量子化学计算方法
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
Fˆ
n
d
i
cni
* m
n
d
n
n
令 FˆmHnF
* m
Fˆ nd
;
Smn
* m
n
d
代入前式得
cni (FˆmHnF i Smn ) 0
n
其中 i 1,2, 上面线性方程可写成矩阵形式
FˆC SC
即
(Fˆmn )(cni ) (Smn )(cni )( ij ij )
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。
F'C' C'
解HFR方程：
1. 选择基组
2. 求解hrs Srs 和 (rs|tu)
3. 利用重叠积分Srs，用正交化过程计算矩阵A
4. 初始猜测系数csi : i csi s ，并得到密
度矩阵P
s
5. 计算Fock矩阵元，Frs 6. 计算 F' A*FA 7. 矩阵对角化，得到, C’ 8. 计算系数阵C=AC’ 9. 计算新的密度矩阵P=2CC*
建立在三个近似基础上:
量子化学计算的方法和应用研究
量子化学计算的方法和应用研究量子化学计算是一种利用量子力学原理模拟和计算化学性质的方法。
它已经成为现代化学研究中的重要工具，广泛应用于药物设计、催化剂开发、新材料设计等领域。
本文将介绍量子化学计算的基本原理、常用方法以及其在不同领域的应用研究。
量子化学计算的基本原理是基于量子力学的波函数。
波函数描述了系统的量子态，通过求解薛定谔方程可以得到波函数的信息，从而推导出分子的能量、电子结构以及反应动力学等信息。
因为薛定谔方程的求解是非常困难的，所以量子化学计算中使用了一系列的近似方法。
其中，最常用的方法之一是密度泛函理论（DFT）。
DFT是基于电子密度的理论，通过求解系统的电子密度来近似求解能量和其他性质。
相较于传统的薛定谔方程求解方法，DFT具有较低的计算成本和较好的精度。
因此，它被广泛应用于计算化学的各个领域。
除了密度泛函理论，还有诸如哈特里-福克方法、耦合簇理论等在量子化学计算中具有重要地位的方法。
这些方法在处理不同类型的分子和化学反应时，都有其特点和优势。
根据研究的需要，选择合适的方法进行计算可以更好地揭示分子的性质和反应机制。
在药物设计方面，量子化学计算可以用来研究分子的构象空间、理解药物与受体之间的相互作用、优化药物分子的性质等。
通过计算，可以预测分子的活性、选择性和毒性等特性，从而为药物的设计和优化提供指导。
此外，量子化学计算还可以揭示药物化学反应的机理和动力学，为药物合成工艺的优化提供理论支持。
催化剂是化学反应中常用的协同剂。
通过量子化学计算，可以研究催化剂表面的活性位点、反应机理以及吸附动力学等。
这些信息对于理解反应机制、优化催化剂设计以及预测反应活性具有重要意义。
基于量子化学计算的研究可以辅助实验设计新型催化剂，并提供对其活性、稳定性和选择性的理论解释。
新材料的发现和设计是实现科学技术进步的重要环节。
量子化学计算在材料科学中的应用涵盖了从材料性质预测到材料设计的各个方面。
通过计算，可以预测材料的电子、光学、力学等性质，从而指导实验设计新型材料。
物理化学中的量子化学计算方法
物理化学中的量子化学计算方法近年来，随着计算科学的迅速发展，量子化学计算方法在物理化学领域中扮演着越来越重要的角色。
通过运用量子化学计算方法，我们可以研究物质的结构、性质和反应动力学，为实验提供重要的理论指导。
本文将介绍几种常见的量子化学计算方法及其应用，并探讨其在物理化学中的优势和局限性。
一、基于量子力学的方法在物理化学中，基于量子力学的计算方法是最常用的。
其中，薛定谔方程是解决分子、原子和离子的量子力学问题的基本方程。
然而，由于薛定谔方程的求解困难，科学家们提出了各种近似方法来简化计算。
1. 线性组合全构型法（CI）CI方法是一种基于量子力学的全构型方法，通过构建一个包含各种可能的电子构型的线性组合，来求解体系的波函数。
CI方法在计算分子的电子结构、振动能级和反应动力学等方面具有广泛应用。
2. 密度泛函理论（DFT）DFT方法通过求解电子密度分布的方程，近似计算体系的能量和其他性质。
DFT方法在计算大分子体系和固体材料的能带结构等方面具有重要应用。
3. 配分函数法配分函数法是一种统计力学方法，通过计算系统的配分函数来研究其热力学性质。
配分函数法在计算各种宏观性质，如能量、熵和自由能等方面具有广泛应用。
二、基于量子力学和经典力学相结合的方法基于量子力学和经典力学相结合的方法将量子力学和经典力学的优势相结合，通过描述体系的量子力学和经典力学耦合的过程，来研究复杂体系的性质。
1. 经典轨迹方法经典轨迹方法使用经典力学的数值模拟算法，通过计算分子或原子的轨迹来研究反应动力学和能量转移等过程。
2. 分子力场法分子力场法利用经典势能函数来描述分子的相互作用，通过求解势能函数的极小值来研究分子的结构和性质。
三、量子化学计算方法的应用量子化学计算方法在物理化学中有广泛的应用。
以下是其中几个典型的应用：1. 电子结构计算通过量子化学计算方法，我们可以计算分子的基态和激发态的电子结构，包括电子云分布、电子能级、电离势和亲和势等。
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。
化学反应过程的量子化学计算方法
化学反应过程的量子化学计算方法化学反应的过程是一个充满挑战性和复杂性的领域，其探索过程涉及许多层面，其中量子化学计算是一种颇受欢迎的方法。
该方法允许化学家预测反应机理和性质，无需进行实验。
在本文中，我们将深入探讨化学反应过程的量子化学计算方法。
1. 量子化学计算方法概述量子化学计算是一种基于量子力学原理的化学计算方法，可模拟分子体系中的电子结构和化学反应过程。
该方法通过解析化学反应过程的潜能能量面（potential energy surface，PES），可以用数学方式预测反应的动力学和热力学性质。
这种计算方法最终可以为化学反应的理解和设计提供强有力的支持。
2. 化学反应过程的潜能能量面化学反应过程的潜能能量面（PES）是反应物、中间体和产物在热力学和动力学方面的状态。
该PES最终的目的是模拟反应过程中基元反应的能垒和不存在循环反应产物的自由能。
单个化学反应中多达10个原子的聚集是非常常见的，导致PES可以具有10到100个自由度（也就是能量和距离）。
因此，化学反应过程的PES可以是一个高度复杂且多维度的图形，只有使用计算机算法才能对其进行理解和处理。
此时，量子化学计算实现了这种方法，生成了用于解析和可视化反应过程的PES。
3. 量子化学计算的基本原理量子化学计算的基本原理是薛定谔方程的解。
薛定谔方程描述了量子体系中的电子波函数随时间的演化。
每个模拟的电子体系都有一个相应的薛定谔方程，它可以用解析或数值方法求解。
化学家通常使用基于薛定谔方程的关联方法来确定分子的三维结构和性质。
这些方法的计算代价可能很高，但是它们提供了准确的结果，而不是实验结果。
4. 所需技术和软件量子化学计算的核心技术是数值解析的薛定谔方程方法，以及为实现数值解析为现代平台编写的化学计算软件。
新兴的软件如Gaussian系列软件、NWChem、Crystal、MolPro等都包含了许多现代的高性能计算方法和算法。
在计算大型化学反应时，计算能力和核心数的问题往往成为瓶颈。
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。
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(1) χ (1) = χ (1) φ j * ( 2 )φ j ( 2 ) d τ = χ (1) ∑ ∑ c * c * χ t * ( 2 ) χ u ( 2 ) d τ Jj s s s tj uj ∫ 2 2 ∫ r12 r12 t u
χ r (1) J j (1) χ s (1) = =
解Roothaan 方程 数cjn ,所 只 用 洽 迭 的 法 所 以 能 自 场 代 方 解
Frs = χ r (1) F (1) χ s (1) = χ r (1) h (1) χ s (1) + ∑ [ 2 χ r (1) J j (1) χ s (1) χ r (1) K j (1) χ s (1) ]
c uj ( ru | ts )
Frs = hrs + ∑ ∑ ∑ c tj * c uj [ 2 ( rs | tu ) ( ru | ts )]
t =1 u =1 j =1
b
= 2 ∑ c tj c uj j =1 =1 n/2
电子几率密度
* ρ = 2 ∑ φ *φ j = 2 ∑ ∑ ∑ c rj c sj χ r* χ s j j =1 b r = 1 s =1 j =1 b n/2 b b n/2
3. 利用重叠积分Srs，用正交化过程计算矩阵A 4. 初始猜测系数csi 度矩阵P
:
φi = ∑ csi χ s
s
，并得到密
5. 计算Fock矩阵元，Frs 6. 计算 F ' = A* FA 7. 矩阵对角化，得到ε, C’ 8. 计算系数阵C=AC’ 9. 计算新的密度矩阵P=2CC*
3. 2 从头计算（ab intio method） 从头计算（ ）
对于分子体系不同,不能象原子体系 对于分子体系不同 不能象原子体系 那样用类氢轨道（ 轨道） 那样用类氢轨道 （ 或 Slater轨道 ） 直接 轨道 代入H-F方程求解，而分子轨道要用原 方程求解， 代入 方程求解 子轨道（或某些基组）展开， 子轨道（或某些基组）展开，这就形成 方程。 了Hartree-Fock-Roothaan方程。 方程
= 2 ∑ ∑ Prs χ r* χ s
r =1 s =1
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 A FAC' = A SAC' ε
+ +
寻找酉阵A，使得 I=A+SA
F 'C' = C'ε
解HFR方程： 1. 选择基组 2. 求解hrs Srs 和 (rs|tu)
(一)、Roothaan方程的简单推导
前 得 了 由 可 到 H-F 方 为 Fφi = ε iφi 程
子 道 分 轨 φi 用 组 或 子 道 进 展 基 （ 原 轨 ） 行 开
φi =
∑c
n
ni
χn
入 程 代 方 得
F ∑ c ni χ n = ε i ∑ c ni χ n
n n
* χm 对 个 间 分 左 乘 整 空 积 得
FC = SCε
即
(Fmn )(cni ) = (Smn )(cni )(εijδij )
Roothaan 方 （ 线 方 ） 零 的 件 下 久 程 指 性 程 非 解 条 是 列 期
det Fmn εi Smn = 0 行 式 为 ： 列 值 零
φj 由 矩 元 Fmn 中包 分 于 阵 含 子轨 道 ， 含未 的 开 即 知 展 系
* ∑ ∑ ctj* cuj ∫ ∫ t u
χ r * (1) χ s (1) χ t * ( 2 ) χ u ( 2 )
r12
d τ 1d τ 2
* * c tj c uj (rs | tu ) ∑∑ t u
双电子排斥积分 同理：
χ r (1) K j (1) χ s (1) =
∑∑c
t u
* tj
第三章 量子化学计算方法
3.1 引言 3.2 从头计算（ab intio method） 从头计算（ ） 3.3 半经验的近似计算法 3.4 多重散射 α方法 多重散射X 3.5 密度泛函理论 密度泛函理论(DFT)及其计算方法 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 Schrdinger方程，通过对原子和分子的核外电 方程， 方程 子运动的了解，进一步了解分子的结构、 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， 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。 直接到反映途径（核运动规律）的研究。 建立在三个近似基础上 建立在三个近似基础上: 三个近似基础上
是 Hartree 方 原子体系 程
原子和 原子和分子 是 Hartree-Fock 方 程 体系
Hartree-Fock-Roothaan 方 程
方程） （HFR方程）分子体系 方程
多组态波函数
组态相互作用(Configuration 组态相互作用 Interaction称为 分子体系 称为CI)分子体系 称为
1、非相对论近似 Born-Oppenhermer近似 2、Born-Oppenhermer近似 单电子近似（轨道近似） 3、单电子近似（轨道近似）
最后得到单电子运动方程
由于体系状态波函数采用不同形式的单电子波 函数组合，就产生不同的计算水平。 函数组合，就产生不同的计算水平。 简单的单电子乘积 Slater行列式 行列式 LCAO-MO方法 方法
* * cni ∫ χ m F χ n dτ = ε i ∑ cni ∫ χ m χ n dτ ∑ n n
* HF Fmn = ∫ χmFχndτ ; 令
Smn = ∫ χ χndτ
* m
入 式 代 前 得
HF cni (Fmn εi Smn ) = 0 ∑
n
中 其 i = 1,2,上 线 方 可 成 阵 式 面 性 程 写 矩 形