量子化学论文
量子化学教学方法研究

解 决具体 的化学 问题 , 将所学 的量 子化学 知识 与实践 相结 合 , 开 展 量子化学计算 的实验就显得尤为重 要。本课程将 安排 利用量 子化学计算 中常用 的 G us n程序 进 行上 机实 验 , 生通过 asi a 学 自己的计算结果 , 不仅能够增加学 生的学 习兴趣 , 也使他 们进一 步了解通过计算 不仅 可 以验 证 以前学 过 的知识点 , 加可 以进 更
是学习的难点 , 观世界 的运动规 律与宏 观世 界的直 观感觉 完 微
全不同。这一 特点使学生在学 习量子 化学过程 中感 觉都是 数学 和物理 , 见不到化学 在哪 里 , 不知道解 决什 么化 学 问题 , 就 更 也 无法激发学习的兴趣。对此 , 我们在教学 实践 中, 根据课 程的知
化学 的教学 内容 、 提高了学生的学习兴趣 , 又能使学 生 了解 到量
子 化 学 最 新 的研 究 进 展 。 最 为 一 种 辅 助 的教 学 模 式 , 献 研 讨 文
教学在量子化学教学 中尽管能够很好 的补充 目前传 统教学 方法 的不足之处 , 但也应 当处理好两者之 间的关 系 , 文献研讨 的数量 和时间均应控制在一定 的范 围。
随着计 算机技术 的迅速 发展 , 使得 求解 量子 化 学理 论复 杂
的方程式成 为可能 , 为我们 开辟 了通 向微 观世界 的又一个 途径 。 以前我们 只能在实验室 , 通过实 验 了解化 学反应 的过程 与结果 , 现在通过理论 化学计 算 , 就有 可能 了解 瞬息之 间反 正 的化学 反 应, 或预测某些激 发态 与过渡 态 的几何 构型 。随着 高性 能计算 机和大型计算机 集群 的 出现 , 我们甚 至 可 以利 用计 算机来 模 拟 和计算复杂 的生物大分子体系。量子化 学在计算 机 中的应用 为 我们开辟 了一个 新的时代 , 化学 已经不再是 纯实验 的学科 , 化学
量子化学的发展

量子化学的发展量子化学作为化学领域中的重要分支,通过应用量子力学理论和计算方法,探索分子和原子的性质、反应机理和化学变化等问题。
近年来,随着计算机技术和理论方法的不断进步,量子化学研究得到了广泛应用,并在许多领域取得了重大突破和进展。
1. 量子力学与化学的结合量子化学的发展始于20世纪初,当时科学家开始意识到通过应用量子力学理论可以更好地理解和解释化学现象。
量子理论的基本假设是物质的微观性质是离散的,而非连续的,这与化学中原子和分子的离散性质相符合。
通过量子力学的数学描述和计算方法,可以预测和解释分子的结构、化学键的形成和断裂等重要现象,从而深化了对化学反应和物质性质的认识。
2. 计算方法的发展随着计算机技术的飞速发展,量子化学研究受益于计算方法的不断提升。
早期的量子化学计算主要依赖于近似方法,如Hartree-Fock近似和密度泛函理论等。
然而,这些方法在处理复杂分子和反应体系时存在一定的局限性。
近年来,随着高性能计算机和新的理论方法的出现,例如多体微扰论、耦合簇方法和格林函数方法等,我们能够更精确地研究大分子系统和化学反应的机制。
这些方法的发展使得量子化学计算能够涵盖更多的化学现象,并有望进一步推动化学的研究进展。
3. 应用领域的拓展量子化学的发展也促进了其在多个领域的应用拓展。
在材料科学领域,量子化学计算被广泛用于设计新材料、预测材料性质和开发新的能源材料。
在药物设计和生物化学领域,量子化学方法有助于开发新药物和理解生物分子的相互作用机制。
此外,量子化学在环境科学、催化化学和有机合成等领域也发挥着重要作用。
随着量子化学的不断进步和应用拓展,我们有望在更多领域取得突破和创新。
总结:量子化学作为化学领域的重要组成部分,通过应用量子力学理论和计算方法,为我们深入理解和解释化学现象提供了重要工具。
随着计算机技术和理论方法的快速发展,量子化学研究取得了许多重要进展。
从量子力学与化学的结合,到计算方法的发展和应用领域的拓展,量子化学为我们揭示了化学世界的奥秘,也为各个领域的科学研究和实际应用提供了指导和支持。
量子化学方法在物理化学中的应用与挑战

量子化学方法在物理化学中的应用与挑战量子化学是物理化学领域中的一个重要分支,利用量子力学理论和计算方法来研究原子和分子的结构、性质以及化学反应过程。
量子化学方法广泛应用于物理化学研究中,不仅为科学家们提供了深入理解化学现象的工具,也为化学工业的发展和技术应用提供了支持。
然而,量子化学方法在实际应用中也面临着一些挑战。
本文将讨论量子化学方法在物理化学中的应用以及相应的挑战。
一、量子化学方法的应用1. 分子结构与物性预测量子化学方法可以用来确定分子的几何结构、化学键的性质以及分子的振动频率等重要参数。
通过使用基于量子力学的计算方法,科学家们可以预测和解释分子在化学反应中的行为,推断化学反应的机理以及反应速率常数。
这对于设计新药物、材料以及优化化学合成路线具有重要意义。
2. 化学反应机理研究量子化学方法可以通过计算化学反应的势能面和过渡态结构来揭示反应机理。
通过分析反应路径和能量变化,科学家们可以发现和预测反应中的关键中间体、过渡态以及反应的速率限制步骤。
这种方法不仅可以揭示反应的本质,还可以为催化剂的设计和反应条件的优化提供指导。
3. 分子光谱与光电子动力学研究量子化学方法可以模拟和解释分子的光谱特性,包括吸收光谱、发射光谱和拉曼光谱等。
通过计算分子的光谱特性,科学家们可以了解分子内部的电子结构和激发态能级,进一步揭示化学反应过程中的电子转移和能量转移机制。
此外,量子化学方法还可以模拟和研究分子的光解离、电离和碰撞动力学等过程,为实验结果的解释提供理论依据。
二、量子化学方法面临的挑战1. 计算复杂度和计算资源需求由于物理化学体系的复杂性,量子化学计算往往需要大量的计算资源和时间。
对于大分子系统或复杂反应体系的计算,需要运用高性能计算机和先进的计算技术。
此外,量子化学计算过程中的近似和简化方法,会对计算结果的准确性产生一定的影响,进一步增加了计算的复杂度。
2. 程序与算法的规模与速度目前已经有很多用于量子化学计算的软件和算法可供选择,但在处理大规模分子或复杂体系时,现有的算法和计算程序仍然面临挑战。
量子化学中的量子力学与分子结构分析

量子化学中的量子力学与分子结构分析量子化学是一门研究分子和原子的行为的学科,它基于量子力学的原理和方法。
量子力学是描述微观粒子行为的理论,它在量子化学中起着至关重要的作用。
本文将探讨量子力学在分子结构分析中的应用。
在量子化学中,分子的结构可以通过量子力学的方法进行分析。
量子力学认为,微观粒子的行为是不确定的,只能用概率来描述。
分子的结构由原子核和电子组成,而电子的行为是量子力学的核心研究对象。
量子力学通过波函数描述电子的状态。
波函数包含了电子的位置和动量等信息。
根据波函数的性质,可以得到电子的能量和轨道等信息。
在分子结构分析中,波函数的计算是非常关键的一步。
波函数的计算可以通过求解薛定谔方程来实现。
薛定谔方程是描述量子系统演化的基本方程。
通过求解薛定谔方程,可以得到电子的波函数和能量。
然后,通过波函数的分析,可以得到分子的几何结构和电子云分布等信息。
在量子化学中,常用的方法包括Hartree-Fock方法和密度泛函理论。
Hartree-Fock方法是一种近似求解薛定谔方程的方法,它通过将多体问题转化为单体问题来简化计算。
密度泛函理论是另一种常用的方法,它基于电子的密度来描述系统的性质。
这两种方法在分子结构分析中都有广泛的应用。
通过量子力学的方法,可以计算分子的几何结构和能量等性质。
几何结构是分子的重要性质之一,它决定了分子的化学性质和反应行为。
通过分子结构的计算,可以得到分子的键长、键角和二面角等信息。
这些信息对于理解分子的性质和反应机制非常重要。
此外,量子力学还可以用于计算分子的能量。
能量是分子的另一个重要性质,它决定了分子的稳定性和反应活性。
通过量子力学的方法,可以计算分子的总能量和各个键的能量。
这些能量信息对于理解分子的稳定性和反应性质非常关键。
除了几何结构和能量,量子力学还可以用于计算分子的振动和光谱性质。
振动是分子的一种重要运动方式,它与分子的键的强度和键的长度有关。
通过量子力学的方法,可以计算分子的振动频率和振动模式。
2-(3',5'-二硝基苯)-4-硝基-1,2,3-三唑-1-氧化物的合成与量子化学研究

M0 6 - 2 x me ho t d o n a u g — c c — p VD Z b a s i s s e t nd a he t s t a b l e g e o me t r i c c o n i f g u r a i t o n nd a b o n d o r d e r w e r e
b y H NMR ,I R,MS a n d e l e me n t a l na a ly s i s .T h e s t mc t u r o f 3 wa s ls a o e s t i ma t e d b y a B 3 L Y P a n d
t i o n f r o m g l y o x l ,p a h e n y l h y d r a z i n e nd a h y d r o c h l o r i d e h y d r o x y l a mi n e .T h e s t r u c t u r e Wa S c h a r a c t e r i z e d
S y n t h e s i s a n d Qu a n t u m C h e mi s t r y S t u d y
o f 2 一 ( 3 , 5 , - D i n i t r o ・ p h e n y 1 ) - 4 一 n i t r o ・ 1 , 2 , 3 - t r i a z o l e - 1 - o x i d e
2 0 1 3年第 2 l 卷 第5 期, 5 3 8 — 5 4 2
合 成 化 学
C h i n e s e J o u r n a l o f S y n t h e ic t C h e mi s t r y V o 1来自. 2 1 ,2 0 1 3
论量子化学计算中的密度泛函理论

论量子化学计算中的密度泛函理论摘要:本文简要介绍了密度泛函理论的基本理论,同时着重介绍了相对论含时密度泛函理论及其在相关计算方面的应用。
关键词:密度泛函理论弱作用体系强相关体系1引言随着量子理论的建立和计算机技术的发展,人们希望能够借助计算机对微观体系的量子力学方程进行数值求解,然而量子力学的基本方程———Schrdinger 方程的求解是极其复杂的。
克服这种复杂性的一个理论飞跃是电子密度泛函理论(DFT)的确立[1 ,2 ]。
电子密度泛函理论是上个世纪60年代在Thomas-Fermi理论的基础上发展起来的量子理论的一种表述方式。
传统的量子理论将波函数作为体系的基本物理量,而密度泛函理论则通过粒子密度来描述体系基态的物理性质,这使得密度泛函理论将3N维波函数问题简化为3维粒子密度问题,十分简单直观。
另外,粒子密度通常是可以通过实验直接观测的物理量。
粒子密度的这些优良特性,使得密度泛函理论具有诱人的应用前景。
经过几十年的发展,密度泛函理论体系及其数值实现方法都有了很大的发展, 这使得密度泛函理论被广泛地应用在化学、物理、材料和生物等学科中, Kohn也因为他对密度泛函理论的贡献获得1998年的诺贝尔化学奖[3]。
下面,我们将在本文中对密度泛函理论基本理论和它越来越广泛的应用作一个简单的回顾:首先介绍密度泛函理论的基本原理,最后用一些实例说明密度泛函理论的广泛应用。
2密度泛函理论的基本原理现代密度泛函理论的建立,提出了电子体系的物理性质,完全可以由体系基态的电子密度决定,而电子密度的定义是这样的:ρ(r1) = N |ψ(r1, r2, · · · , rN)|2dr2, · · · , rN(2-1) 其物理意义是在r1点找到电子的总几率密度(不管其它电子在何处)。
很明显,电子密度ρ(r1)仅仅是一个三维坐标的函数,其复杂度远远小于电子的多体波函数。
量子信息论文(五篇范例)

量子信息论文(五篇范例)第一篇:量子信息论文量子信息——新时代科技的推进器现如今,量子信息已成为科学领域发展必不可少的要素之一,其实,在20世纪初量子就已经被发现并被人类所利用。
在19世纪后期,在科学界出现了许多难题——很多物理现象无法用经典理论解释,包括在当时科学界讨论很激烈的黑体辐射问题(由于物体辐射的电磁波在各个波段是不同的,并且受物体自身特性和温度的影响,为了研究这种规律,科学家定义了黑体来作为热辐射研究的标准物体)。
1900年,当普朗克研究黑体辐射时,提出了普朗克辐射定律,量子这一概念就此诞生。
量子假设的提出终结了经典物理学的垄断地位,使物理学进入了微观时代,也就是现代物理学的诞生。
而经过一个多世纪的发展,量子领域的一些假设仍然不是非常严密,还需在日后的研究中逐步完善,但这并不能否认量子在目前科学领域的领导地位。
量子,即某物质或物理量特性的最小单元,它以qubit为单位,而从中衍生的量子力学,量子力学中的量子通信已经成为当今科技发展的主要领域。
先讨论一下量子力学,上文提到过量子力学是描述微观物质的理论,与相对论紧密结合,成为现代物理学的支柱。
它强调微观世界的不确定性以及客观规律,而其中最著名的预测便是量子纠缠态,即使两个粒子在空间上也许会相距很远,但是其中一个粒子会时刻随着另外一个粒子的改变而改变,因此,爱因斯坦将量子纠缠称为“幽灵般的超距作用”,这种粒子的互相影响现象听起来似乎十分玄学,但是它的确是科学家在实际试验中获得的现象。
例如,我国量子卫星“墨子号”成功实现了“千公里级”的星地双向量子纠缠分发,在全世界取得领先的地位。
值得一提的是,21世纪兴起的量子计算机中的原理正源自于量子之间的纠缠,在量子计算机中,基本信息单位是量子比特,运算对象是量子比特序列。
相对于传统计算机,量子计算机拥有其特殊的优越性,量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上,而且还可以处于纠缠态上。
这些特殊的量子态,不仅提供了量子并行计算的可能,还做到了传统计算机几乎无法完成的工作。
量子力学论文

量⼦⼒学论⽂量⼦⼒学是研究物质世界微观粒⼦运动规律的物理学分⽀,主要研究原⼦、分⼦、凝聚态物质,以及原⼦核和基本粒⼦的结构、性质,与相对论⼀起构成现代物理学的理论基础。
量⼦⼒学是现代物理学的基础理论之⼀,⼴泛应⽤于量⼦化学、量⼦光学、量⼦计算、超导磁体、发光⼆极管、激光器、晶体管和半导体如微处理器等领域。
量⼦⼒学论⽂1 量⼦⼒学在本世纪⼆⼗年代就形成了其形式系统,然⽽它的物理意义,亦即对它的解释却⼀直众说纷纭,时⾄今⽇仍是物理学家和哲学家关注的⼀个中⼼问题。
虽然在其体系形成后不久,玻尔就在玻恩的⼏率诠释和海森堡的测不准原理基础上,提出了系统⼀贯的互补性诠释并成为被普遍接受的正统诠释,但互补思想的确切内容却始终没有⼈能说得清,因为玻尔总是把他深奥的思想,深深藏在晦涩冗长的深思熟虑的句⼦和事例性的说明之中,⽽没有任何现成的条条款款,这就使得⽆论接受它的还是反对它的⼈都给出了各式各样不同的理解,所以互补含义亟需澄清。
关于量⼦⼒学诠释研究的主要问题也都与互补性诠释密切相关(如因果性问题、⼏率性问题、关于测不准关系的理解问题、测量问题、完备性问题等),这些问题的澄清和解决也⾸先需要正确理解互补性诠释。
1.互补性诠释的逻辑结构 与互补性诠释不同的其它诠释的逻辑结构是,先设计出某种本体实在的模式,再将这种本体实在与量⼦⼒学中的某种符号联系起来,然后将这种符号按量⼦⼒学演绎的理论结果与观察结果对照来解释量⼦现象和量⼦理论。
在这些解释中,观察结果不是作为解释的根据,⽽是作为量⼦⼒学演绎的结果。
如隐变量理论先假设有因果决定性的亚量⼦层的隐变量的本体实在,再将这种本体实在隐变量的统计平均与量⼦⼒学中的可观察量联系起来,量⼦⼒学的理论值就代表着隐变量的统计平均的演化结果,它与统计性的结果相对应,这样隐变量理论就将观察结果和量⼦⼒学的描述解释为客体的隐变量的统计平均的表现和对这种统计平均的变化规律的描述。
统计系综诠释则先假设统计分布具有实在的客观性,它代表着微观客体的状态和特征,量⼦⼒学描述中的波函数ψ的模⽅就表⽰客体的这种统计分布,波动⽅程的解的模⽅与观察结果的统计分布相⼀致,表⽰着客体的统计分布状态。
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量子化学计算常见的近似模型
摘要: 量子化学是理论化学的一个分支学科,是应用量子力学的基本原理和方法研究化学
问题的一门基础科学。
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。
本文简要地介绍关于原子结构计算方面的一些基本模型。
关键字: 量子化学 量子 原子结构 近似模型
1 引文:量子化学在原子结构的计算方面有着重要的应用,本文简要地介绍了量子化学在原子结构自洽场的计算方面的一些近模型和常用的一些方法。
2 绝热近似(Born-Oppenheimer 近似)
由于核的质量比电子的质量大得多,且电子的运动速度比核运动要快得多。
迅速运动的电子总是可以跟上核运动所引起的微小势场的变化,所以在研究电子的运动时可以把原子核看作固定不动,把原子核作为固定的坐标系的原点。
体系的能量看作二部分的能量之和。
绝热近似本质上忽略了核运动对电子的影响。
在绝热近似下,氦原子的哈密顿量可
表示为12
2
2212222212r -r -m 2-m 2-r e Ze Ze H +
∇∇= 体系的能量本征方程: ()()2,12,1φφE H =
3 电子的独立运动模型(单电子近似 轨道近似)
上述的原子能量的本征方程没有办法通过分离变量来严格地求解,所以必须引入单电子 近似,对于每个电子收到其它电子的瞬时作用,可看成是其它电子的平均势场的作用,每个电子都在原子核和其他电子的平均势场中运动。
因此在这种近似下每个电子都有自身的单电子波函数和单电子能量。
例如:处于基态的He 原子,电子组态为21s ,这就是一种轨道近似。
设轨道电子的能量和波函数分别为s 1ε和s 1ϕ,电子2分布在整个空间,电子1收到电子2的总的排斥势为:
()
2
12
2
s 1r 2νϕd ⎰
可得电子1的单电子薛定谔方程为:()()()()1112211112122
112
1s s s s d r r Z ϕεϕνϕ=⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+-∇-⎰
同理 电子2也满足类似的方程,这样就把多体问题归结为求解单电子的能量本征方程。
4 中心力场近似
如果对于N 电子体系,根据上述的近似方法可得第j 个电子的哈密顿量为:
()i i i j
i j i j j j d r r r r Z H τψ2
2121ˆ∑⎰=/-+-∇-= 相应的薛定谔方程为:()()()r r r H j j
j j ψεψ=ˆ ()N j ,2,1= 为了解出上述方程组 ,Hartree 进一步引入了中心力场近似,对势函数作球形平均,使得
势函数只是r 的函数。
在中心势场中的单粒子薛定谔方程的解的形式为:
()()()i i m l i l n i i i
i i
i Y r R r ϕθψ,= ,相应电荷分布的球形平均值为:
()()[]()()()[]
2*
22
41,,41i l n i i lm i i lm i l n av i i r R d Y Y r R r i i i
i i i i i π
ϕθϕθπψ=Ω=
⎰ 由电荷球形平均产生的势场就是球形平均势场,它在半径为r 的球面上人一点的值为:
()()
()()()⎰⎰∞
+=-=r
i
i
i l n r
i i l n i i i i i i i i dr r r
r P dr r P
r l n l n Y r l n l n Y r r i
i i
i 20200i /,/,1
V 其中:
式中: ()()i l n i i l n r R r r P i i i i =
这样,在半径为r 的球面上任一点,j 电子的哈密顿量为:
()()r l n l n Y r
r Z r V H i i i i N j i j j /,121ˆ02∑=/+-=+∇-= 用分离变量法即可得到相应的径向方程:
()()()()r P r P l n l n Y r r Z r l l dr d i i i i i i l n l n l n i i i i N j i i i ε=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+-++∑=/,12121-02
22 ()N j ,2,1= 这就是原子的径向Hartree 方程,它的每一个方程都涉及所有电子的单粒子态函数,是非线
性的积分-微分方程,只能用迭代逼近的方法求解。
5 变分法
由极值条件
()()‘
,λ
ψψλλλλ
≈=⇒=⇒=0'0'0H E d H d 这是一种近似的方法,一般情况下只设置一个参数是不够的,需要引进多个变量。
如果假设变分函数为()n 21λλλψ , 则有极值条件:
()
021=∂∂i
n H λλλλ , ()n i ,2,1=
以下以He 原子为例,利用变分法计算其基态能量.另外电子2对电子1的排斥势削弱了原子核对电子1的作用,看做对原子核的屏蔽。
则有:
()()()111r -21111121s s s ϕεϕλ=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡∇-此方程形式与H 原子等价,套用其结果:
()2
12/312
1
11
λελπϕλ-==-s r s e 同理
()2
12/312
122
λελπϕλ-==-s r
s e
基态He 原子,两个电子都处在
s
1ϕ态,且自旋相反,可有体系的状态波函数:
()()()()()()()()()()()()()()()[]21-21212
122112211212,1s 1s 1s 1s 1s 1s 10αββαϕϕβϕβϕαϕαϕφ==
近似的基态能量为:
()()()()()()()()()()[]
2
211112212221*
s 1*s 10*0021-21211r -r -21-2
1-21212,12,1E αββαννϕϕϕϕτφφ⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∇∇==⎰⎰d d r Z Z d H s s
通过计算可得:
λ
λλ8
5
2E 20+-=Z
ev u a Z Z E 5.74..85.216
5
00-=-=⇒-
=⇒=∂∂λλ
6 Hartree-Fock 方程(HF 方程)
Hartree-Fock 方程又简称为HF 方程,是一个应用变分法计算多电子体系波函数的方程,是量子化学中最重要的方程之一,基于分子轨道理论的所有量子化学计算方法都是以HF 方程为基础的,鉴于分子轨道理论在现代量子化学中的广泛应用,HF 方程可以被称作现代量子化学的基石。
正则形式的Hartree-Fock 方程为如下形式:
()()()111ˆi i i i
F ψεψ= 其中: ()()()()[]()()()(
)()
()()()∑⎰
⎰⎰∑⎥⎥
⎥
⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢
⎣⎡-+=++≡j i j i j s s j
j j
j
j i d r m m d r h K J h F j i 212
*
212*112122121ˆ1ˆ1ˆ1ˆ1ˆτψψψψδτψψ HF 方程是最佳的等效单电子薛定谔方程,所以借助HF 方程达到了将多电子体系转化为单电子问题处理的目的,使求解多电子薛定谔当成的问题得到了很大的简化。
不过,由于Fock 算符本身依赖于方程的解,所以它实际上是一组非常复杂的非线性积分-微分方程,只能用迭代的方法求解。
当Fock 算符与它的解达到自洽标准时,我们就得到 自洽的等效势场和Hartree-Fock 方程的近似解。
7 结束语
通过本学期对量子化学这门课程的学习,使我更加了解了量子化学在科学研究中的地位和重要作用。
化学可以分为两大部分,即结构化学和反应化学量子化学在结构化学方面的工作贡献较大,它不仅能够解释和确定已知化学物质的结构,并且还可以预言某些未知化学物质的存在,为合成这些东西提供理论指导。