量子化学的主要计算方法及软件
化学物理学中的量子化学计算方法
化学物理学中的量子化学计算方法量子化学计算方法在现代化学物理学领域中得到了广泛的应用，它们通过模拟分子的量子力学行为来预测其各种性质。
在本文中，我们将探讨几种常见的量子化学计算方法，并介绍它们的优缺点。
1. 分子轨道方法（MO）分子轨道方法是一种较为传统的量子化学计算方法。
它是由 H.F. Danian和 R. S. Mulliken 开发的，主要通过数学方法来描述分子的电子结构和反应性质。
分子轨道方法的核心思想是基于分子轨道理论，将由分子内电子的原子轨道线性组合（LCAO）得到分子轨道。
一般情况下，分子轨道与原子轨道的线性组合是根据哈密顿量进行的线性组合，再用量子化学算法处理。
分子轨道方法的优点是其基于一种可视，简化的模型，能够很好地预测分子各种性质，如结构、振动频率、离子化能、化学反应机理等。
然而，分子轨道方法也有其缺点，它对大型体系较差，对于存在多个等价的结构，则需要用多重方法进行计算，这使得计算大型分子的计算时间和计算资源消耗都较大。
2. 密度泛函方法（DFT）密度泛函理论是在密度泛函方法（DFT）的基础上发展的，它是一种基于能量泛函的电子结构计算方法。
与分子轨道方法不同，密度泛函方法不关注电子的轨道，而是以电子密度为基础，描述化学反应的机理。
密度泛函方法的优点是其对大型分子的计算较为准确，其计算速度比分子轨道方法快。
此外，密度泛函方法对于某些化学反应及其器件的模拟也更加准确。
但密度泛函方法也存在一些缺点，它对于某些特定类型的分子结构，如杂环分子、金属配合物和化学键的缺陷部分计算结果较差。
3. 第一性原理计算方法（FP）第一性原理计算方法（FP）是一种基于量子力学原理的计算方法。
它不依赖于实验数据，可以对任何化学体系进行完全计算。
相对其他方法，第一性原理计算的结果更真实，尤其是在低温等关键萃取过程中。
但第一性原理计算方法也有一定的缺点，它计算时间较长、计算量大，在处理复杂问题时更容易出现计算误差。
量子化学模拟的实验操作指南
量子化学模拟的实验操作指南量子力学是计算化学中的一门重要学科，它通过解析性或计算性的方法，研究分子和原子的性质，以及化学反应的机理。
量子化学模拟是一种基于量子力学原理的计算方法，可以预测化学反应速率、反应路径、电荷分布等重要的化学性质。
本文将为您提供量子化学模拟的实验操作指南，以帮助您更好地进行相关的研究工作。
实验准备在进行量子化学模拟实验之前，您需要准备以下材料和软件：1. 一台电脑：量子化学模拟需要大量的计算资源，因此一台性能较好的电脑是必须的。
2. 量子化学软件：常见的量子化学软件包括Gaussian、GAMESS、NWChem等。
您可以根据自己的需要选择合适的软件。
3. 分子结构文件：您需要准备待模拟的分子的结构文件，通常为XYZ、PDB、MOL格式等。
这些文件可以通过实验或其他理论模拟得到。
4. 初始参数：对于某些计算方法，您可能需要提供一些初始参数，例如基组、波函数的形式等。
这些信息可以在文献中找到。
实验步骤1. 软件安装和配置：首先，您需要将量子化学软件安装到您的电脑上。
安装过程通常比较简单，您只需要按照软件提供的安装向导进行操作即可。
安装完成后，您还需要配置一些软件的参数，例如计算资源的使用、文件输入输出路径等。
2. 导入分子结构文件：打开量子化学软件，在软件界面中导入您准备好的分子结构文件。
确保文件格式正确，软件能够正确读取到分子的几何结构信息。
3. 选择计算方法：选择适合您研究对象的计算方法。
在量子化学软件中，提供了各种不同的计算方法，例如密度泛函理论（DFT）、哈特里-福克方法（HF）等。
您可以根据您的需求和研究目标，选择合适的计算方法。
4. 设置计算参数：根据所选的计算方法，设置合适的计算参数。
例如，对于密度泛函理论，您需要选择适当的密度泛函和基组；对于哈特里-福克方法，您需要选择合适的基组和波函数形式等。
在设置参数时，您可以参考相关的文献和先前的研究成果。
5. 运行计算：设置完计算参数后，您可以运行计算。
量子化学计算的基本原理和操作步骤
量子化学计算的基本原理和操作步骤量子化学计算是一种借助于量子力学原理和计算机技术进行分子和原子的性质计算的方法。
它在大分子、催化剂设计、材料科学等领域具有重要的应用价值。
本文将介绍量子化学计算的基本原理和操作步骤。
一、基本原理1.量子力学原理量子力学是描述微观领域中粒子行为的物理理论。
在量子力学中，粒子的状态由波函数表示，波函数满足薛定谔方程。
量子化学计算利用波函数来描述分子和原子的状态，通过求解薛定谔方程得到它们的能量、结构和性质等信息。
2.哈密顿算符哈密顿算符是量子力学描述体系能量的算符。
量子化学计算中，通过构建分子或原子的哈密顿算符来描述它们的能量变化。
哈密顿算符包含了分子或原子的动能和势能项，通过求解哈密顿方程得到体系的波函数和能谱。
3.基组与基函数基组是一组用来展开波函数的基函数集合。
在量子化学计算中，常用的基组包括杜-汉特、高斯基组等。
基组的选择对计算结果的精确性和计算效率有着重要影响。
更大的基组可以提高计算精度，但也会增加计算复杂度。
4.密度泛函理论密度泛函理论是一种在量子化学计算中广泛应用的方法。
它通过电子密度来描述分子和原子的性质。
密度泛函理论基于基态电子密度确定了能量泛函，并通过最小化能量泛函来求解系统的基态能量和电子密度。
二、操作步骤1.确定研究对象量子化学计算可以用来研究分子、原子以及其间的相互作用。
首先需要确定研究对象，对于复杂的体系可以通过分子建模软件构建其结构。
2.选择计算方法根据研究对象的特点和目的，选择合适的计算方法。
常用的量子化学计算方法包括密度泛函理论、哈特里-福克方法、多配置自洽场方法等。
不同的方法有不同的适用范围和精确性。
3.构建计算模型根据研究对象和选择的计算方法，构建相应的计算模型。
包括选择适当的基组、优化分子结构、确定计算参数等。
优化分子结构可以通过几何优化算法来实现。
4.计算体系能量通过求解薛定谔方程或基于密度泛函理论的算法，计算体系的能量和其他性质。
计算量子化学的最新方法
计算量子化学的最新方法随着计算机技术的不断进步，计算量子化学的方法也在不断地更新和发展。
量子化学作为一门研究分子和化学反应的学科，旨在解释和预测分子的结构、性质、反应和谱学等方面，为新材料、新药物和化学反应的设计等提供依据。
本文将介绍一些最新的计算量子化学方法。
1. DFTB方法密度泛函理论（DFT）是量子化学中常用的计算方法之一，它具有计算速度快、可扩展性强等优点。
但是DFT方法在对分子中包含的大量电子进行计算时，计算时间和计算复杂度就会大幅增加。
因此，发展一种基于DFT的计算方法，能够减少计算量和时间，是当下量子化学研究的一个热门方向。
而DFTB（Density Functional Tight Binding）方法就是一种基于DFT理论的快速和简单的计算方法。
它采用了一个紧束缚近似（Tight Binding Approximation），把分子中的电子分为一些局部核心态和一些非局部的价态，并对价态中的电子采用真实的DFT密度泛函作为能量函数。
相对于DFT方法，DFTB方法具有计算速度快，计算复杂度低等优点。
2. MP2方法及其改进Møller – Plesset 2(MP2)是一种广泛使用的从头计算方法，它基于哈特里-福克方程的描述。
在MP2方法中，通过对哈特里-福克算符的展开得到截断级别为二次的微扰项来计算电子关联能。
虽然MP2方法在计算小分子体系的电子关联能方面非常准确，但当分子体系更加复杂时，计算将变得非常困难。
因此，MP2方法的改进也是当前研究的焦点之一。
一些改进的MP2方法如：ER-MP2 (Explicitly Correlated MP2)方法，通过引入相对位置的正则变量，用与距离的一次幂成反比的截断函数，对展开的电子关联能做一个函数拟合，从而提高MP2方法的精度。
3. CCSD（Couple Cluster Singles and Doubles）方法及其改进耦合簇方法（CC）是一个基于波函数理论的计算方法，其核心思想是以一定的方式组合单激发和双激发簇，以描述多电子体系的电子关联效应。
量子化学的基本原理和计算方法
量子化学的基本原理和计算方法量子化学（Quantum Chemistry）是应用量子力学原理和方法研究分子和原子体系的学科。
它揭示了分子和原子的结构、性质和反应机制，为材料科学、生物化学、环境科学等领域的研究提供了基础。
本文将介绍量子化学的基本原理和计算方法。
一、量子化学的基本原理1. 波粒二象性量子化学的起点是波粒二象性原理。
根据波粒二象性，光既可以表现为波，也可以表现为粒子（光子）。
类似地，电子也表现出波粒二象性。
2. 薛定谔方程薛定谔方程是描述量子体系的基本方程，它由Schrödinger提出。
薛定谔方程可以得到体系的波函数，从而揭示体系的能量和性质。
3. 波函数波函数是描述量子体系的数学函数，它包含了体系的全部信息。
根据波函数，可以计算体系的性质，如能量、电荷分布等。
4. 经典力学与量子力学的区别经典力学和量子力学描述了不同尺度下的物理现象。
在经典力学中，物体的位置和动量可以同时确定，而在量子力学中，由于不确定原理的存在，不能同时确定一个粒子的位置和动量。
二、量子化学的计算方法1. 基组理论基组是用来近似描述分子的波函数的一组基函数。
常用的基组有Slater基组、Gaussian基组等。
通过多个基函数的线性组合，可以得到较准确的波函数。
2. 近似方法由于薛定谔方程的求解往往困难，常用的方法是采用近似求解。
常见的近似方法有哈特里-福克方法、密度泛函理论等。
3. 分子轨道理论分子轨道理论是一种近似描述分子波函数的方法，它将分子波函数表示为原子轨道的线性组合。
通过计算得到分子的轨道能级和轨道系数，进而得到各种性质。
4. 动力学模拟方法动力学模拟方法用来研究分子和原子的动力学行为。
常见的方法有分子动力学模拟、蒙特卡洛模拟等。
它可以模拟分子的结构变化、反应动力学等。
三、量子化学在实际应用中的意义1. 预测和解释化学反应量子化学可以预测和解释化学反应的速率常数、活化能等。
通过计算分子的反应途径和反应路径，可以指导实验设计和反应优化。
量子化学计算方法HFMP2DFT
量子化学计算方法HFMP2DFT量子化学计算方法是一种基于量子力学原理的计算方法，用于研究分子和化学反应。
其中，HF (Hartree-Fock)、MP2 (Møller-Plesset 2nd order perturbation) 和 DFT (Density Functional Theory) 是常用的量子化学计算方法。
以下是对这三种方法的详细介绍。
HF方法是一种基于非相对论量子力学的近似方法，它将多电子波函数用一系列单电子波函数的乘积形式表示。
HF方法通过最小化哈密顿量的期望值来得到波函数的最佳近似。
HF方法的优点是计算速度较快，适用于中小型分子体系。
然而，HF方法忽略了电子相关性的贡献，因此在描述强关联体系时可能不准确。
MP2方法是一种基于微扰论的方法，通过对HF波函数进行二阶微扰展开来考虑电子相关性。
MP2方法通过计算电子相关能的修正来提高HF波函数的精确度。
相比于HF方法，MP2方法能够更好地描述分子间相互作用和电子相关性。
然而，MP2方法的计算复杂度较高，适用于中等大小的分子体系。
DFT方法是一种基于密度泛函理论的方法，它通过电子密度来描述系统的性质和行为。
DFT方法通过最小化总能量的泛函来得到系统的基态电子密度分布。
DFT方法的优点是可以同时考虑电子相关性和强关联效应，因此适用于各种分子体系的计算。
然而，DFT方法的精确性依赖于所采用的密度泛函的选择，选择不当可能导致不准确的结果。
综上所述，HF、MP2和DFT是常用的量子化学计算方法。
HF方法适用于中小型分子体系，计算速度较快；MP2方法能够更好地描述电子相关性，适用于中等大小的分子体系；DFT方法能够同时考虑电子相关性和强关联效应，适用于各种分子体系的计算。
在实际应用中，根据具体的研究对象和研究目的，选择合适的方法进行计算，以获得准确的结果。
量子化学-3.1
Value
0.001235
Threshold
0.000450
Converged?
NO
RMS
Force
0.000234
0.103483
0.000300
0.001800
YES
NO
Maximum Displacement
RMS
Displacement
0.012763
0.001200
NO
Maximum Force：力的收敛标准是0.00045；
• 势能面把能量与分子的每个何结构联系起来 • 这对应于在解分子体系的Schrö dinger 方程时采用了
Born-Oppenheimer近似
• 因此, 势能面是Born-Oppenheimer（核固定）近似的必然结果
对于体系的最小点或鞍点，其能量的一阶导（也就是梯度） 为零。所有成功的优化都会找到一个极小点。
RMS Force：力的均方根的收敛标准为0.0003;
Maximum Displacement：位移的收敛标准为0.0018； RMS Displacement：位移均方根的收敛标准是0.0012。
例：乙烷的优化（计算执行路径行：# B3LYP/6-31G* Opt）
输出结果的解释：
2.3.2 频率计算（Freq）
2.3.3 单点算（SP Calculation）
单点能计算是指在给定的构型上计算分子的能量和相关性质 （包括电荷密度、偶极距和分子轨道等）。和频率计算不同 的是，单点能计算可以在由较低级别计算得到的优化构型上 进行更高级别的能量计算。
C (6-31G**)
I (Lanl2DZ)
PhI (6-311++G**-lanl2dz)
量子化学计算方法
量子化学计算方法量子化学计算方法是指利用量子力学原理对分子的结构、性质和反应进行计算和模拟的一种方法。
通过计算，可以得到分子的能量、电子结构、振动频率、反应速率等信息，从而揭示分子的行为和性质。
量子化学计算方法已经成为现代化学研究的重要工具，广泛应用于药物研发、催化剂设计、材料科学等领域。
量子化学计算方法主要包括两类：基于波函数的方法和基于密度的方法。
基于波函数的方法主要是通过求解薛定谔方程来计算分子的波函数和能量。
其中，最常用的方法是从头算法，如Hartree-Fock (HF) 方法和密度泛函理论 (DFT) 方法。
HF 方法是一种较为简单的方法，通过将多电子波函数近似为一个单电子波函数的乘积形式，从而简化了计算。
但是由于HF 方法无法考虑电子间的相关性，其精度有限。
DFT 方法通过引入电荷密度的概念，将多电子系统的描述转化为电荷密度的描述，从而大大提高了计算的效率和精度。
基于密度的方法主要是通过计算分子的电子密度来得到分子的性质。
其中，最常用的方法是密度泛函理论(DFT)方法。
DFT方法通过引入交换-相关泛函来描述电子间的相互作用，从而计算分子的能量和电子结构。
DFT方法具有计算效率高、精度较高的优点，已经成为量子化学计算的主流方法。
此外，还有一些改进的DFT方法，如扩展的DFT方法和半经验的DFT方法等，可以通过引入更多的参数来提高计算的精度。
除了波函数和密度的计算方法外，还有一些其他的量子化学计算方法，如耦合簇方法、多体展开方法和分子动力学方法等。
耦合簇方法是一种高精度的方法，可以考虑电子间的相关性，但计算复杂度较高。
多体展开方法是一种将波函数分解为一组“几何填充”函数的方法，可以通过引入更多的“几何填充”函数来提高计算的精度。
分子动力学方法是一种通过模拟分子的运动来计算分子的性质的方法，可以考虑分子的动力学过程，但计算复杂度较高。
总的来说，量子化学计算方法是一种利用量子力学原理对分子进行计算和模拟的方法。
化学键的键能和键长的计算和实验测定方法及键的强度
化学键的键能和键长的计算和实验测定方法及键的强度化学键是物质分子中原子之间的相互作用力，是物质结构稳定性的基础。
键能和键长是描述化学键特性的重要参数，对于理解物质性质和化学反应机理具有重要意义。
本文将介绍化学键键能和键长的计算和实验测定方法，并探讨键的强度与键能的关系。
一、化学键键能的计算方法及实验测定方法1. 量子化学计算方法量子化学计算方法是一种基于量子力学理论的理论计算方法，通过求解薛定谔方程，可以得到分子的分子轨道、电子态密度和键能等参数。
常用的计算软件包包括Gaussian、GAMESS、NWChem等。
2. 基于分子力学理论的计算方法分子力学理论是一种简化的量子化学计算方法，通过假设分子是由原子和键组成的弹性体系，忽略电子结构的详细信息，从而简化计算过程。
常用的分子力学软件包包括CHARMM、AMBER、GROMACS 等。
3. 实验测定方法实验测定方法主要包括光谱方法和热化学方法。
光谱方法包括红外光谱（IR）、核磁共振（NMR）和拉曼光谱等，通过分析分子振动频率和化学位移等参数，可以推导出键的强度和键长。
热化学方法则是通过对化学反应热的测定，从而推导出化学键的键能。
二、化学键键长的计算方法及实验测定方法1. 计算方法计算化学方法可以通过量子化学计算软件包中的分子轨道理论或分子力学模拟方法来预测键长。
对于小分子而言，量子化学计算方法能够给出精确的键长，但对于大分子而言，分子力学方法更为适用。
2. 实验测定方法实验测定方法主要包括X射线晶体学、中子散射和电子衍射方法等。
这些方法可以通过分析晶体结构来测定分子中的化学键长度。
三、键的强度与键能的关系键的强度与键能有密切的关系。
一般情况下，键的强度与键能成正比，即键能越大，键的强度越强，反之亦然。
键的强度可以通过键能来进行定量描述。
当化合物发生化学反应时，反应的进行受键的强度的限制。
强键的断裂需要提供更多的能量，因此在反应中更不容易发生。
在同一种原子组成的键中，键能和键长之间存在一定的关系。
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
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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。
Gaussi an 量子化学计算技术与应用
Gaussi an 量子化学计算技术与应用Gaussian 是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可研究诸如分子轨道，结构优化，过渡态搜索，热力学性质，偶极矩和多极矩，电子密度和电势，极化率和超极化率，红外和拉曼光谱，NMR，垂直电离能和电子亲合能，化学反应机理，势能曲面和激发能 QM/MM 计算等化学领域的许多课题。
应用非常广泛，而且易于上手。
一、理论计算化学理论及相关程序入门1 理论计算化学简介1.1 理论计算化学概述1.2 HF理论及后HF方法(高精度量化方法)1.3 密度泛函理论和方法1.4 不同理论计算方法的优缺点及初步选择1.5 基组及如何初步选择基组2 Gaussian安装及GaussView安装及基本操作2.1 Gaussian安装及设置（Win版和Linux版）2.2 GaussView安装及设置2.3 GaussView使用及结构构建3 Linux、Vi编辑器等及Gaussian基本介绍3.1 学习Linux基本命令及Vi编辑器3.2 详细认识输入文件和输出文件（Win和Linux）3.3 构建Gaussian输入文件并提交任务二、Gaussian专题操作及计算实例4 Gaussian专题操作Ⅰ：（均含操作实例）4.1 结构几何优化及稳定性初判4.2 单点能（能量）的计算及如何取值4.3 开壳层与闭壳层计算4.4 频率计算及振动分析(Freq)4.5 原子受力计算及分析（Force）4.6 溶剂模型设置及计算（Solvent）5 Gaussian专题操作Ⅱ：（均含操作实例）5.1 分子轨道、轨道能级计算及查看5.2 HOMO/LUMO图的绘制5.3 布居数分析、偶极矩等计算及查看5.4 电子密度、静电势计算及绘制（SCF、ESP）5.5 自然键轨道分析（NBO）三、 Gaussian进阶操作及计算实例6 Gaussian进阶操作I：势能面相关（均含操作实例）6.1 势能面扫描 (PES)6.2 过渡态搜索（TS和QTS）6.3 反应路径IRC等6.4 反应能垒：熵，焓，自由能等7 Gaussian进阶操作II：——各类光谱计算及绘制（均含操作实例）7.1 紫外吸收，荧光和磷光7.2 红外光谱IR7.3 拉曼光谱RAMAN7.4 核磁共振谱NMR7.5 电子/振动圆二色谱（ECD/VCD）7.6 外加电场与磁场(Field)8 Gaussian进阶操作III：——激发态专题8.1 垂直激发能与绝热激发能8.2 垂直电离能与电子亲和能8.3 重整化能（重组能）8.4 激发态势能面8.5 激发态能量转移（EET）8.6 自然跃迁轨道（NTO）8.7 激发态计算方法讨论9 Gaussian进阶操作IV：——高精度和多尺度计算方法9.1 多参考态(CASSCF)方法及操作9.2 背景电荷法9.3 ONIOM方法与QM/MM方法及操作9.4 结合能（ Binding Energy ）和相互作用能（包含BSSE 修正，色散修正等）9.5 非平衡溶剂效应及其修正四、 Gaussian计算专题与实践应用10 Gaussian综合专题I：Gaussian报错及其解决方案10.1 如何查看报错及解决Gaussian常见报错10.2 专项：SCF不收敛解决方案10.3 专项：几何优化不收敛（势能面扫描不收敛）解决方案10.4 专项：消除虚频等解决方案10.5 专项：波函数稳定性解决方案11 Gaussian综合专题II：常用密度泛函和基组分类、特点及选择问题11.1 Jacobi之梯下的交换相关能量泛函11.2 常见交换相关泛函优缺点及用法11.3 长程修正泛函、色散修正泛函等11.4 常见基组特点及用法选择（自定义基组等，基组重叠误差等）12 Gaussian文献I: 聚集诱导荧光（AIE）和激发态分子内质子转移（ESIPT）12.1 聚集诱导荧光(AIE)与聚集诱导猝灭（ACQ）12.2 激发态质子转移ESIPT12.3 晶体结构及分子建模12.4 QM/MM与ONIOM计算12.5 重整化能，圆锥交叉及质子转移(文献：Dyes and Pigments Volume 204, August 2022, 110396 )13 Gaussian文献专题II: 热激活延迟荧光(TADF)13.1 热激活延迟荧光TADF机理13.2 分子内能量转移Jablonski图13.3 旋轨耦合与各类激发能13.4 辐射速率、非辐射速率、（反）系间穿越等13.5 评估荧光效率（文献： ACS Materials Lett. 2022, 4, 3, 487–496 ）14 其他量化软件简介及总结Molcas/Molpro, Q-chem, lammps, Momap, ADF, Gromacs等详情：【腾讯文档】Gaussian量子化学、LAMMPS分子动力学课程。
量子化学计算的基本流程与实践方法
量子化学计算的基本流程与实践方法量子化学计算是一种基于量子力学理论和计算机模拟的方法，用于研究分子和原子的性质和行为。
它可以帮助科学家理解和预测化学反应、材料性质以及生物分子的结构与功能。
量子化学计算在材料科学、药物设计等领域具有广阔的应用前景。
本文将介绍量子化学计算的基本流程和实践方法。
1. 理论基础量子化学计算基于量子力学理论，利用薛定谔方程描述了分子的波函数演化。
通过求解薛定谔方程，可以获得分子的能量、波函数、电子密度等信息。
量子化学计算可以分为两类：基于从头算（ab initio）的计算和基于半经验方法的计算。
前者是完全基于量子力学原理进行计算，而后者则利用一些经验参数和基础假设简化计算。
2. 基本流程量子化学计算的基本流程包括分子几何优化、基组选择、哈特里－福克（HF）计算、密度泛函理论（DFT）计算、分子轨道分析等步骤。
（1）分子几何优化分子几何优化是为了确定分子的最稳定结构，即分子中原子的最佳位置和键长。
分子几何优化可以使用基于梯度的优化算法，如坐标下降法或共轭梯度法。
通过优化分子的几何结构，可以得到分子的电子能量。
（2）基组选择基组是量子力学计算的基础，用于描述单个原子和原子间相互作用。
选择合适的基组对计算结果的准确性至关重要。
常用的基组包括STO-nG、6-31G(d)和cc-pVTZ等。
不同的基组具有不同的精度和计算复杂度，需要根据具体情况进行选择。
（3）HF计算哈特里－福克方法是一种常见的从头算方法，基于单电子近似和双电子积分计算电子能量。
HF方法通过迭代求解薛定谔方程的自洽场得到分子的电子能量。
然而，HF方法只能处理弱相互作用的分子，对含有强电子相关性的体系效果较差。
（4）DFT计算密度泛函理论是一种基于电子密度的方法，可以处理含有强电子相关性的分子。
DFT方法通过最小化系统的总能量来求解分子的电子结构和性质。
常用的DFT方法包括B3LYP、PBE和TPSS等。
DFT方法相对于HF方法计算速度更快，适用于大分子和复杂体系的计算。
《量子化学计算软件HyperChem程序及其应用》
HyperChem 程序及其应用一、HyperChem 程序的运行环境HyperChem 程序包，用C++写源程序，具有工作站、微机等不同的版本，作为教学示例，我们向大家介绍适用于微机运行的程序版本。
可以通过网络选购HyperChem程序包，也可以免费下载演示版本以供学习只用，现在该公司提供的最新版本为V6.0。
该公司的网址为：该公司与98年诺贝尔奖金得主Pople的关系可以参看其网页有关介绍。
1、软件环境Windows95、Windows98或Windows2000系统。
2、硬件环境486以上的微机，内存应在8M以上，硬盘至少有32M以上自由空间。
为了能够以最佳方式显示分子图像，最好有VGA以上显示器。
3、程序安装使用该程序应注意程序版权（注册）。
安装程序默认子目录为：C:\hyper6安装完成后，该目录可以看到如下文件，其中，绿色烧杯为执行程序图标。
有关该程序的使用说明、参考手册等全套文档均可免费获得。
二、程序基本使用方法我们以演示版本为例，说明该程序的基本使用方法。
1、启动程序在屏幕上，双击绿色烧杯可以得到如下画面：点击 Try进入工作区窗口窗口各部分功能简介标题名称：最大、最小化、退出按钮菜单条：FILE、EDIT、BUILD、SELECT、DISPLAY、DATABASE、SETUP 、COMPUTE、CANCEL、SCRIPT、HELP工具条：工作区：状态行：2、打开已存在的数据文件File-OpenDisplay- Labels可以选择原子、化学键等标记方式：Dispay-RenderingRenderings-BallsRendering—Balls and Cylinders3、建立计算分子的数据文件以丁二烯为例：选择Build-Default Element可以显示指定元素的基本性质：选择绘图工具后，得到碳碳骨架。
左键、右键增减键序把2D骨架转换为3D图像Select选定原子后，状态行提示原子标号、坐标等结构信息。
量子化学计算方法
量子化学计算方法最常用的量子化学计算方法是基于密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）的方法。
DFT是一种基于电子密度的近似方法，可以比较准确地计算原子和分子的结构和能量。
它将电子系统的能量表示为电子密度的函数，并通过最小化总能量来确定系统的平衡结构。
由于DFT计算的复杂性较低，因此成为量子化学计算的主流方法。
除了DFT，还存在一些其他的量子化学计算方法，如Hartree-Fock方法（HF）、耦合簇方法（CC）和多配置自洽场方法（MCSCF），它们可以用于处理一些特殊的问题和体系，如过渡金属催化反应和量子化学动力学等。
这些方法在原子、分子和固体材料的性质预测中发挥着重要的作用。
量子化学计算在多个领域有广泛的应用。
在药物研发领域，可以通过计算方法预测分子的活性和药效，从而为新药的设计提供指导。
在材料科学领域，可以通过计算材料的能带结构、电子态密度和光学性质等信息，来指导新材料的开发和设计。
此外，在环境科学、催化化学和生物化学等领域，量子化学计算也被广泛应用于理论模拟和机理解释。
然而，量子化学计算方法也存在一些挑战和限制。
首先，计算复杂度与体系规模成平方关系，因此对于大分子体系，计算开销非常大。
其次，当前的方法仍然是近似的，计算结果的精确程度受到一定的误差限制。
此外，量子化学计算需要大量的计算资源和专业的软件支持，因此对于一般用户而言，使用起来可能存在一定的门槛。
综上所述，量子化学计算是一种基于量子力学原理的计算方法，在多个领域有广泛的应用。
尽管存在一些挑战，但随着计算机技术的不断发展和计算方法的不断改进，量子化学计算将继续在化学、材料和生命科学等领域发挥重要作用。
《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。
计算化学5-半经验量子化学计算方法ppt课件
AM1中采用了大量的实验数据来进行参量化， 因此与MNDO相比计算结果有显著的改进， 主要表现为： 1. AM1在氢键处理上，明显优于MNDO。 2. AM1对于反应活化能垒的计算显著好于 MNDO。 3. 对高价磷化合物，AM1的计算与MNDO相比 有一定的改进。
一般AM1计算出的生成热值较用MNDO方法 的计算值误差低约41％。
局域密度 近似
密度 泛函法 DFT
Hartree-Fock 方程
单电子近似
超 HF
非相对论近似 Born-Oppenheimer近似
量子力学理论
为了回避从头计算方法的复杂运算，发展 了若干种近似性更大的分子轨道理论计算 方法。在物理模型上，它们都引入可调参 数，体系基于Hartree-Fock-Roothaan 方程，借用经验或半经验参数代替分子积 分，统称为半经验(semi-empirical method)分子轨道法。
优点：量子化学半经验计算的优点是计算速度 快、计算所需的磁盘空间和计算机内存小、计 算的体系大。 缺点：是计算产生的误差随意性大，使得结 构差异很大的体系依据半经验计算的结果来 进行性质比较时，往往可靠性不高。
PM3法
MNDO－PM3法（简称PM3, Parametric Method 3） Stewart在1989年提出的一种基于MNDO模型的 新参量化方法。
PM3法与AM1法相比有一定的改进，表现在
（1）PM3计算出的生成热误差要小于AM1方法；
（2）PM3在处理高价态化合物上优于AM1。
AM1和PM3法是目前应用最广泛的两种 半经验量化计算方法
为了使量子化学方法能处理更大的体系， 人们尝试多种办法来减少计算量。 通常所说的半经验量子化学计算方法主要指的 是建立在零微分重叠（Zero Differential Overlap, ZDO）近似基础上的计算方法 如CNDO/2、INDO、NDDO、 改进的MINDO、MNDO以及AM1和PM3等
cp2k计算转移积分
cp2k计算转移积分转移积分是量子化学中一种重要的计算方法，可以通过计算得到分子或材料在不同能级下的电子分布情况。
CP2K是一款强大的第一性原理计算软件，可以应用于分子动力学、量子化学等领域。
本文将介绍CP2K计算转移积分的基本概念、计算方法以及提高计算效率的策略。
一、CP2K计算转移积分的基本概念CP2K（Compressed Pseudopotential 2Kohn-Sham）是一款基于密度泛函理论（DFT）的软件，可以进行精确的量子化学计算。
在CP2K中，转移积分是通过计算两个不同能级之间的电子密度差来得到的。
转移积分可以用于研究分子间的电子转移、分子轨道对称性破缺等问题。
二、转移积分的计算方法在CP2K中，转移积分的计算方法如下：1.首先，对分子或材料进行结构优化，得到稳定的几何结构。
2.然后，计算每个原子在各个能级下的电子密度。
3.接着，计算两个能级之间的电子密度差，得到转移积分。
4.最后，根据转移积分的数值和符号，分析电子在不同能级之间的转移情况。
三、影响转移积分计算效果的因素1.几何结构优化：稳定的几何结构对转移积分的计算至关重要。
几何结构优化过程中，原子间的键长、键角等参数会影响计算结果。
2.泛函和交换关联能：泛函和交换关联能的选择对转移积分的计算结果有较大影响。
在CP2K中，可以选择不同的泛函和交换关联能进行计算。
3.计算方法：CP2K提供了多种计算方法，如QUICK、FCI等。
选择合适的计算方法可以提高计算效率和精度。
四、提高转移积分计算效率的策略1.选择合适的计算方法：根据实际问题，选择适合的计算方法，如QUICK 方法适用于快速计算，FCI方法适用于高精度计算。
2.采用压缩算符：压缩算符可以减少计算过程中的存储空间和计算时间，提高计算效率。
3.优化几何结构：通过优化分子或材料的几何结构，可以减少计算过程中的不确定性，提高转移积分的计算精度。
4.并行计算：利用多核计算机或集群进行并行计算，可以显著提高计算速度。
量子化学计算方法及应用实验报告
量子化学计算方法及应用实验报告篇一：Gaussion软件在化学键长计算中的应用毕业论文（设计）开题报告（学生用表）篇二：几种计算软件Gaussian: 量子化学领域最著名和应用最广泛的软件之一，由密度泛函分析理论的提出者量子化学家约翰波普的实验室开发，可以应用从头计算方法、半经验计算方法等进行分子能量和结构；过渡态能量和结构；化学键及反应能量；分子轨道；偶极矩；多极矩；红外光谱和拉曼光谱，核磁共振，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径等分子相关计算。
可以运行在Windows、Linux、Unix操作系统中运行，目前最新版本为Gaussian 03。
但由于Gaussian Inc. (Gaussian的发展者)排斥其他软件发展者的行为，而引来不少批评；其行为包括逐原开发者约翰波普离开Gaussian Inc. (因而成为学术界其中一件为人齿冷的事件）；禁止其他开发者(包括约翰波普)使用Gaussian. （引发起 Banned By Gaussian 运动 ) 和禁止任何使用者发表比较Gaussian与其他量子化学软件效能的报告等。
Gamess-US: 由于免费与开放源码，成为除Gaussian以外，最广泛应用的量子化学软件，目前由Iowa State Uinversity的 Mark Gorden 教授的研究组主理。
Q-Chem: 由一群随约翰波普离开Gaussian Inc. 的学者创立的一个商业量子化学软件。
Spartan: 提供一个十分优良的图形接口作量子化学计算，尤其适合非从事量子化学研究的学者使用。
此软件中有很大部的电子相关方法的计算程序实源自Q-Chem，所以当使用到该些计算方法而作出报告时，应同时于文献参考中引述Spartan与Ｑ-Chem。
MOLPRO：应用广泛的量子化学计算软件，软件长于高精度计算，用多参考CI，耦合簇等方法处理电子相关问题能够对较大的分子体系进行准确的从头计算。
量子化学计算的方法与技巧总结
量子化学计算的方法与技巧总结量子化学计算是一种利用量子力学原理对原子、分子和材料进行计算模拟和预测的方法。
它在材料科学、药物研发、催化剂设计等领域具有广泛的应用。
本文将对量子化学计算的方法与技巧进行总结，以帮助读者更好地理解和应用该方法。
一、基本原理与理论基础量子化学计算基于量子力学原理，使用薛定谔方程描述系统的波函数演化。
这个方程是一个含有多个变量的偏微分方程，求解波函数的行为是计算中的核心任务。
常用的求解方法包括哈特利-福克方程、变分法、常微分方程数值求解等。
在进行量子化学计算前，需要建立模型和选择适当的物理模拟方法，如确定分子结构、选择合适的基组、处理电子关联效应等。
二、计算方法1.分子结构优化分子结构优化是指通过数值方法确定分子在几何结构和电子态方面的最稳定状态。
常用的方法有力场方法、密度泛函理论（DFT）、Hartree-Fock（HF）方法等。
力场方法的优点是速度快，但对于描述化学键性质等量化性质有限。
DFT方法以电子数密度为变量进行计算，较准确地描述了分子的电子性质和结构特征。
HF方法是一种近似方法，用于求解分子能量和波函数，适用于简单的体系。
2.基组选择基组是描述分子的基本数学函数集合，它决定了量子化学计算的准确性。
常用的基组包括收缩基、扩展基和高斯基组。
收缩基为每个原子提供一组函数，其中包含与该原子关联电子的信息；扩展基通过向收缩基组添加坐标来提高精度；高斯基组是一种利用高斯函数来表示电子波函数的方法，它具有灵活性和高精度。
3.能垒计算能垒计算是计算反应速率倒数的方法。
它是通过计算系统在反应路径上的各个构型的势能曲线来实现的。
常见的方法包括近似势能表达式法、自由能表达式法和振动性质法。
近似势能表达式法基于简化的势能函数来计算反应的能垒；自由能表达式法基于热力学性质计算反应的能垒；振动性质法通过计算反应物和产物之间的动力学性质来计算反应速率。
三、技巧和注意事项1.合理使用密度泛函理论DFT方法是描述电子体系的重要方法之一。
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课堂练习: 1. 安装G03 Linux版本 2. 采用vi命令编辑Gaussian输入文件，具体内容如下： %mem=32mb #p b3lyp/6-311++G** opt
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章永凡
福州大学化学系 2009年2月
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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:
d. 运行g03过程： (1)编写输入文件： 用vi命令编写或在Windows下编写完毕后ftp至Linux系统； vi test.gjf (2)运行g03： g03<输入文件名>输出文件名& 例：g03 < test.gjf > test.out & 说明：1)末尾的&符号表示将作业提交到后台计算，否则 在用户退出Linux时，作业将终止； 2)若运行g03出错，请检查环境变量是否设置正确， 尤其是用户权限上的问题； c.观看计算结果： 使用vi命令，或采用tail命令跟踪计算输出： tail -f 输出文件名 d.运行过程的控制： 采用top命令观察g03运行到那个模块； 通过renice命令改变进程的优先级来调整g03的运行速度；
该命令也可用于同一台计算机不同用户之间的文件 传输
(11) vi－文本编辑命令 该命令常用但较为复杂，它有2种模式：命令模式和插入 模式，二者之间关系为： i Esc command mode insert mode command mode 在命令模式下，可实现以下功能及其对应按键： delete a character: x delete a line: dd search a string : /(向后) ?(向前) save the change: :w save the change and quit: :wq quite without saving : :q! page down: Ctrl+d page up: Ctrl+u go to file end: shift+g go to n line: :n
*
研究对象
本研究室目前常用的量化软件： 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；
* 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
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 ab两步合成一步方法： tar zxvf g03.linux.tar.gz
(12) tar－文件打包命令(适用文件扩展名为tar) 该命令用于多个文件/目录的打包或解包，常用格式有： 文件打包：tar cvf 要打包成的文件名 要打包的文件 例：tar cvf model.tar * 生成 model.tar文件 解包： tar xvf 要解包的文件名 例：tar xvf model.tar (13) gzip/gunzip－文件压缩/解压命令(文件扩展名为gz) 例：gzip model.tar 生成 model.tar.gz 文件 gunzip model.tar.gz 生产model.tar文件 (14) du—察看当前目录所占硬盘空间大小(类似命令df) 例：du –h df –h (察看硬盘各分区大小)
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 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
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
c. Linux常用命令: (1)ls－显示文件清单，相当于DOS下的dir命令：
文件属性
所属用户
大小 创建时间
注：Linux系统下字符是大小写区分的
(2)cp－复制文件命令，相当于DOS下的copy命令: cp -rf
(3)mkdir－创建目录，相当于DOS下的md命令：
(4)rm－删除文件或目录，相当于DOS下的del命令： 删除文件
计算作业提交过程：
a. 用户登录网关－通过SSH远程登录软件实现
SSH软件(SSHSecureShellClient-3.2.9.exe)可从网络上免费 下载，安装过程与通常软件安装类似。安装完毕后，设置 网关外部网的IP地址以及账号名即可使用。
点击Profiles设置IP地址及用户名
b. 从网关登录到计算节点－采用telnet命令实现 例如：telnet 134.14.83.5
(15) rsh或ssh—用于从某个节点登录到其它节点 例：rsh c0102 登录到c0102节点上，为当前用户名 rsh zyf@c0102 与上相同，但用户名为zyf ssh c0102 ssh zyf@c0102 根据rsh或ssh服务的具体设置来确定是否需要提供密码 (16) su—从当前用户转变为超级用户或其它用户 例：su 转变为超级用户 su zyf 将用户转变为zyf用户 (17) ifconfig—察看网络设置 (18) dmesg—察看系统日志 (19) adduser ,passwd
(2). Linux平台：
基于Linux系统的计算拓扑结构 计 算 节 点 计 算 节 点
计 算 节 点
交换机 Linux系统 网 关 外部网(普通) 内部网(高速) Window系统
用户终端
说明： 网关作用类似于防火墙，用于保证内部网的安全和稳定， 作为网关的计算机通常配有2个网卡，分别用于外部网和 内部网的连接。 本实验室网关机子IP地址: 219.229.140.103(非固定IP，可能发生改变)
删除目录
(5)top－显示当前进程和CPU以及内存使用情况
(6)kill－终止某个进程，格式为：kill PID号 (PID号由top命令可得，受权限限制) (7)renice－调整某个进程优先级，格式为：renice 级别 PID号 (级别为0~19整数，数值越大优先级越低) renice 19 79
计算过程
1.文 献 调 研 2.确 定 计 算 目 的 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
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 采用理论方法要解决的问题 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。 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 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。