量子化学计算

物理化学专业博士研究生课程

教学大纲

课程名称：量子化学计算（Computational Quantum Chemistry）

课程编号：B07030411

学分：3

总学时数：72

开课学期：第2学期

考核方式：学习论文

课程说明：（课程性质、地位及要求的描述）。

《量子化学计算》是在学习了《结构化学》、《量子化学》之后，为物理化学专业博士研究生开设的一门方向课，在每学年第二学期讲授。

如果说《结构化学》、《量子化学》还有更多的抽象，那么《量子化学计算》则直接对各研究体系进行可与实验对比的计算机模拟。近二十年来，随着计算机硬件和软件水平的迅速发展，计算化学已成为理论化学的重要分支，主要通过量子化学方法、分子力学方法以及分子动力学模拟来解决与化学相关的问题。目前，计算化学已广泛应用于化学及相关交叉学科的各个领域，迅速成为定量预测分子的结构、性质以及反应性能的有力工具。

本课程计划安排72个学时。采用授课与上机演习相结合的教学方法，使学生在较短时间内掌握当今国际流行的常用计算软件的原理、使用方法及技巧，着重培养同学们解决化学实际问题的能力。要求同学们通过本课程的学习，能对计算化学的原理和方法有一个初步的了解，并能够在化学合成、反应机理、生物、材料等各个领域中得到应用。

教学内容、要求及学时分配：

第一章绪论

内容：

1.1量子力学历史背景 1.221世纪的理论化学计算机模拟

要求：了解量子化学的背景知识、国际国内发展现状及其未来方向学时：4

第二章从头计算法的基本原理和概念

内容：

2.1量子力学基本假设2.2定态近似

2.3从头计算法的“头”

2.4自洽场方法2.5变分法和LCAO-MO近似

2.6量子化学中的一些基本原理和

概念

2.7量子化学中的基本近似

要求：了解从头计算法的基础知识、计算化学中的一些基本原理、概念和近似。

学时：12

第三章布居分析和基组专题

内容：

3.1布居分析 3.2基组专题

要求：理解基组概念及选择的原则，掌握布居分析的计算方法和基组的计数，了解Mulliken布居分析的优缺点及改进的思路。

学时：6

第四章计算方法简介

内容：

4.1半经验方法

4.2HF方法

4.3Post-HF方法

4.4DFT方法

4.5SCF-X 方法

4.6精确模型化学理论方法——Gn

和CBS

4.7赝势价轨道从头计算法

4.8激发态的计算——CIS和CAS 4.9溶剂效应

4.10分子力学和分子动力学基础

要求：了解一些常用计算方法的基本原理及优缺点，重点掌握AM1、INDO、MNDO/PM3、HF、MP、CI、CC、DFT、CAS、溶剂效应等方法的原理，掌握选择计算方法的思路和原则。

学时：16

第五章常用量子化学软件介绍内容：

5.1Gaussian程序5.2Chemoffice程序5.3Gaussview程序5.4Xian-CI程序

要求：掌握Gaussian、Chem3D、ChemDraw、Gaussview等程序的使用，能熟练运用Gaussian程序进行一些量化计算，了解Xian-CI程序。

学时：4

第六章量子化学对分子结构与性质的计算

内容：

6.1理论基础简述——势能面、过渡

态理论、频率计算及热力学校正、

IRC分析、Hammond假设

6.2常用的热力学计算及性质分析

要求：掌握本章各理论基础，能对常用的热力学数据和性质进行理论计算。学时：4

第七章量子化学计算的一般步骤及技巧

内容：

7.1稳定点的优化——OPT

7.2过渡态的搜寻——QST、TS 7.3过渡态的确证——IRC 7.4势能面的扫描——Scan

要求：掌握量子化学计算的一般步骤和常用的技巧，熟练掌握各关键词的使用。学时：4

第八章势能面的构建

内容：

8.1反应通道的设计——原子分子

反应静力学

8.2势能面数据点的计算原则

8.3数据点的高级计算方法——

MRCISD

8.4势能面的性质8.5势能面的拟合

要求：掌握构建势能面的一般思路和方法、势能面的性质及拟合原则，理解原子分子反应静力学，了解MRCISD方法。

学时：8

第九章量子化学计算实例

内容：

9.1小分子反应机理的理论预测9.2C/C复合材料碳源前驱体的裂解9.3有机染料的光谱计算9.4配合物的性质计算

9.5煤自燃反应的模拟

9.6三/四原子体系势能面的构建

要求：选择讲解一些量子化学计算的实例以扩大学生眼界，要求学生掌握其选题依据、输入输出文件的读取、如何成文和讨论等思路。

学时：14

教材或主要参考书目：

1，量子化学基本原理和从头计算法，徐光宪、黎乐民著，科学出版社，1980

2，现代量子化学计算方法，王志中编著，吉林大学出版社，1998

3，H3O+(T)的完整势能面计算及空穴-粒子对应在MRCISD中的应用，翟高红，西北大学博士论文，2003

4，量子化学从头计算方法，廖沐真、吴国是、刘洪霖编著，清华大学出版社，1984

5，X 方法的理论和应用，潘毓刚等著，科学出版社，1987

6，密度泛函理论的离散变分方法在化学和材料物理学中的应用，肖慎修、王崇愚、陈天朗著，科学出版社，1998

7，Gaussian 03, Revision A.1, M. J. Frisch, G. W. Trucks, J. A. Pople, et al., Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 2003.

（大纲起草人：翟高红大纲审定人：薛岗林）