数来描述分子和原子的状态，通过求解薛定谔方程得到它们的能量、结构和性质等信息。

2.哈密顿算符

哈密顿算符是量子力学描述体系能量的算符。量子化学计算中，通过构建分子或原子的哈密顿算符来描述它们的能量变化。哈密顿算符包含了分子或原子的动能和势能项，通过求解哈密顿方程得到体系的波函数和能谱。

3.基组与基函数

基组是一组用来展开波函数的基函数集合。在量子化学计算中，常用的基组包括杜-汉特、高斯基组等。基组的选择对计算结果的精确性和计算效率有着重要影响。更大的基组可以提高计算精度，但也会增加计算复杂度。

4.密度泛函理论

密度泛函理论是一种在量子化学计算中广泛应用的方法。它通过电子密度来描述分子和原子的性质。密度泛函理论基于基态电子密度确定了能量泛函，并通过最小化能量泛函来求解系统的基态能量和电子密度。

二、操作步骤

1.确定研究对象

量子化学计算可以用来研究分子、原子以及其间的相互作用。首先需要确定研

究对象，对于复杂的体系可以通过分子建模软件构建其结构。

2.选择计算方法

根据研究对象的特点和目的，选择合适的计算方法。常用的量子化学计算方法

包括密度泛函理论、哈特里-福克方法、多配置自洽场方法等。不同的方法有不同

量子化学的基本原理和计算方法

量子化学的基本原理和计算方法量子化学（Quantum Chemistry）是应用量子力学原理和方法研究分

子和原子体系的学科。它揭示了分子和原子的结构、性质和反应机制，为材料科学、生物化学、环境科学等领域的研究提供了基础。本文将

介绍量子化学的基本原理和计算方法。

一、量子化学的基本原理

1. 波粒二象性

量子化学的起点是波粒二象性原理。根据波粒二象性，光既可以表

现为波，也可以表现为粒子（光子）。类似地，电子也表现出波粒二

象性。

2. 薛定谔方程

薛定谔方程是描述量子体系的基本方程，它由Schrödinger提出。薛定谔方程可以得到体系的波函数，从而揭示体系的能量和性质。

3. 波函数

波函数是描述量子体系的数学函数，它包含了体系的全部信息。根

据波函数，可以计算体系的性质，如能量、电荷分布等。

4. 经典力学与量子力学的区别

经典力学和量子力学描述了不同尺度下的物理现象。在经典力学中，物体的位置和动量可以同时确定，而在量子力学中，由于不确定原理

的存在，不能同时确定一个粒子的位置和动量。

二、量子化学的计算方法

1. 基组理论

基组是用来近似描述分子的波函数的一组基函数。常用的基组有Slater基组、Gaussian基组等。通过多个基函数的线性组合，可以得到较准确的波函数。

2. 近似方法

由于薛定谔方程的求解往往困难，常用的方法是采用近似求解。常见的近似方法有哈特里-福克方法、密度泛函理论等。

3. 分子轨道理论

分子轨道理论是一种近似描述分子波函数的方法，它将分子波函数表示为原子轨道的线性组合。通过计算得到分子的轨道能级和轨道系数，进而得到各种性质。

量子化学的理论计算方法

1引言

量子力学是21世纪最重要的科学发现之一。在量子力学基础上发展起来的理论物理、量子化学及相关的计算，为我们开辟了通向微观世界的又一个途径。以往我们只能在实验室，通过实验了解化学反应的过程与结果，或通过仪器设备检测、跟踪化学反应的动态。现在，通过理论化学计算，就有可能了解瞬息之间发生的化学反应，或预测某些激发态与过渡态的几何构型，还有可能了解生物大分子中某一活性位的电荷转移。近10年来，随着计算技术的飞速发展，计算机已进入各个化学实验室，由此也刺激了量子化学计算乃至理论化学方法的快速发展。量子化学计算已不再是理论化学家的专利，它成为实验化学、生物领域、药物设计、材料研究等方面的有力工具。随着计算机的发展和理论上的突破，量子化学在研究化合物结构中的应用越来越广泛。本文概括地介绍了从头算法、半经验法、密度泛函理论及微扰理论等量子化学的计算方法及这些方法在各领域的应用。

2 量子化学及其计算方法

量子化学是以量子力学为原理，研究原子、分子和晶体的电子层结构、化学键理论、分子间作用力、化学反应理论、各种光谱、波谱和电子能谱的理论，对有机和无机化合物、生物大分子和各种功能材料和性能关系，揭示物质和化学反应的内在本质及其规律，从独特的研究角度出发提出合理的结论。

量子化学的发展可分为两个阶段：第一个阶段是1927年到20世纪50年代末的创建时期，其主要标志是三种化学键理论的建立、发展和分子间相互作用的量子化学研究，三种化学键理论包括：价键理论、分子轨道理论及配位场理论；第二个阶段是20世纪60年代以后，主要标志是量子化学计算方法的研究，其中严格计算的从头算方法、半经验计算的全略微分重叠和间略微分重叠等方法的出现，扩大了量子化学的应用范围，提高了计算精度。量子化学的研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系、分子与分子之间的相互作用、分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。

高斯软件各半密度泛函方法

高斯软件是一款常用的计算化学软件，其中包括了多种不同的半密度泛函方法来进行量子化学计算。

半密度泛函方法是一种适合用于大分子系统的计算方法，它通过将电子密度分成密度矩阵和密度响应函数两部分来描述电子行为。在高斯软件中，常用的半密度泛函方法包括：

1. LDA（局域密度近似）：这是最简单的半密度泛函方法之一，利用电子密度的局域性质来近似电子-电子相互作用。

2. GGA（广义梯度近似）：在LDA的基础上，引入了密度梯

度的信息，以更准确地描述分子中的电子行为。

3. Meta-GGA（元GGA）：这是一类对电子密度、密度梯度和动能密度进行更高级近似的方法，从而提供更准确的物理描述。

除了上述常用的半密度泛函方法外，高斯软件还支持许多其他半密度泛函方法，如B3LYP、M06-L、ωB97X-D等。这些方

法针对不同的应用和分子体系提供了不同的精度和计算效率。

总的来说，高斯软件提供了多种半密度泛函方法来进行量子化学计算，用户可以根据具体的研究需求选择适合的方法。

高斯计算入门

d.运行bsd/install，自动配置并行计算环境
注：对Linux平台，运行g03时，需注意权限问题，可用chmod 命令更改权限，将所安装的g03对所有用户开放。
2021/7/1
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2.G03程序的运行：
(1).对Windows平台： a.对于刚安装好的g03，先检查环境设置情况：
2021/7/1
无限周期重复体系(晶体、固体表面、链状聚合物等) Crystal、NNEW3、VASP、 Wien等
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本研究室目前常用的量化软件：
Gaussian 98/03: 由Pople等人编写，经过几十年的发展和完善，
该软件已成为国际上公认的、计算结果具有较高
可靠性的量子化学软件，它包含从头算、半经验
以及分子力学等多种方法，可适用于不同尺度的
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b. 从网关登录到计算节点－采用telnet命令实现例如：telnet 134.14.83.5
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c. Linux常用命令: (1)ls－显示文件清单，相当于DOS下的dir命令：
文件属性所属用户
大小创建时间
注：L20i2n1/u7/x1 系统下字符是大小写区分的
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计算原理
基于从头算或第一性原理方法
(ab initio/first principles) Gaussian、ADF、Dalton、Gamess、 Crystal、VASP、Wien、Dmol等

高斯计算fukui index降解路径

高斯计算（Gaussian calculation）是一种常用的量子化学计算方法，用于研究分子和材料的电子结构和性质。Fukui index是一种量化化学反应活性的指标，用于描述分子在化学反应中的亲电性、亲核性和自由基活性。在分子降解路径的研究中，Fukui index可以帮助我们理解分子在不同反应条件下的降解机制和反应活性。

在进行高斯计算时，首先需要构建分子的几何结构和电子结构模型。然后，通过选择合适的基组和计算方法，进行分子能量的计算和优化。在计算过程中，我们可以得到分子的电子密度、电荷分布、能量等信息。

为了计算Fukui index，我们需要考虑分子在不同电子状态下的电子密度变化。具体来说，我们需要计算分子在三种不同电子状态下的电子密度：中性状态、正电荷状态和负电荷状态。通过比较这三种状态下的电子密度差异，我们可以得到Fukui index的值。

在分子降解路径的研究中，Fukui index可以帮助我们确定分子在不同反应条件下的反应活性区域。通过比较不同区域的Fukui index值，我们可以确定哪些区域更容易发生化学反应，从而推断出分子的降解路径。这对于研究分子的化学稳定性和降解机制具有重要意义。

总之，高斯计算和Fukui index是分子降解路径研究中常用的工具和方法。通过高斯计算，我们可以得到分子的电子结构和性质信息；通过Fukui index的计算，我们可以确定分子的反应活性区域和降解路径。这些方法的应用将有助于我们更深入地理解分子的化学行为和反应机制。

高斯教程量子化学

高斯教程是一种用于量子化学计算的软件，它在理论计算和分子模拟领域具有广泛的应用。本文将介绍高斯教程在量子化学领域的应用和基本原理。

量子化学是研究分子和原子尺度下的化学现象的一门学科，它基于量子力学理论，通过解析和数值方法来预测和解释化学反应、分子结构和性质。高斯教程是一种常用的量子化学软件，它提供了一套完整的工具和方法，用于计算和模拟分子系统的性质和行为。

高斯教程的核心是使用量子力学方法来计算分子的量子态和能量、电子结构、振动谱、光谱等性质。它基于量子力学的基本方程式，如薛定谔方程和哈密顿算符，通过数值计算和数值优化来解决这些方程。高斯教程提供了许多不同级别的方法和基组，以满足不同问题的需求。用户可以根据具体情况选择适当的方法和基组来进行计算。

高斯教程的使用涉及几个关键步骤。首先，用户需要定义分子的几何结构，包括原子类型、原子坐标和键长。其次，用户需要选择适当的方法和基组，这取决于所研究问题的性质和精度要求。然后，用户需要设置计算参数，如收敛准则和计算精度。最后，用户可以运行计算并分析结果。

高斯教程提供了许多不同类型的计算，包括能量计算、几何优化、

振动分析、光谱预测等。能量计算是高斯教程最基本的功能，它可以计算分子的基态能量和势能面。几何优化是通过调整分子几何结构来最小化能量，以找到最稳定和最合理的结构。振动分析可以计算分子的振动频率和振动模式，以及与光谱相关的性质。光谱预测可以计算分子的光谱吸收、紫外-可见和红外光谱。

除了这些基本功能外，高斯教程还提供了许多高级功能和工具，如密度泛函理论(DFT)、分子动力学模拟(MD)和反应路径搜索等。这些功能可以进一步扩展高斯教程的应用范围，并提供更加准确和详细的结果。

量子化学的主要计算方法及软件

04
计算方法的实际应用
化学反应机理研究
总结词
量子化学计算方法在化学反应机理研究中发挥着重要作用，能够模拟和预测化学反应的中间过程和产物，为实验提供理论支持和指导。
详细描述
通过量子化学计算，可以深入了解化学反应的微观机制，探究反应路径、能量变化和键结构等信息。这有助于理解实验现象，优化反应条件，预测新反应和设计新物质。
总结词
Q-Chem具有高效的计算性能和可扩展性，适用于从单分子到复杂材料的模拟。
详细描述
Q-Chem支持多种量子力学方法，包括Hartree-Fock、Møller-Plesset微扰理论、密度泛函理论等，并提供了多种基组和力场选择。
详细描述
Q-Chem提供了丰富的功能，如几何优化、频率分析、反应路径搜索等，广泛应用于化学、材料科学、生物学等领域。
详细描述
Turbomole支持多种量子力学方法，包括Hartree-Fock 、Møller-Plesset微扰理论、密度泛函理论等，并提供了多种基组和力场选择。
详细描述
Turbomole提供了丰富的功能，如几何优化、频率分析、反应路径搜索等，广泛应用于化学、材料科学、生物学等领域。
03
计算方法的比较与选择
材料性质预测
总结词
量子化学计算方法能够预测材料的物理和化学性质，为材料科学研究和工程应用提供重要依据。

量子化学计算方法

量子化学计算方法-正文

主要分为：①分子轨道法（简称MO法，见分子轨道理论）；②价键法（简称VB法，见价键理论）。以下只介绍分子轨道法，它是原子轨道对分子的推广，即在物理模型中，假定分子中的每个电子在所有原子核和电子所产生的平均势场中运动，即每个电子可由一个单电子函数（电子的坐标的函数）来表示它的运动状态，并称这个单电子函数为分子轨道，而整个分子的运动状态则由分子所有的电子的分子轨道组成（乘积的线性组合），这就是分子轨道法名称的由来。

简史分子轨道法的核心是哈特里－福克－罗特汉方程，简称HFR方程,它是以三个在分子轨道法发展过程中做出卓著贡献的人的姓命名的方程。1928年D.R.哈特里提出了一个将N个电子体系中的每一个电子都看成是在由其余的N-1个电子所提供的平均势场中运动的假设。这样对于体系中的每一个电子都得到了一个单电子方程（表示这个电子运动状态的量子力学方程），称为哈特里方程。使用自洽场迭代方式求解这个方程（见自洽场分子轨道法），就可得到体系的电子结构和性质。

哈特里方程未考虑由于电子自旋而需要遵守的泡利原理。1930年，B.A.福克和J.C.斯莱特分别提出了考虑泡利原理的自洽场迭代方程，称为哈特里－福克方程。它将单电子轨函数(即分子轨道)取为自旋轨函数（即电子的空间函数与自旋函数的乘积）。泡利原理要求，体系的总电子波函数要满足反对称化要求，即对于体系的任何两个粒子的坐标的交换都使总电子波函数改变正负号，而斯莱特行列式波函数正是满足反对称化要求的波函数。

将哈特里－福克方程用于计算多原子分子，会遇到计算上的困难。C.C.J.罗特汉提出将分子轨道向组成分子的原子轨道（简称AO）展开，这样的分子轨道称为原子轨道的线性组合（简称LCAO）。使用LCAO-MO,原来积分微分形式的哈特里－福克方程就变为易于求解的代数方程,称为哈特里－福克－罗特汉方程,简称HFR方程。

量子化学计算方法

最常用的量子化学计算方法是基于密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）的方法。DFT是一种基于电子密度的近似方法，可以比较准确地计算原子和分子的结构和能量。它将电子系统的能量表示

为电子密度的函数，并通过最小化总能量来确定系统的平衡结构。由于DFT计算的复杂性较低，因此成为量子化学计算的主流方法。

除了DFT，还存在一些其他的量子化学计算方法，如Hartree-Fock

方法（HF）、耦合簇方法（CC）和多配置自洽场方法（MCSCF），它们可

以用于处理一些特殊的问题和体系，如过渡金属催化反应和量子化学动力

学等。这些方法在原子、分子和固体材料的性质预测中发挥着重要的作用。

量子化学计算在多个领域有广泛的应用。在药物研发领域，可以通过

计算方法预测分子的活性和药效，从而为新药的设计提供指导。在材料科

学领域，可以通过计算材料的能带结构、电子态密度和光学性质等信息，

来指导新材料的开发和设计。此外，在环境科学、催化化学和生物化学等

领域，量子化学计算也被广泛应用于理论模拟和机理解释。

然而，量子化学计算方法也存在一些挑战和限制。首先，计算复杂度

与体系规模成平方关系，因此对于大分子体系，计算开销非常大。其次，

当前的方法仍然是近似的，计算结果的精确程度受到一定的误差限制。此外，量子化学计算需要大量的计算资源和专业的软件支持，因此对于一般

用户而言，使用起来可能存在一定的门槛。

综上所述，量子化学计算是一种基于量子力学原理的计算方法，在多

个领域有广泛的应用。尽管存在一些挑战，但随着计算机技术的不断发展

《量子化学计算方法》课件

《量子化学计算方法》ppt课件
目录
• 量子化学计算方法简介 • 量子化学计算方法的基本原理 • 量子化学计算方法的实现步骤 • 量子化学计算方法的应用 • 量子化学计算方法的挑战与展望
01
量子化学计算方法简介
量子化学计算方法的定义与重要性
定义
量子化学计算方法是一种基于量子力学原理的计算化学手段，用于研究分子和材料的电子结构和性质。
复杂体系的研究
总结词
随着量子化学研究的深入，复杂体系的计算成为研究重点，但同时也面临巨大挑战。
详细描述
复杂体系涉及大量的原子和电子，使得计算量急剧增加，对计算资源和算法提出了更高的要求。目Baidu Nhomakorabea，针对复杂体系的计算方法仍在不断发展中。
人工智能与量子化学计算方法的结合
总结词
人工智能技术为量子化学计算提供了新的思路和方法，有助于解决一些传统方法难以解决的问题。
缺点
计算量大，需要高性能计算机资源；对于大规模体系的计算存在精度损失和收敛困难等问题；需要结合实验数据进行验证和修正。
02
量子化学计算方法的基本原理
量子力学基础
量子力学是描述微观粒子运动规律的物理学分支。
它与经典力学的主要区别在于，量子力学中粒子的状态是由波函数来描述的，而波函数满足特定的数学方程（如薛定谔方程）。
重要性