量子化学计算方法-完整版本
量子化学计算方法 HF, MP2, DFT
E(2)
同样,
ψ ( 0 ) | ( H 0 − E ( 0) ) | ψ ( 2 ) = ψ ( 0 ) | ( E (1) − V ) | ψ (1) + E ( 2 ) ψ ( 0 ) | ψ ( 0)
⇒ E ( 2 ) = ψ ( 0 ) | (V − E (1) ) | ψ (1) = ψ ( 0) | V | ψ (1)
i i
上面方程有非零解的条件,是下列久期行列 式为零: i
′ Fµν − ε iδν = 0
从这个久期行列式可以求出一系列能量本征值, 将其代入Rothaan方程,就可以解出一组系数 {cni},从而属于本征能量εi的分子轨道就得到了。
求解Roothaan方程的困难
困难: 1. 非线性二次方程组,要用自洽的方法求 解 2. 计算矩阵元时要计算大量的积分,积分 的数量与方程阶数n的4次方成正比;尤其 是这些积分一般都是较难处理的多中心积 分。
⋮ 1 ψ (r ) = n! φ1 (ri )α (i ) φ1 (ri )β (i ) ⋯ φ n (ri )α (i ) φ n (ri )β (i ) 2 2 ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋯ ⋮ ⋮ ⋯
2 2
⋮
φ1 (rn )α (n ) φ1 (rn )β (n )⋯φ n (rn )α (n ) φ n (rn )β (n )
H µν = ∫ φµ (r1 )(−∇ − ∑
* 2 1 p =1
A
2Z p rip
)φν (r1 )dr1
动能积分 核吸引积分
Fock矩阵
(µν | λσ ) = ∫ φµ* (r1 )φν (r1 ) 2 φλ* (r2 )φσ (r2 )dr1dr2
r12
量子化学计算方法
量子化学计算方法
有一种常见的方法叫从头算方法。
这个名字听起来就很厉害,就好像是从最最开始的地方,完全依靠量子力学的基本原理来进行计算。
它不依赖什么实验数据,就自己靠着那些复杂的数学公式和物理概念来算出分子的各种性质,像分子的结构呀,能量呀之类的。
不过呢,这方法计算起来可费劲啦,就像一个超级复杂的拼图,要一块一块小心翼翼地拼好。
半经验方法就相对轻松一点啦。
它呀,会引入一些经验参数,就像是找了一些小捷径。
因为有了这些经验参数的帮忙,计算速度就会快很多。
但是呢,它的准确性可能就没有从头算方法那么高啦,就像你抄近路可能会错过一些小风景一样。
不过在处理一些比较大的分子体系的时候,半经验方法还是很有用的,就像一个得力的小助手。
密度泛函理论(DFT)也是量子化学计算里的大明星呢!这个理论把电子密度作为基本变量,而不是像传统方法那样主要关注波函数。
这就好比是换了一个新的视角来看问题。
它的计算效率还挺高的,而且在很多情况下都能给出比较准确的结果。
好多研究分子结构、化学反应的科学家都特别喜欢用密度泛函理论,感觉就像是找到了一个宝藏工具。
还有分子力学方法。
这个方法更侧重于从经典力学的角度来处理分子。
它把分子看成是由一些小球(原子)和弹簧(化学键)组成的模型。
这种方法计算起来超级快,对于研究大分子体系的一些宏观性质特别有用。
不过它对于那些涉及到电子结构变化的问题就有点力不从心啦,就像一个擅长短跑的选手去参加长跑比赛一样。
计算化学4-量子化学计算方法-从头算
例如常用的6-31G基函数(或称基组) 第一个数字6表示用6个Gauss型函数逼近内层 的一个Slater轨道,数字31意思是用3个Gauss 型函数逼近STO内轨,另用一个Gauss型函数拟 合STO外轨。 还可以在双ζ基的基础上,在增加极化函数来描 述原子轨道。如用p型函数描述s轨道的极化,用 d型函数描述p轨道的极化。这就是6-31G(d)(或 6-31G*)和6-31G(d,p) (或6-31G**)
从头计算重要性
量子化学从头计算方法是各种计算方法中最可 靠、最严格的、最有前途的计算方法,占有主 导地位。它可以获得相当高的精度,达到所谓 的化学精度。—每摩尔偏差数千焦,甚至超过 目前实验水平所能达到的精度。因此,从头计 算方法被誉为“特殊的实验”,不仅为理论化 学家,而且也逐渐为实验化学家所重视。
量子力学理论bornoppenheimer近似非相对论近似单电子近似hartreefock从头算scfabinitio密度hf耦合电子对相互作用ci微扰处理多组态价电子从头算模拟从头算分子碎片法梯度近似浮动球高斯法局域密度从头算法abinitio独立电子对第一原理计算所谓从头算其核心就是求解hartreefockroothaan方程计算是建立在三个近似的基础上的除此之外不借助于任何参数因此取名从头abinitio拉丁slater型函数适于描述电子云的分布通常在半经验算法中采用
在实际计算中,往往需要采用多个Slater型函 数(亦称Slater型轨道,简称STO)拟合一个原 子轨道来提高计算精度。 使用两个Slater函数来描述一个原子轨道时,该基函 数叫双ζ基。此时若再采用多个Gauss函数来拟合一个 双 STO时就涉及计算效率的问题 ,通常的做法是采用 分裂价基来考虑,即对内层轨道用一个Slater轨道来 分裂价基 拟合原子轨道,价轨道则用2个Slater轨道来拟合,其 中一个Slater轨道称为内轨,另一个称为外轨 。
量子化学计算方法 HF, MP2, DFT
(1) as s H 0 s Es s
s
E(2)
根据前面,可以得到:
H0 E0 1 (E1 V ) 0 H0 E0 as s (E1 V ) 0
s
与任意代换波函数t做内积如下:
t | H0 E0 | as s t | (E1 V ) | 0
s
as t | H0 E0 | s E1 t | 0 t | V | 0 s
as t | H0 | s t | E0 | s E1 t | 0 t | V | 0
s
E(2)
只有当s=t时,上式非零,所以:
at (Et E(0) ) t | V | (0)
1
n! 1ri i
2
1ri i
n ri i
2
2
n ri i
2
1rn n 1rn n n rn n n rn n
2
2
基函数与基组
N
i Ci Ci dp g p
1
p
Ci为分子轨道展开系数,χm为任意基函数,i为任意分
子轨道.
变分原理
Hartree-Fock理论根据变分原理,得出准确的波函数 的基态能量低于其它任意反对称正交归一化的函数 的基态(X)能量:
量子化学计算方法: HF, MP2, DFT
武传杰 2004.12.26.
Schrödinger方程
电子的波粒二象性与Schrödinger波动方程
h2
8 2m
2
V
Y
r, t
i
Y r,t
t
如果Y与时间无关,则可以分离变量:
Y (r,t) eiEt / (r)
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。
量子化学计算方法 HF, MP2, DFTppt课件
求解Roothaan方程的困难
困难: 1. 非线性二次方程组,要用自洽的方法求 解 2. 计算矩阵元时要计算大量的积分,积分 的数量与方程阶数n的4次方成正比;尤其 是这些积分一般都是较难处理的多中心积 分。
13
从头计算与SCF方法
14
Hartree-Fock的一些基本性质
等效的单电子的Schrödinger方程 Hartree-Fock方程的解不是唯一的 Hartree-Fock方程的解构成正交归一的完
全函数集合;占据轨道和非占据轨道是两 个正交的子空间 Hartree-Fock方程有电子的Fermi相关,没 有考虑电子的Coulomb相关。
15
组态相互作用(CI)法处理电 子相关问题(post-SCF method)
)
(r1)dr1
动能积分 核吸引积分
10
Fock矩阵
|
*
(r1 )
(r1)
2 r12
* (r2 )
(r2 )dr1dr2
|
*
(r1 )
(r1)
2 r12
* (r2 )
(r2 )dr1dr2
库仑积分 交换积分
P是密度矩阵,定义为:
oc c upie d
P 2
c*i ci
i 1
5
分子轨道
Hartree Product是不充分的波函数. 分子轨道波函 数正交归一.
r 1r12 r2 n rn
考虑自旋相关(以闭壳层为例)
1, 0
11rr21
1 2
22rr21
1 2
n r1 1 n2r2 2
n r1 1 n2r2 2
1_量子化学计算方法简介
• 量子化学方法的局限性:对象为平衡态、单分子
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2013-8-10
分子模拟将原子、分子按经典粒子处理,可提供 微观结构、运动过程以及它们与宏观性质相关的 数据和直观图象
结果精度取决于所采用的粒子间作用势的 合理、精确程度。又称为“计算机实验”, 是理论与真实实验之间的桥梁
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2013-8-10
分子力学法(MM)用于预测大分子的几何构型,其势 函数可用于分子动力学模拟(MD)
原理
• •
原子视为经典粒子,原子间作用力用经验势函数 表示 体系的平衡几何结构由能量最低原理确定
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2013-8-10
作用在粒子上的瞬时合力
•
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2013-8-10
MD处理用于单个分子 (无周期边界)
• 用途 — 预测:
⑴ 复杂有机分子可能的稳定异构体 ⑵ 分子量和元素成分已确定的未知化合物的可能分子 结构
• 办法 :
⑴ 将分子用计算机“加热”至高温(~1000K)例 ⑵ 进行“逐步退火” MD 计算,在不同温度下取样作 为初始构型 ⑶ 用 MM 法作构型优化
经典模型的局限 — 未涉及化学行为的物理本质
化合物的性质 电子结构
化学反应 核与电子运动状态的变化
•
伴随有电子跃迁、转移、变价的过程,经典的分子模 拟不能处理
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2013-8-10
几种半经验方法(Semi-empirical)
• 1、HMO (Hü ckel Mocular Orbital) 30年代
量子化学计算方法
cr*j
csj
* r
s
j 1
r 1 s1 j 1
bb
2
Prs
* r
s
r 1 s1
FC SCε F'C' C'ε
如果基组不是正交归一的
如果基组是正交归一的
C AC' FAC' SAC' ε AFAC' ASAC' ε
寻找酉阵A,使得 I=A+SA
第三章 量子化学计算方法
3.1 引言 3.2 从头计算(ab intio method) 3.3 半经验的近似计算法
3.4 多重散射X方法
3.5 密度泛函理论(DFT)及其计算方法
3.1 引言
量子化学计算的基础就是解电子运动的 Schrödinger方程,通过对原子和分子的核外电 子运动的了解,进一步了解分子的结构、电荷 分布,原子间结合能,结构与性质的关系,一 直接到反映途径(核运动规律)的研究。
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。
*
(2)u
r12
(2)
d
2
r (1) Jˆ j (1)s (1)
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。
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- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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;
计算过程
左侧至上而下依次为:默认的文本编辑器;g03可执行文件所在目录; 计算中间结果存放目录;缺省的计算结果存储目录;缺省的输入文件 所在目录;PDB分子构型浏览器; 右侧至上而下依次为:设置显示属性(如背景色等);设置文本编辑器 属性;计算过程控制属性(尤其是批作业过程);Default.Rou文件的编 辑(该文件内容为默认情况下,计算所花费的内存及硬盘大小)
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;
软件分类
研究对象
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
本研究室目前常用的量化软件:
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 命令更改权限,将所安装的g03对所有用户开放。
2.G03程序的运行:
(1).对Windows平台: a.对于刚安装好的g03,先检查环境设置情况:
需设置正确, 否则运行将出错!
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
1 .文 献 调 研
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
2 .确 定 计 算 目 的 Nhomakorabea采用理论方法要解决的问题
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
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
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。
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
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
量子化学计算方法
课程主要内容
一、有限尺度体系(分子、团簇等)电子结构计算 方法-G03程序的使用
二、无限周期体系(一维链状化合物、二维层状 化合物或固体表面、三维固体体相)电子结 构计算方法-VASP/CASTEP程序的使用
主要参考资料: G03用户手册或G03的帮助文件 VASP程序用户手册
相应网址:
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。
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;