量子化学ORCA基础教程

ORCA软件背景及特点
背景
ORCA是一款广泛应用于量子化学计算的软件，具有高精度、
高效率和高可扩展性等特点。

它提供了丰富的计算方法和模型，
可用于研究分子的结构、性质、反应机理等问题。

特点
ORCA支持多种量子化学计算方法，如密度泛函理论（DFT）、
哈特里-福克方法（HF）、耦合簇理论（CC）等；提供了友好
的用户界面和强大的脚本语言支持，方便用户进行高效计算和
数据分析。

01安装步骤
02
下载ORCA安装包，并解压到
指定目录。

03
配置环境变量，将ORCA的可
执行文件路径添加到PATH中。

0203
运行测试算例，验证安装
是否正确。

注意事项
根据需要安装额外的库和
依赖项。

01
确保计算机满足ORCA的系统要求，包括操作系统、内存、硬盘空间等。

仔细阅读安装指南和用户手册，了解软件的配置
和使用方法。

在安装过程中遇到问题时，可以查看官方文档或
寻求技术支持。

•界面介绍：ORCA的界面包括菜单栏、工具栏、计算窗口和输出窗口等部分。

菜单栏提供了各种计算功能和选项；工具栏提供了常用操作的快捷方式；计算窗口用于设置计算参数和模型；输出窗口显示计算结果和日志信息。

01基本操作
02创建新的计算任务，选择合适的计算方法和模型。

03设置计算参数，如基组、电荷、自旋等。

01
提交计算任务并等待计算结果。

02
查看和分析计算结果，包括分子结构、能量、光谱
等性质。

03
使用脚本语言进行批量计算和数据分析。

01
波函数
描述微观粒子状态的函数，包含了粒子的全部信息。

02
薛定谔方程
描述波函数随时间演化的偏微分
方程，是量子力学的基本方程。

03
定态薛定谔方程
描述粒子在势场中的定态行为，
即粒子能量和波函数不随时间变
化。

波函数与薛定谔方程
03
由原子轨道线性组合而成，描述分子中电子的运动状态。

分子轨道
包括成键轨道、反键轨道和非键轨道等。

分子轨道的类型
遵循洪特规则、泡利不相容原理和能量最低原理。

分子轨道的填充规则
密度泛函
01
以电子密度为变量的函数，用于描述体系的能量和其他性质。

Hohenberg-Kohn定理
02
证明体系的基态能量和性质完全由电子密度决定。

Kohn-Sham方程
03
用于求解密度泛函理论的单电子方程，得到体系的电子密度和能量。

关键字说明及参数设置
关键字
ORCA输入文件中的关键字用于指定计算任务类型、方法、基组等。

常用关键字包括`%method`、`%basis`、`%pal`等。

参数设置
关键字后面通常需要跟随参数设置，如方法类型（DFT、MP2等）、基组类型（STO-3G、6-31G*等）。

参数设置需根据计算需求和资源情况进行合理选择。

直接给出分子的笛卡尔坐标，适用于简单分子或已知构型的情况。

笛卡尔坐标输入
Z-矩阵输入
分子构建工具
通过定义原子间的键长、键角和二面角来描述分子构型，适用于复杂分子或需要优化构型的情况。

利用ORCA 提供的分子构建工具，如`Molecule Builder`，进行分子构型的搭建和输入。

03
02
01
分子构型输入方法
结构优化
寻找分子的最低能量构型，关键字为`%geometry`，配合优化算法（如BFGS ）使用。

能量计算
计算分子的电子能量，关键字为`%energy`。

频率计算
计算分子的振动频率和热力学性质，关键字为`%freq`。

性质计算
计算分子的各种性质，如偶极矩、极化率、红外光谱等，需根据具体性质选择合适的方法和基组。

反应路径搜索
搜索化学反应的过渡态和反应路径，关键字为`%transitionstate`或`%irc`。

任务类型选择与设置
使用ORCA 内置的分子构建工具或外部软件生成初始分子构型文件。

分子构型初始化
选择合适的基组、方法（如DFT 、MP2等）以及收敛标准等参数。

几何优化参数设置
将构型文件和参数文件提交给ORCA 进行计算。

提交几何优化任务
使用ORCA 提供的工具对优化后的分子构型进行可视化，并分析键长、键角等几
何参数。

结果分析与可视化
几何优化计算
频率计算参数设置在几何优化基础上，设置频率计算
相关参数，如基组、方法等。

提交频率计算任务
将构型文件和参数文件提交给ORCA
进行计算。

结果分析与可视化
使用ORCA提供的工具对计算得到的
频率进行可视化，并分析振动模式、
热力学性质（如焓、熵、自由能
等）。

热力学性质预测
基于频率计算结果，利用统计热力
学方法预测不同温度下的热力学性
质。

频率计算与热力学性质预测
反应路径搜索方法：介绍常用的反应路径搜索方法，如NEB（Nudged Elastic Band）方法、Dimer方法
等。

过渡态结构优化参数设置：
选择合适的基组、方法以及
收敛标准等参数，对过渡态
结构进行优化。

提交反应路径搜索与过渡态
结构优化任务：将构型文件
和参数文件提交给ORCA进
行计算。

结果分析与可视化：使用
ORCA提供的工具对搜索得
到的反应路径和过渡态结构
进行可视化，并分析反应过
程中的能量变化、键长键角
变化等。

01020304
05
反应路径搜索与过渡态结构优化
ORCA输出文件通常包含输入文件信息、计算过程信息、结果信息等几个部分。

计算过程信息包括迭代过程、能量收敛
情况等。

输入文件信息包括任务类型、计算模型、基组选择等。

结果信息包括分子结构、能量、频率、电荷分布等。

输出文件结构解析
1 2 3从输出文件中提取结果数据，可以使用文本编辑器或编程脚本语言进行处理。

提取的数据可以包括分子结构坐标、能量、频率、偶极矩等。

对于复杂的数据处理，可以使用Python等编程语言进行自动化处理。

结果数据提取方法
可视化工具介绍及应用
可视化工具可以将计算结果以图形化
的方式展示出来，便于分析和理解。

常用的可视化工具包括GaussView、
VMD、Jmol等。

在ORCA中，可以使用CubeGen工具生成电子密度、分子轨道等立方体文件，再使用可视化工具进行查看和分析。

激发态能量和波函数计算
通过配置相关参数，可以计算分子的激发态能量和波函数，进而
分析激发态的性质。

跃迁偶极矩和振子强度计算
利用ORCA 可以计算跃迁偶极矩和振子强度，用于分析激发态的
光谱性质和发光性质。

激发态结构优化和频率计算
通过激发态结构优化和频率计算，可以研究激发态的几何构型和振
动特性。

激发态性质计算
03
02
01
非共价相互作用分析
相互作用能计算
ORCA可以计算分子间或分子内的非共价相互作用能，如氢键、
范德华力等。

能量分解分析
通过能量分解分析，可以将相互作用能分解为不同的贡献项，如静
电相互作用、极化效应、色散效应等。

非共价相互作用可视化
利用ORCA提供的可视化工具，可以直观地展示非共价相互作用的
类型和强度。

ORCA 支持晶体结构的优化，可以计算晶体的平衡构型和晶格常数。

晶体结构优化
通过晶体电子结构计算，可以研究晶体的能带结构、态密度等电子性质。

晶体电子结构计算
利用周期性边界条件，ORCA 可以模拟晶体的力学性质、热学性质、光学性质等。

晶体性质模拟
周期性体系模拟方法。