量子化学计算方法
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。
3. 第一性原理计算方法（FP）第一性原理计算方法（FP）是一种基于量子力学原理的计算方法。
它不依赖于实验数据，可以对任何化学体系进行完全计算。
相对其他方法，第一性原理计算的结果更真实，尤其是在低温等关键萃取过程中。
但第一性原理计算方法也有一定的缺点，它计算时间较长、计算量大，在处理复杂问题时更容易出现计算误差。
量子化学计算方法
Fˆ
n
d
i
cni
* m
n
d
n
n
令 FˆmHnF
* m
Fˆ nd
;
Smn
* m
n
d
代入前式得
cni (FˆmHnF i Smn ) 0
n
其中 i 1,2, 上面线性方程可写成矩阵形式
FˆC SC
即
(Fˆmn )(cni ) (Smn )(cni )( ij ij )
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。
F'C' C'
解HFR方程：
1. 选择基组
2. 求解hrs Srs 和 (rs|tu)
3. 利用重叠积分Srs，用正交化过程计算矩阵A
4. 初始猜测系数csi : i csi s ，并得到密
度矩阵P
s
5. 计算Fock矩阵元，Frs 6. 计算 F' A*FA 7. 矩阵对角化，得到, C’ 8. 计算系数阵C=AC’ 9. 计算新的密度矩阵P=2CC*
建立在三个近似基础上:
物理化学中的量子化学计算方法
物理化学中的量子化学计算方法近年来，随着计算科学的迅速发展，量子化学计算方法在物理化学领域中扮演着越来越重要的角色。
通过运用量子化学计算方法，我们可以研究物质的结构、性质和反应动力学，为实验提供重要的理论指导。
本文将介绍几种常见的量子化学计算方法及其应用，并探讨其在物理化学中的优势和局限性。
一、基于量子力学的方法在物理化学中，基于量子力学的计算方法是最常用的。
其中，薛定谔方程是解决分子、原子和离子的量子力学问题的基本方程。
然而，由于薛定谔方程的求解困难，科学家们提出了各种近似方法来简化计算。
1. 线性组合全构型法（CI）CI方法是一种基于量子力学的全构型方法，通过构建一个包含各种可能的电子构型的线性组合，来求解体系的波函数。
CI方法在计算分子的电子结构、振动能级和反应动力学等方面具有广泛应用。
2. 密度泛函理论（DFT）DFT方法通过求解电子密度分布的方程，近似计算体系的能量和其他性质。
DFT方法在计算大分子体系和固体材料的能带结构等方面具有重要应用。
3. 配分函数法配分函数法是一种统计力学方法，通过计算系统的配分函数来研究其热力学性质。
配分函数法在计算各种宏观性质，如能量、熵和自由能等方面具有广泛应用。
二、基于量子力学和经典力学相结合的方法基于量子力学和经典力学相结合的方法将量子力学和经典力学的优势相结合，通过描述体系的量子力学和经典力学耦合的过程，来研究复杂体系的性质。
1. 经典轨迹方法经典轨迹方法使用经典力学的数值模拟算法，通过计算分子或原子的轨迹来研究反应动力学和能量转移等过程。
2. 分子力场法分子力场法利用经典势能函数来描述分子的相互作用，通过求解势能函数的极小值来研究分子的结构和性质。
三、量子化学计算方法的应用量子化学计算方法在物理化学中有广泛的应用。
以下是其中几个典型的应用：1. 电子结构计算通过量子化学计算方法，我们可以计算分子的基态和激发态的电子结构，包括电子云分布、电子能级、电离势和亲和势等。
量子化学计算的基本原理和操作步骤
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。
不同的方法有不同的适用范围和精确性。
3.构建计算模型根据研究对象和选择的计算方法，构建相应的计算模型。
包括选择适当的基组、优化分子结构、确定计算参数等。
优化分子结构可以通过几何优化算法来实现。
4.计算体系能量通过求解薛定谔方程或基于密度泛函理论的算法，计算体系的能量和其他性质。
计算量子化学的最新方法
计算量子化学的最新方法随着计算机技术的不断进步，计算量子化学的方法也在不断地更新和发展。
量子化学作为一门研究分子和化学反应的学科，旨在解释和预测分子的结构、性质、反应和谱学等方面，为新材料、新药物和化学反应的设计等提供依据。
本文将介绍一些最新的计算量子化学方法。
1. DFTB方法密度泛函理论（DFT）是量子化学中常用的计算方法之一，它具有计算速度快、可扩展性强等优点。
但是DFT方法在对分子中包含的大量电子进行计算时，计算时间和计算复杂度就会大幅增加。
因此，发展一种基于DFT的计算方法，能够减少计算量和时间，是当下量子化学研究的一个热门方向。
而DFTB（Density Functional Tight Binding）方法就是一种基于DFT理论的快速和简单的计算方法。
它采用了一个紧束缚近似（Tight Binding Approximation），把分子中的电子分为一些局部核心态和一些非局部的价态，并对价态中的电子采用真实的DFT密度泛函作为能量函数。
相对于DFT方法，DFTB方法具有计算速度快，计算复杂度低等优点。
2. MP2方法及其改进Møller – Plesset 2(MP2)是一种广泛使用的从头计算方法，它基于哈特里-福克方程的描述。
在MP2方法中，通过对哈特里-福克算符的展开得到截断级别为二次的微扰项来计算电子关联能。
虽然MP2方法在计算小分子体系的电子关联能方面非常准确，但当分子体系更加复杂时，计算将变得非常困难。
因此，MP2方法的改进也是当前研究的焦点之一。
一些改进的MP2方法如：ER-MP2 (Explicitly Correlated MP2)方法，通过引入相对位置的正则变量，用与距离的一次幂成反比的截断函数，对展开的电子关联能做一个函数拟合，从而提高MP2方法的精度。
3. CCSD（Couple Cluster Singles and Doubles）方法及其改进耦合簇方法（CC）是一个基于波函数理论的计算方法，其核心思想是以一定的方式组合单激发和双激发簇，以描述多电子体系的电子关联效应。
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。
4. 动力学模拟方法动力学模拟方法用来研究分子和原子的动力学行为。
常见的方法有分子动力学模拟、蒙特卡洛模拟等。
它可以模拟分子的结构变化、反应动力学等。
三、量子化学在实际应用中的意义1. 预测和解释化学反应量子化学可以预测和解释化学反应的速率常数、活化能等。
通过计算分子的反应途径和反应路径，可以指导实验设计和反应优化。
量子化学计算方法
量子化学计算方法量子化学计算方法是指利用量子力学原理对分子的结构、性质和反应进行计算和模拟的一种方法。
通过计算，可以得到分子的能量、电子结构、振动频率、反应速率等信息，从而揭示分子的行为和性质。
量子化学计算方法已经成为现代化学研究的重要工具，广泛应用于药物研发、催化剂设计、材料科学等领域。
量子化学计算方法主要包括两类：基于波函数的方法和基于密度的方法。
基于波函数的方法主要是通过求解薛定谔方程来计算分子的波函数和能量。
其中，最常用的方法是从头算法，如Hartree-Fock (HF) 方法和密度泛函理论 (DFT) 方法。
HF 方法是一种较为简单的方法，通过将多电子波函数近似为一个单电子波函数的乘积形式，从而简化了计算。
但是由于HF 方法无法考虑电子间的相关性，其精度有限。
DFT 方法通过引入电荷密度的概念，将多电子系统的描述转化为电荷密度的描述，从而大大提高了计算的效率和精度。
基于密度的方法主要是通过计算分子的电子密度来得到分子的性质。
其中，最常用的方法是密度泛函理论(DFT)方法。
DFT方法通过引入交换-相关泛函来描述电子间的相互作用，从而计算分子的能量和电子结构。
DFT方法具有计算效率高、精度较高的优点，已经成为量子化学计算的主流方法。
此外，还有一些改进的DFT方法，如扩展的DFT方法和半经验的DFT方法等，可以通过引入更多的参数来提高计算的精度。
除了波函数和密度的计算方法外，还有一些其他的量子化学计算方法，如耦合簇方法、多体展开方法和分子动力学方法等。
耦合簇方法是一种高精度的方法，可以考虑电子间的相关性，但计算复杂度较高。
多体展开方法是一种将波函数分解为一组“几何填充”函数的方法，可以通过引入更多的“几何填充”函数来提高计算的精度。
分子动力学方法是一种通过模拟分子的运动来计算分子的性质的方法，可以考虑分子的动力学过程，但计算复杂度较高。
总的来说，量子化学计算方法是一种利用量子力学原理对分子进行计算和模拟的方法。
量子化学的主要计算方法及软件
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。
详细描述
通过计算材料的电子结构、能带结构、光学性质等，可以预测材料的稳定性、 导电性、磁性等性质。这有助于发现新材料、优化现有材料的性能，以及理解 材料在环境中的行为。
药物设计与筛选
总结词
量子化学计算方法在药物设计与筛选中具有广泛应用，能够预测药物与生物大分 子的相互作用，提高药物研发的效率和成功率。
Gaussian具有友好的用户界面 和灵活的输入语法，方便用户 进行各种复杂的量子化学计算 。
Gaussian提供了丰富的功能， 如自动生成初始几何结构、优 化几何构型、频率分析、反应 路径搜索等，可广泛应用于化 学、材料科学、生物学等领域 。
Q-Chem
总结词
Q-Chem是一款高性能的量子化学计 算软件，适用于大规模分子和材料的 模拟。
NWChem
总结词
NWChem是一款开源的量子化 学计算软件，适用于大规模分子
和材料的模拟。
详细描述
NWChem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。
01
03
02 04
总结词
NWChem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。
波恩-奥本海默近似是一种基于经典力学和量子 力学的混合方法，通过将电子运动和原子核运 动分开处理来得到分子的电子结构和性质。
该方法可以计算分子的基态和激发态的电子结 构和性质，以及电子密度、电荷分布等。
波恩-奥本海默近似通常适用于中小规模的分子 体系，计算量相对较小，计算时间较短。
量子化学计算的近似方法
量子化学计算的近似方法量子化学计算是一种基于量子力学原理的计算方法，用于研究分子和反应的性质和行为。
由于精确的量子化学计算通常需要高度复杂的计算，所以在实际应用中常常需要采用一些近似方法来简化计算过程。
本文将介绍几种常用的量子化学计算的近似方法。
1.哈特里-福克(HF)近似方法哈特里-福克(HF)方法是量子化学计算的最基本方法之一、它基于一种称为自洽场(SCF)方法的迭代过程，通过求解分子的单电子哈密顿量来近似求解多电子系统的波函数。
尽管HF方法无法考虑电子相关性，但它在简单分子体系中可以提供较为准确的结果。
2.密度泛函理论(DFT)密度泛函理论(DFT)是一种基于电子密度的量子化学计算方法。
它将体系的能量函数表示为电子密度的函数，并通过最小化能量函数来获得体系的基态电子密度。
DFT方法可以较好地考虑电子相关性，适用于大分子系统的计算。
3.约束稳定性法(QM/MM)约束稳定性法(QM/MM)是一种将量子力学和经典力学相结合的方法。
它将整个分子系统分为量子力学区域和经典力学区域，通过计算量子力学区域的能量和经典力学区域的力来得到体系的总能量。
这种方法可以较好地平衡精确性和计算效率，适用于研究催化反应等复杂体系。
4.多体展开方法(MBPT)多体展开方法(MBPT)是一种将多体问题分解为一系列相互作用的两体问题的方法。
它通过对波函数进行级数展开，将多体相互作用的能量逐步考虑进去。
MBPT方法在电子相关性较强的体系中可以提供更准确的结果，但计算复杂度也更高。
5.组态相互作用方法(CI)组态相互作用方法(CI)是一种将多体波函数表示为一系列组态函数的线性叠加的方法。
它通过考虑不同组态之间的相互作用来考虑电子相关性。
CI方法可以提供较精确的结果，但计算复杂度很高，尤其是在考虑更高级的组态时。
6.分子力场方法(MM)分子力场方法(MM)是一种基于经典力学的方法，通过考虑原子间的相互作用来计算分子的力学和热力学性质。
量子化学计算的基本流程与实践方法
量子化学计算的基本流程与实践方法量子化学计算是一种基于量子力学理论和计算机模拟的方法，用于研究分子和原子的性质和行为。
它可以帮助科学家理解和预测化学反应、材料性质以及生物分子的结构与功能。
量子化学计算在材料科学、药物设计等领域具有广阔的应用前景。
本文将介绍量子化学计算的基本流程和实践方法。
1. 理论基础量子化学计算基于量子力学理论，利用薛定谔方程描述了分子的波函数演化。
通过求解薛定谔方程，可以获得分子的能量、波函数、电子密度等信息。
量子化学计算可以分为两类：基于从头算（ab initio）的计算和基于半经验方法的计算。
前者是完全基于量子力学原理进行计算，而后者则利用一些经验参数和基础假设简化计算。
2. 基本流程量子化学计算的基本流程包括分子几何优化、基组选择、哈特里－福克（HF）计算、密度泛函理论（DFT）计算、分子轨道分析等步骤。
（1）分子几何优化分子几何优化是为了确定分子的最稳定结构，即分子中原子的最佳位置和键长。
分子几何优化可以使用基于梯度的优化算法，如坐标下降法或共轭梯度法。
通过优化分子的几何结构，可以得到分子的电子能量。
（2）基组选择基组是量子力学计算的基础，用于描述单个原子和原子间相互作用。
选择合适的基组对计算结果的准确性至关重要。
常用的基组包括STO-nG、6-31G(d)和cc-pVTZ等。
不同的基组具有不同的精度和计算复杂度，需要根据具体情况进行选择。
（3）HF计算哈特里－福克方法是一种常见的从头算方法，基于单电子近似和双电子积分计算电子能量。
HF方法通过迭代求解薛定谔方程的自洽场得到分子的电子能量。
然而，HF方法只能处理弱相互作用的分子，对含有强电子相关性的体系效果较差。
（4）DFT计算密度泛函理论是一种基于电子密度的方法，可以处理含有强电子相关性的分子。
DFT方法通过最小化系统的总能量来求解分子的电子结构和性质。
常用的DFT方法包括B3LYP、PBE和TPSS等。
DFT方法相对于HF方法计算速度更快，适用于大分子和复杂体系的计算。
量子化学计算方法
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和计算方法的不断改进，量子化学计算将继续在化学、材料和生命科学等领域发挥重要作用。
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。
RHF 方程闭壳层体系是指体系中所有的电子均按自旋相反的方式配对充满某些壳层（壳层指一个分子能级或能量相同的即简并的两个分子能级）。
《量子化学计算方法》课件
密度。
电子态的计算
03
根据总能量和电子密度，计算分子的电子态和轨道波函数等信
息。
分子光谱的计算
跃迁能级的计算
利用电子态的信息，计算分子中电子的跃迁能级。
光谱强度的计算
根据跃迁能级和波函数等信息，计算光谱强度，以模拟分子的光谱 实验结果。
光谱模拟与实验结果的对比
将计算得到的光谱强度与实验结果进行对比，评估量子化学计算方 法的准确性和可靠性。
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）。
《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。
密度泛函理论
一种基于电子密度而非波函数 的计算方法，能够更准确地描 述电子相关效应和强关联体系 。
路径积分分子动力学
一种将量子力学和分子动力学 结合的方法，用于模拟分子的
动态行为和反应过程。
量子化学计算方法的优缺点
优点
能够准确描述分子和材料的电子结构 和性质；可用于研究复杂体系的化学 反应和动态过程；有助于理解实验现 象和预测新材料的性质。
量子化学计算的方法与技巧总结
量子化学计算的方法与技巧总结量子化学计算是一种利用量子力学原理对原子、分子和材料进行计算模拟和预测的方法。
它在材料科学、药物研发、催化剂设计等领域具有广泛的应用。
本文将对量子化学计算的方法与技巧进行总结，以帮助读者更好地理解和应用该方法。
一、基本原理与理论基础量子化学计算基于量子力学原理，使用薛定谔方程描述系统的波函数演化。
这个方程是一个含有多个变量的偏微分方程，求解波函数的行为是计算中的核心任务。
常用的求解方法包括哈特利-福克方程、变分法、常微分方程数值求解等。
在进行量子化学计算前，需要建立模型和选择适当的物理模拟方法，如确定分子结构、选择合适的基组、处理电子关联效应等。
二、计算方法1.分子结构优化分子结构优化是指通过数值方法确定分子在几何结构和电子态方面的最稳定状态。
常用的方法有力场方法、密度泛函理论（DFT）、Hartree-Fock（HF）方法等。
力场方法的优点是速度快，但对于描述化学键性质等量化性质有限。
DFT方法以电子数密度为变量进行计算，较准确地描述了分子的电子性质和结构特征。
HF方法是一种近似方法，用于求解分子能量和波函数，适用于简单的体系。
2.基组选择基组是描述分子的基本数学函数集合，它决定了量子化学计算的准确性。
常用的基组包括收缩基、扩展基和高斯基组。
收缩基为每个原子提供一组函数，其中包含与该原子关联电子的信息；扩展基通过向收缩基组添加坐标来提高精度；高斯基组是一种利用高斯函数来表示电子波函数的方法，它具有灵活性和高精度。
3.能垒计算能垒计算是计算反应速率倒数的方法。
它是通过计算系统在反应路径上的各个构型的势能曲线来实现的。
常见的方法包括近似势能表达式法、自由能表达式法和振动性质法。
近似势能表达式法基于简化的势能函数来计算反应的能垒；自由能表达式法基于热力学性质计算反应的能垒；振动性质法通过计算反应物和产物之间的动力学性质来计算反应速率。
三、技巧和注意事项1.合理使用密度泛函理论DFT方法是描述电子体系的重要方法之一。
量子化学计算
量子化学计算在深入研究材料科学的过程中，我们有时需要解决一些传统方法无法处理的复杂问题。
在这些情况下，量子化学计算成为了一种强大的工具。
量子化学计算是一种使用量子力学原理来模拟和预测化学反应和物质性质的方法。
它可以帮助我们理解并预测分子的行为，以及它们之间的相互作用。
这种计算方法在研究复杂的化学反应、设计新的材料和药物，以及优化材料性能等方面具有广泛的应用。
量子化学计算的基础是使用哈特里-福克方程来描述电子的行为。
哈特里-福克方程是一个二阶微分方程，它描述了电子波函数的演化。
通过使用高性能计算机和先进的算法，我们可以求解这个方程，并预测分子的结构和化学反应的能量。
除了预测分子的结构和化学反应的能量，量子化学计算还可以用于研究材料的电子结构和磁学性质。
这些性质对于理解材料的物理和化学性能至关重要，并且可以用于设计新的材料和药物。
量子化学计算还可以用于优化材料的性能。
通过模拟材料在不同条件下的行为，我们可以预测材料的稳定性和性能，并优化其结构以实现更好的性能。
这种方法可以帮助我们设计出更高效的太阳能电池、更耐热的材料和更有效的药物等。
虽然量子化学计算是一种强大的工具，但它也有一些限制。
例如，对于非常大的分子和材料，求解哈特里-福克方程需要大量的计算资源和时间。
由于量子力学的不确定性原理，计算结果可能存在一定的误差。
尽管如此，随着计算机技术的不断进步和算法的改进，量子化学计算的性能也在不断提高。
量子化学计算是一种强大的工具，可以用于研究复杂的化学反应、设计新的材料和药物，以及优化材料性能等方面。
随着技术的进步和应用领域的扩大，这种计算方法在未来的材料科学研究中将发挥越来越重要的作用。
量子化学是一种使用量子力学原理研究化学问题的科学方法。
在量子化学中，使用计算方法来模拟和预测分子的结构和性质是核心组成部分。
以下是几种在量子化学计算中常用的理论方法。
哈特里-福克方程是描述多电子系统波函数的方程。
这个方程考虑到了电子间的相互作用，因此对于理解和预测化学反应中的电子行为非常重要。
量子计算机 计算化学算法
量子计算机计算化学算法
量子计算机可以在化学计算中发挥重要作用，因为化学过程实际上是由量子力学规律控制的。
因此，量子计算机具有处理化学系统的能力，能够执行化学计算，模拟分子行为和分析反应机制。
将量子计算机与化学相结合，有望解决目前不可解决的化学问题，例如设计更高效的催化剂和药物。
以下是一些常用的量子计算化学算法：
1. 基态搜索算法：用于计算分子基态能量和波函数，以及预测化学反应的限制和动力学。
2. 变分量子本征算法：用于寻找分子基态和激发态能量及波函数，以及核-云耦合的描述。
3. 相关单参加速算法：用于计算分子相互作用能，并且能够有效地处理大分子和反应热力学。
4. 量子相互作用算法：用于计算部分摩尔热的分子动力学，并且是一种快速计算分子能量表面的方法。
5. 声子的量子模拟算法：用于将分子振动模式和能量传输与实验相一致。
这些算法可以在处理化学问题时发挥重要作用，并且随着量子计算机的发展，将
有望提供一些前所未有的解决方案。
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简
介
量子化学软件目的在于将量子化学复杂计算
过程程序化，从而便于人们的使用、提高计算
效率并具有较强的普适性。
绝多数量子化学程序是采用Fortran语言编
写的(Fortran 77或Fortran 90)，通常由上万行
语句组成。
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 基于半经验或分子力学方法 MOPAC、EHMO、NNEW3等 有限尺度体系(分子、簇合物等) Gaussian、ADF、Dalton、 Gamess、MOPAC、EHMO等 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
该命令也可用于同一台计算机不同用户之间的文件 传输
(11) vi－文本编辑命令 该命令常用但较为复杂，它有2种模式：命令模式和插入 模式，二者之间关系为： i Esc command mode insert mode command mode 在命令模式下，可实现以下功能及其对应按键： delete a character: x delete a line: dd search a string : /(向后) ?(向前) save the change: :w save the change and quit: :wq quite without saving : :q! page down: Ctrl+d page up: Ctrl+u go to file end: shift+g go to n line: :n
软件分类
研究对象
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 有限体系，除了部分稀土和放射性元素外，它可 处理周期表中其它元素形成的各种化合物； Crystal 98/03： 该软件由意大利都灵大学理论化学研究所开发， 采用基于原子轨道线性组合的从头算方法来研究 固体及表面的电子结构； VASP: 该软件由奥地利维也纳大学开发，采用基于平面波 基组的密度泛函理论来研究固体及表面的构型以及 动力学过程； CASTEP： MS软件模块之一，与VASP程序类似； Dmol: MS软件模块之一，主要用于有限尺度体系电子结 构研究；
b.编写或打开g03输入文件
点击RUN，并给定输出 文件名后开始运行
c.g03运行过程的控制：
不要随意点击！
最上行按钮的功能从左至右依次为： 开始运行g03；暂停进程；运行至下一模块(link)时暂停进程； 重新启动进程；清除进程(停止运算)；编辑批作业；运行完 当前任务后，暂停批作业；停止批作业的运算；观看计算结 果；打开文本编辑器；
c.设置环境变量，以c shell为例，在用户根目录下的.cshrc文件 添加下列内容：(也可在执行g03前逐条运行) setenv g03root /home/$USER(设置g03所在目录，根据实际情况修改) source $g03root/g03/bsd/g03.login(激活g03运行时所需环境变量) setenv GAUSS_SCRDIR /home/$USER/g03_tmp(设置临时目录) 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
计算过程
1.文 献 调 研 2.确 定 计 算 目 的 3.计 算 模 型 的 构 造 4.计 算 方 法 和 程 序 的 选 取 5.计 算 结 果 的 分 析 和 整 理
当前的研究状况，包括实验和理 论研究现状、已解决和尚未解决 的问题 采用理论方法要解决的问题
化合物构型的确定，具体途径 包括：利用实验测定结果、或 者采用软件进行构造等
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：Linux系统下字符是大小写区分的
(2)cp－复制文件命令，相当于DOS下的copy命令: cp -rf
(3)mkdir－创建目录，相当于DOS下的md命令：
(4)rm－删除文件或目录，相当于DOS下的del命令： 删除文件
d. 运行g03过程： (1)编写输入文件： 用vi命令编写或在Windows下编写完毕后ftp至Linux系统； vi test.gjf (2)运行g03： g03<输入文件名>输出文件名& 例：g03 < test.gjf > test.out & 说明：1)末尾的&符号表示将作业提交到后台计算，否则 在用户退出Linux时，作业将终止； 2)若运行g03出错，请检查环境变量是否设置正确， 尤其是用户权限上的问题； c.观看计算结果： 使用vi命令，或采用tail命令跟踪计算输出： tail -f 输出文件名 d.运行过程的控制： 采用top命令观察g03运行到那个模块； 通过renice命令改变进程的优先级来调整g03的运行速度；
Gaussian03程序的使用
G03的安装和运行； G03的功能和程序结构； 输入文件的编写与主要功能的使用； 补充说明；
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： 例如： gunzip g03.linux.tar.gz b.若G03是打包的(文件结尾为tar)，用tar命令将其释放： 例如： tar xvf g03.linux.tar ab两步合成一步方法： tar zxvf g03.linux.tar.gz
计算作业提交过程：
a. 用户登录网关－通过SSH远程登录软件实现
SSH软件(SSHSecureShellClient-3.2.9.exe)可从网络上免费 下载，安装过程与通常软件安装类似。安装完毕后，设置 网关外部网的IP地址以及账号名即可使用。
点击Profiles设置IP地址及用户名
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
根据现有的计算条件、模型的大 小以及所要解决的问题，选择可 行的计算方法和相应程序
对计算结果进行加工和提取有用 的信息，一般包括构型描述、 能量分析、轨道组成、电荷和成 键分析等，并与实验结果比较
计算模型和方法的选取是保证计算结果可靠性的关键， 理想的情况是：1.所选取的计算模型与实际情形一致；2.采用 高级别的计算方法。但是，由于受到计算软硬件的限制，在多数 情况下，很难同时做到上述两点要求，实际操作中，当计算模 型较大时，只能选择精确度较低的计算方法，只有对较小的模 型才能选取高级的计算方法。 因此，当确定了一种计算模型和方法后，最好对其进行验证， 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 的研究：如对A1, A2, A3，先用大模型和基组对A1进行研究， 然后以该结果为参照，确定计算量适中的模型和方法并应用 于A1,A2,A3。
删除目录
(5)top－显示当前进程和CPU以及内存使用情况
(6)kill－终止某个进程，格式为：kill PID号 (PID号由top命令可得，受权限限制) (7)renice－调整某个进程优先级，格式为：renice 级别 PID号 (级别为0~19整数，数值越大优先级越低) renice 19 79
课堂练习: 1. 安装G03 Linux版本 2. 采用vi命令编辑Gaussian输入文件，具体内容如下： %mem=32mb #p b3lyp/6-311++G** opt
(12) tar－文件打包命令(适用文件扩展名为tar) 该命令用于多个文件/目录的打包或解包，常用格式有： 文件打包：tar cvf 要打包成的文件名 要打包的文件 例：tar cvf model.tar * 生成 model.tar文件 解包： tar xvf 要解包的文件名 例：tar xvf model.tar (13) gzip/gunzip－文件压缩/解压命令(文件扩展名为gz) 例：gzip model.tar 生成 model.tar.gz 文件 gunzip model.tar.gz 生产model.tar文件 (14) du—察看当前目录所占硬盘空间大小(类似命令df) 例：du –h df –h (察看硬盘各分区大小)
(8) cat－显示文件内容，格式为：cat 文件名 (9) grep－一般用于从某个或多个文件中搜索某串字符， 格式为：grep ―字符串” 文件名 例：grep ―F=‖ vasp.out (10)scp－用于网关与内部网内各计算节点或外部网络之间 的文件传输 格式为： • 从其它到网关： scp 文件 用户名@网关IP:目录 例：scp vasp.out zyf@zyf-2400:~/trans • 从网关到其它： scp 用户名@网关IP:目录/文件名 目标目录 例：scp zyf@zyf-2400:~/trans/vasp.out .
量子化学计算方法
章永凡