分子动力学结果分析演示文稿

物性参量可以根据原子的坐标和速度通过统计处理得出 ， 在统计物理 中可以利用系综微观量的统计平均值来计算物性参量值 ， 即
在分子动力学中 ， 使用了时间平均等于系统平均的各态历经假设 ， 即
虽然各态历经假设在热力学统计物理中没有证明 ， 但它的正确性已被 实验结果证明是正确的.
温度 T
在正则系综 （NVT ）中 ， 体系的温度为一常数 ； 然而在微正则系综 中 ， 温度将发生涨落。温度是体系最基本的热力学量 ， 它直接与系 统的动能有关 ， 即

热力学性质
比热容的计算
在相变时 ， 比热容会呈现与温度相关的特征（对一级相变点 ， 比热容呈 现无限大 ； 对二级相变点 ， 比热容呈现不连续变化） ， 因此监控比热 容随温度的变化可以帮助探测到相变的发生。
NVT NPT
1 关联函数
动力学性质
假设有两套数据 x 和 y ， 要确定它们之间在一定条件下的关联。 以定义很多关联函数 ， 最普遍使用的为
归一化的速度自关联函数为
2 输运性质
输运性质是指物质从一个区域流动到另一个区域的现象 ， 比如非平衡溶质分 布的溶液 ， 溶质原子会发生扩散直到溶质浓度均匀。如果体系存在温度梯度 ， 就会发生能量输运直到温度达到平衡 ， 动量梯度产生粘滞性。 输运意味着体 系处于非平衡态 。
扩散的通量用 Fick 第一定律来描述 ， 即
pi 为质量 mi 粒子的总动量 ， N 为粒子总数 ， NC 为系统的受限制的 自由度数目 ， 通常 NC＝ ３ 。
能量
体系的热力学能可以很容易通过体系能量的系综平均得到 ， 即
压力 P
压力通常通过虚功原理模拟得到。虚功定义为所有粒子坐标与作用在 粒子上的力的乘积的和 ， 通常写为
式中 xi 为原子的坐标 ， 是动量沿坐标方向对时间的一阶导 数（根据牛顿定律 ， 为力） 。 虚功原理给出虚功等于 －３NkB T。
Jz 为物质的通量— 单位时间通过单位面积的物质的量 ， D为扩散系数 ， N 为粒子数密度（单位体积的数目） ， 负号表示物质是从浓度高的区 域向浓度低的区域扩散。
扩散行为随时间的演化由 Fick 第二定律来描述 ， 即
A 为样品的截面积 ， N０ 为 t ＝ ０ 时在 z ＝ ０ 处的粒子数。 上式是 一高斯函数 ， 在 z ＝ ０处有一尖锐的峰 ， 随时间的增长 ， 峰逐渐抹 平。
分子动力学模拟可以提供特定时刻的值 ， 这样使得我们可以计算一个时刻 的物理量与同一时刻或另一时刻（时间 t以后）的另一物理量的关联函数 ， 这个值被称为时间关联系数 ， 关联函数可以写为
上式用到了 lim t → ０ 时 ， Cxy （０） ＝ 枙 x y枛和 lim t → ∞ 时 ， Cxy （t） ＝ x y
静态结构因子
静态结构因子（static structure factor）也是判断结构无序程度的物理量。 它的表示式为
N 代表原子总数 ， K为倒格矢 ， rj 为原子 j 的位置矢量 。 对理想晶体 而言 ， 其静态结构因子为１ ， 而对理想流体 ， 则为０ 。 静态结构因 子在研究晶体的熔化与相变的研究中很有用。
如果x和y是不同的物理量 ， 则关联函数称为交叉关联函数（crosscorrelation function) 如果x和y是同一量 ， 则关联函数称为自关联函数（autocorrelation function） 。
自关联函数就是一个量对先前的值的记忆程度 ， 或者反过来说 ， 就是 系统需要多长时间忘记先前的值。 一个简单例子是速度自关联函数意义 就是０ 时刻的速度与时刻 t的速度关联程度。 一些关联函数可以通过系 统内所有粒子求平均得到 ， 而另外一些关联函数是整个系统粒子的函 数。 速度自关联函数可以通过模拟过程对 N 个原子求平均得到 ， 即
σ２为方差 ，
标准偏差为方差的平方根。
微观领域往往研究单个粒子的行为 ， 宏观性质是大量粒子的综合行为。 分子动力学（MD）方法能够再现宏观行为 ， 同时又存储了大量的微观信 息 ， 因此是联系宏观和微观的重要工具。 利用此方法可以研究由热力学 统计物理能够给出的各种性能参数。 统计力学将系统的微观量与宏观量通 过统计物理联系起来。
当模拟的材料为纯的材料时 ， 扩散系数被称为自扩散系数。 扩散系数与 平均平方位移有关。由爱因斯坦关系知 ， 平均平方位移等于 ２Dt ， 在 三维情况下 ，
Slope here gives D
r2
t
r2(t) N 1 ri2(t)
剪切粘滞系数
如果单位体积的粒子数为 ρ ０ ， 则在半径 r到 r ＋ δr的球壳内的总粒子 数为 ４πρ ０ r２δr ， 因此体积元中原子数随 r２变化。
径向分布函数 g（r）是距离一个原子为 r时找到另一个原子的概率 ， g （r）是一个量纲为 １的量。 如果在半径 r到 r ＋ δr的球壳内的粒子数为 n（r） ， 由此可以得到径向分布函数 g（r）为
实际体系的虚功为理想气体的虚功与粒子之间相互作用部分的虚功 的和 ， 即
Structural properties:
径向分布函数
径向分布函数（radial distribution function）是描述系统结构的很有用的 方法 ， 特别是对于液体。 考虑一个以选定的原子为中心 ， 半径为 r ， 厚度为 δr的球壳 ， 它的体积为
分子动力学结果分析演示文稿
１ 平均值
模拟产生大量的数据 ， 对这些数据的分析可以得到相关的性质。 计算机 模拟必定会产生误差 ， 必须对误差进行计算和评价。 计算机模拟的结果与实验一样存在两类误差 ： 系统误差和统计误差。 系 统误差有时是由于在模拟中采用了不合适的算法或势函数 ， 容易被发现 ； 系统误差也可能是在模拟中使用了不相关近似（有限差分方法的使用、计 算机的精度）造成的 ， 这些误差不容易发现。 探测系统误差的一种方法 是观测一个简单热力学量的平均值及其分布。这些热力学量关于平均值的 分布应该是高斯分布 ， 即发现一个特定值 A 的几率为