第一性原理计算原理和方法

第二章 计算方法及其基本原理介绍

化学反应的本质就是旧键的断裂与新建的形成,参与成键原子的电子壳层重新组合就是导致生成稳定多原子化学键的明显特征。因此阐述化学键的理论应当描写电子壳层的相互作用与重排,借助求解满足适当的Schrodinger 方程的波函数描写分子中电子分布的量子力学,为解决这一问题提供了一般的方法,然而,对于一些实际的体系,不引入一些近似,就不可能求解其Schrodinger 方程。这些近似使一般量子力学方程简化为现代电子计算机可以求解的方程。这些近似与关于分子波函数的方程形成计算量子化学的数学基础。

2、1 SCF-MO 方法的基本原理

分子轨道的自洽场计算方法

(SCF-MO)就是各种计算方法的理论基础与核心部分,因此在介绍本文计算工作所用方法之前,有必要对其关键的部分作一

简要阐述。

2、1、1 Schrodinger 方程及一些基本近似 为了后面介绍各种具体在自洽场分子轨道(SCF MO)方法方便,这里将主要阐明用于本文量子化学计算的一些重要的基本近似,给出SCF MO 方法的一些基本方程,并对这些方程作简略说明,因为在大量的文献与教材中对这些方程已有系统的推导与阐述

[1-5]。

确定任何一个分子的可能稳定状态的电子结构与性质,在非相对论近似下,须求解

R AB =R 图2-1分子体系的坐标

定态Schrodinger 方程

''12121212122ψψT p B A q p A p pA A pq AB B A p A A A E R Z r R Z Z M =⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣

⎡-++∇-∇-∑∑∑∑∑∑≠≠ (2、1) 其中分子波函数依赖于电子与原子核的坐标,Hamilton 算符包含了电子p 的动能与电子p 与q 的静电排斥算符,

∑∑≠+∇-=p q p pq

p e r H 12121ˆ2 (2、2)

以及原子核的动能

∑∇-=A A A

N M H 2121ˆ (2、3)

与电子与核的相互作用及核排斥能

∑∑≠+-=p A B A AB B A pA

A eN R Z Z r Z H ,21ˆ (2、4)

式中Z A 与M A 就是原子核A 的电荷与质量,r pq =|r p -r q |,r pA =|r p -R A |与R AB =|R A -R B |分别就是电子p 与q 、核A 与电子p 及核A 与B 间的距离(均以原子单位表示之)。上述分子坐标系如图2、1所示。可以用V(R,r)代表(2、2)－(2、4)式中所有位能项之与 ∑∑∑-+=

≠≠p A pA

A B A q p pq AB B A r Z r R Z Z r R V ,12121),( (2、5)

原子单位

上述的Schrodinger 方程与Hamilton 算符就是以原子单位表示的,这样表示的优点在于简化书写型式与避免不必要的常数重复计算。在原子单位的表示中,长度的原子单位就是Bohr 半径

A == 52917725.042220e

m h a e π 能量就是以Hartree 为单位,它定义为相距1Bohr 的两个电子间的库仑排斥作用能

2

1a e Hartree = 质量则以电子制单位表示之,即定义m e =1 。

Born-Oppenheimer 近似

可以把分子的Schrodinger 方程(2、1)改写为如下形式

''),(212122ψψT p p A A A E r R V M =⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+∇-∇-∑∑ (2、6)

由于组成分子的原子核质量比电子质量大103倍～105倍,因而分子中电子运动的速度比原子核快得多,核运动平均速度比电子小千倍,从而在求解电子运动问题时允许把电子运动独立于核运动,即认为原子核的运动不影响电子状态。这就就是求解(2、1)式的第一个近似,被称作Born-Oppenheimer 近似或绝热近似。假定分子的波函数Ψ′可以确定为电子运动与核运动波函数的乘积

)(),(),(r Φr R r R ψψ=' (2、7)

其中Ф(R )只与核坐标有关,代入方程(2、2)有

ΦE Φr R V ΦΦM ΦM ΦM T A p p A A A A A A A

A A ψψψψψψ=+∇-∇-∇⋅∇-∇-∑∑∑∑),(2

121121222 对于通常的分子,依据Born-Oppenheimer 原理有:∇A Ψ与∇A 2Ψ都很小,同时M A ≈103～105,从而上述方程中的第二项与第三项可以略去,于就是

ΦE r R V ΦΦM T p p A A A ψψψψ=+∇-∇-∑∑)],(2

1[2122

易知

)(/)],(21[/)21(22R E r R V ΦΦM E p

p A A A T =+∇+∇+∑∑ψψ 也即该方程可以分离变量而成为两个方程

ψψψ)(),(212R E r R V p

p =+∇-∑ (2、8) ΦE ΦR E ΦM T A p A

=+∇-∑)(212 (2、9) 方程(2、8)为在某种固定核位置时电子体系运动方程,而方程(2、8)时核的运动方程。E (R )固定核时体系的电子能量,但在核运动方程中它又就是核运动的位能。此时分子总能量用E T 代表。

因此,在Born-Oppenheimer 近似下,分子体系波函数为两个波函数的乘积(2、7)式。分子中电子运动波函数Ф(R )分别由(2、8)与(2、9)式确定。电子能量E (R )为分子的核坐标的函数,从(2、9)式瞧出它又就是核运动的位能。在空间画出E (R )随R 的变化关系称为位能图。

单电子近似

体系的电子与核运动分离后,计算分子的电子波函数Ψ归结为求解下面的方程

ψψE r Z r p p A pA A q p pq p =⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡-+∇-∑∑∑≠'12121,2 (2、10) (2、10)式就是量子化学的基本方程,目前已有多种求解这个方程的方法。这些方法的区别首先就是构成Ψ的方式及其相应的近似。

最常用的就是Hartree 建议的单电子近似［6］。在多电子体系中,所有电子势相互作用的,其中任意电子运动依赖于其它电子的运动。Hartree 建议把所有电子对于每个个别电子运动的影响代换成某中有效场的作用。于就是每个电子在核电荷及其余电子