Gaussian入门
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gaussian相关基础知识
1“零点能”是指：量子在绝对温度的零点下仍会保持震动的能量，这个振动幅度会随着温度增加而加大。
“零点能”就是原子核旋转惯性能。
我们生活生产除核中子间斥力能外都是利用的核旋能，包括身体发热所需能量等，当然也包括燃烧、发光、发热和“磁”线圈产生的“磁力”。
零点能是对分子的电子能量的矫正，表明了在0K 温度下的分子的振动能量对电子能量的影响。
当比较OK 时的热动力学性质时，零点能需要被加到总能量中。
2密度泛函理论的基本原理是: 体系的基态能量是由电子的密度唯一确定的,其基本方程为Kohn-Sham方程, 它与HF方程在形式上完全一样, 只不过是用交换相关泛函代替HF的交换部分而已.在原理上是可以精确计算的,如果可以确定它的精确泛函的话。
但是, 由于其泛函没有一套系统的方法来逼近精确泛函，因此其必须从经验来确定泛函.这就是DFT近似的根源。
3 当体系变的松散时，ab initio 和DFT 基本上得不到最稳定的结构，你可以先用分子力学去优化一下。
或者你需要固定的原子是不是太大，如果可以作为环境处理的话，可以考虑QM/MM。
另外，初次优化基组不要用太大，逐步提高。
4如果你计算freq有个很小的虚频，可以用改变网格来消虚频。
默认的网格是75302，加入这个命令是指定99590网格。
5 L9999 出错就是说在默认的循环次数里未完成所要求的工作,无法写输出文件。
6一般地，优化所得驻点的性质（极小点还是过渡态）要靠频率来确定；而对过渡态，要确定反应路径（即到底是哪个反应的过渡态）必需要做IRC 了，不然靠不住的（往往用QST 找到的过渡态并不一定就是连接输入反应物和产物的过渡态）。
7在我们用QST2 或QST3 来优化过渡态时，需输入反应物和产物，实际上反应物和产物的输入顺序是没有关系的。
就是说，先输反应物后输产物和先输产物后输反应物得到的是同样的过渡态。
这也好理解，QST2 里对过渡态的初始猜测实际上是程序自动将输入的反应物和产物的各变量取个平均，所以输入顺序是没有关系的。
《Gaussian培训》课件
结果分析
对计算结果进行分析，如 能量分解、轨道分析、电 荷分布等。
结果导出
将计算结果导出为其他软 件格式，如Xyz、Pdb等， 以便在其他软件中进行进 一步分析。
03
Gaussian软件进阶使用
高级计算方法
1 2 3
MP2方法
MP2方法是基于Hartree-Fock自洽场方法的二 阶Møller-Plesset微扰理论，适用于计算相对精 确的基态能量和电子相关效应。
反应机理研究案例
总结词
利用Gaussian软件进行反应机理研究，涉及反应路径计算、过渡态寻找和动力学模拟等。
详细描述
反应机理研究对于理解化学反应的本质和过程至关重要。Gaussian软件提供了反应路径计算和过渡态 寻找的方法，可以确定反应的最低能量路径和关键中间体。动力学模拟可以帮助研究反应速率和反应 机制，为实验设计和改进提供理论支持。
计算材料性质
02
材料模拟可以计算材料的电子结构、光学性质、力学性质、热
学性质等。
模拟软件
03
常用的材料模拟软件包括VASP、Quantum ESPRESSO和
CASTEP等。
04
Gaussian软件常件计算中最常见的问题之一，通常表 现为计算无法完成或结果不准确。
1990年代
Gaussian软件不断更新和 完善，逐渐成为广泛使用 的量子化学计算软件。
2000年代至今
Gaussian软件持续发展， 不断推出新版本，支持更 多的理论方法和基组，应 用领域也不断扩大。
02
Gaussian软件基本操作
文件操作
打开文件
使用“File”菜单中的 “Open”选项打开Gaussian 输入文件(.gjf或.gjfx)或输出文
Gaussian软件基本介绍 ppt课件
20205946gaussian09程序结构模块名称功能link6xx布居分析和各种基本信息计算相关linkslink7xx单双电子积分的一阶偏微分hessian更新和处理用于优化和频率计算的相关信息的linkslink8xx积分变换微分变换相关linkslink9xx计算电子相关能有关的linkslink10xx求解cphf方程cpmcscf方程及计算相关性质的linkslink11xx各种微分计算link9999结束计算并总结计算结果gaussian程序运行中会显示lxxxxexe在运行其中l不是数字一而是字母l的小写代表linkxxxx是一个三位或者四位的数字表示程序所属的模块及其功能20205947gaussian09文件类型文件扩展名作用输入文件
1µm
随着计算机技术和理论化学方法的不断发展， Gaussian能够应用到尺度更大的体系中
2020/4/10
16
内容摘要
2020/4/10
17
GAUSSIAN 的功能
2020/4/10
18
Gaussian 的功能
对化学反应的全面研究
2020/4/10
19
研究反应机理
金催化剂催化1,5双烯重排机理
检查点文件 .chk .fchk
读写文件 .rwf
设置文件 其它文件 Cube文件
Default.Route .inp .de2等 .cub .cube
作用
告诉程序计算中使用的系统资源、运行计 算的类型和使用的方法、分子说明等信息
各种需要的计算结果，如优化的结构、布 居分析结果、分子轨道能量、模拟的各种 光谱信息等；
25
Gaussian的功能
2020/4/10
26
2020/4/10
1µm
随着计算机技术和理论化学方法的不断发展， Gaussian能够应用到尺度更大的体系中
2020/4/10
16
内容摘要
2020/4/10
17
GAUSSIAN 的功能
2020/4/10
18
Gaussian 的功能
对化学反应的全面研究
2020/4/10
19
研究反应机理
金催化剂催化1,5双烯重排机理
检查点文件 .chk .fchk
读写文件 .rwf
设置文件 其它文件 Cube文件
Default.Route .inp .de2等 .cub .cube
作用
告诉程序计算中使用的系统资源、运行计 算的类型和使用的方法、分子说明等信息
各种需要的计算结果，如优化的结构、布 居分析结果、分子轨道能量、模拟的各种 光谱信息等；
25
Gaussian的功能
2020/4/10
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2020/4/10
《Gaussian培训》课件
Gaussian软件的发展历程
• Gaussian软件的发展历程可以追溯到上世纪80年代，自1980年代中期以来，Gaussian软件不断推出新的版本，并逐渐实 现了从单一的量子化学计算软件到计算化学综合平台的转变。目前，Gaussian软件已经成为全球使用最广泛的计算化学软 件之一。
Gaussian软件的主要功能和应用领域
06
参考文献
参考文献
Gaussian 09, Revision A.01, Mopac 2012, and associated
tutorials and examples.
Gaussian 09, Revision A.01, Mopac 2012, and associated
tutorials and examples.
依据。
金属表面的结构和性质研究
要点一
总结词
Gaussian软件可用于金属表面结构的研究，预测表面 形貌、电子结构以及化学反应活性等性质。
要点二
详细描述
借助Gaussian软件，科研人员可以模拟金属表面的电 子云分布、能带结构以及化学反应活性等性质，为催 化剂设计、能源存储与转化等应用提供理论支持。
Gaussian培训
2023-11-12
目录
• Gaussian软件概述 • Gaussian计算方法介绍 • Gaussian软件操作流程 • Gaussian软件应用实例 • Gaussian软件的优缺点及未来发展 • 参考文献
01
Gaussian软件概述
Gaussian软件简介
• Gaussian软件是一款广泛应用于计算化学领域的软件，由美国 Gaussian公司开发。它提供了一系列的计算化学工具，包括分 子建模、量子化学计算、分子动力学模拟等，被广泛应用于药 物设计、材料科学、能源研究等领域。
Gaussian 程序使用-第一讲-v2
0 2 H ( 1s1 )
0 3 O (1s22s22p4)
2S+1 = 1 Closed shell
≠1 Open shell
0 3 O2 (1σ22σ23σ21π42π2)
电荷多重度部分通常也算作分子说明
Molecular Specification
分子说明部分主要用来定义分子核相对位置
分子核相对位置可以用笛卡尔坐标，内坐标(Z-matrix)，或者是二者混合 表示 笛卡尔坐标是内坐标的一种特殊形式 分子坐标的格式为: 元素符号, x, y, z 元素符号 (n) 原子1 键长 原子2 键角 原子3 二面角 [格式代码]
H1 -1.753 -2.291 0.0
H2 1.753 -2.291 0.0 C1 0.0 -1.279 0.0
C2 0.0
H3 1.753 H4 -1.753
1.279 0.0
2.291 0.0 2.291 0.0
H2 C2 RCH C1=120.0 H1 0.0
H3 C1 RCH C2=120.0 H2 180.0 H4 C2 RCH C1=120.0 H3 0.0
A linear molecule ABC: Avoid A=180o Add ghost atom X B1 X2 B1 1.0 A3 B1 R1 X2 A123 C4 B1 R2 X2 A124=(180-A123) A3 180.0
方法与基组后续课程专门介绍 Gaussian程序能完成的任务类型：
Sp Opt Freq Irc IrcMax Scan Polar
单点能量计算（默认任务类型） 分子几何结构优化 振动分析 反应途径计算 在指定反应途径上找能量最大值 势能面扫描 极化率和超极化率计算
《高斯软件入门》课件
统计分析实例
通过实例深入理解高斯软件 在统计分析方面的应用和技 巧。
总结与展望
高斯软件的优越性
总结高斯软件的优势和特点，以及为什么它是数据分析的理想选择。
高斯软件的发展趋势
展望高斯软件未来的发展方向和趋势，激发你对技术的好奇心。
学习高斯软件的建议与方法
提供一些建议和学习方法，帮助你更高效地学习和掌握高斯软件。
高斯软件的优点和局 限性
讨论高斯软件的优点和局 限性，帮助你更好地了解 该软件的适用范围和限制。
高斯软件安装与环境配置
1 安装高斯软件的步骤
详细介绍高斯软件的安装过程，帮助你顺利完成安装。
2 配置系统环境变量
指导你如何配置系统环境变量，确保高斯软件可以在你的计算机上正常运行。
3 检查安装是否成功
提供一些简单的检查方法，确保你成功安装了高斯软件。
高斯软件基础知识
1
高斯软件的数据类型
介绍高斯软件支持的不同数据类型，如数值、字符和逻辑。
2
高斯软件的数组与向量
讲解高斯软件中数组和向量的定义、操作和应用。
3
高斯软件的函数与运算符
探索高斯软件提供的丰富函数和运算符，以及它们在数据处理中的作用。
高斯软件高级应用
高斯软件的图形绘制功能
展示高斯软件强大的图形绘制 功能，帮助你更直观地呈现数 据。
高斯软件的数据处理功能
介绍高斯软件用于数据
介绍高斯软件在统计分析方面 的功能和应用，助你深入理解 数据潜在的规律。
高斯软件编程实例
矩阵运算实例
通过实例演示高斯软件中矩 阵运算的基本操作和应用。
数据拟合实例
展示如何使用高斯软件进行 数据拟合和曲线拟合，帮助 你更好地分析数据模型。
Gaussian入门技巧一（自旋多重度）
Gaussian⼊门技巧⼀（⾃旋多重度）
关于⾃旋多重度
定义: 多重度＝2S+1, S=n*1/2,n为单电⼦数。
所以，关键是单电⼦的数⽬是多少。
当有偶数个电⼦时，例如 O2，共有16个电⼦，那么单电⼦数⽬可能是0，即8个alpha和8个beta电⼦配对，对应单重态，但是也可能是有9个α电⼦和7个β电⼦，那么能成对的是7对，还剩2个α没有配对，于是n=2,对应的是多重度3。
同理还可以有多重度5，7，9， ...⼀般⽽⾔,是多重度低的能量低,最稳定,所以,⼀般来说,偶数电⼦的体系多重度就是1。
但是也有例外，例如O2就是⼀个⼤家都知道的例⼦，它的基态是三重态，其单重态反⽽是激发态。
所以对于未知的体系，还是算⼏个保险⼀点，看哪个能量更低。
总结⼀下：
电⼦数⽬是偶数，未成对电⼦数⽬n=0,2,4,6,...⾃旋多重度是1,3,5,7,...
电⼦数⽬是奇数，未成对电⼦数⽬n=1,3,5,7,...⾃旋多重度是2,4,6,8,...
多数情况是多重度低的能量低，有时（特别是有“磁”性的时候，例如顺磁的O2，以及Fe啊什么的），可能会⾼多重度的能量低，所以需要都算算，看哪个能量更低。
《Gaussian入门》课件
打开外部编辑器
编辑输出文件
《Gaussian入门》
Gaussian 程序工具
将.chk文件转换为.fch文件，这种 文件可以使用图形软件打开
将.fch文件还原为.chk文件
从指定.chk文件中显示作业的 route section和title
将.chk文件转换成文本格式
将以前版本的Gaussian产生的 .chk文件转换为G03的.chk文件
Volume
计算分子体积
IrcMax 在指定反应途径上找能量最大值 Density=CheckPoint
Route Section
➢ Route Section以# 开始，# 控制作业的输出
✓ #N 正常输出；默认 (没有计算时间的信息) ✓ #P 输出更多信息。包括每一执行模块在开始和结束时与计算机系统有关的各种
信息 (包括执行时间数据，以及SCF计算的收敛信息) ✓ #T 精简输出：只打印重要的信息和结果。
%int=name.int, %d2e=name.d2e
.int文件在计算过程中存储双电子积分, .d2e文件在计算过程中存储双电子积分的二阶导数
➢ 内存使用控制
%mem=n
控制运行过程中使用内存的大小,可以以W或者MB，GB为单位 default：6000000W＝48MB 综合考虑到计算的需要和硬件水平，内存《G并au非ssi给an入得门越》多越好，最有效率的方法是
分子说明部分，段后通常加空行
《Gaussian入门》
% Section(link 0)
➢ 定义计算过程中的临时文件
%chk=name.chk
.chk文件在计算中记录分子几何构型，分子轨道，力常数矩阵等信息
%rwf=name.rwf
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反应途径 IRC计算
反应途径
反应途径 第二个反应：氢迁移反应
反应途径
反应途径
计算反应的焓变
ห้องสมุดไป่ตู้
计算反应的焓变 具体计算方法：
计算反应的焓变
Water
01 O H 1 R1 H 1 R1 2 a1 R1=1.04 a1=104.0
title：作业的简要描述，段后加空行
Molecular Specification：
分子说明部分，段后通常加空行
% Section(link 0)
定义计算过程中的临时文件
%chk=name.chk
.chk文件在计算中记录分子几何构型，分子轨道，力常数矩阵等信息
%rwf=name.rwf
.rwf文件主要在作业重起时使用，当计算量比较大时， .rwf文件通常会非常大，此时需要将 之分割保存
%int=name.int, %d2e=name.d2e
.int文件在计算过程中存储双电子积分, .d2e文件在计算过程中存储双电子积分的二阶导数
内存使用控制
%mem=n
Gaussian 程序工具
将.chk文件转换为.fch文件，这种
文件可以使用图形软件打开 将.fch文件还原为.chk文件 从指定.chk文件中显示作业的 route section和title 将.chk文件转换成文本格式 将以前版本的Gaussian产生的 .chk文件转换为G03的.chk文件
Overlay9,10,11,99 Overlay99
L9999
定制内存和硬盘
-M- 2MW -#- MaxDisk=400MB
Gaussian程序使用的内存单位W 是双精度字，相当于8字节
2MW=16MB
设置方法：
将Default.r1文件改成default.rou
Gaussian 程序界面
Preferences: 对Gaussian程序进行初 始化设置
%chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt H2O2 energy calculation 01 H O 1 r1 O 2 r2 1 a1 H 3 r1 2 a1 1 d1 r1=0.9 a1=105.0 d1=120.0 r2=1.4
变量部分
常量部分
通过设定常量，可以使程序 只对分子结构进行部分优化
Gaussian 程序工具
编辑批处理作业文件
转换不同格式的分子结构文件 读取.fch文件中的数据并生成 三维空间网格图
利用.chk文件中的分子轨道， 生成电子密度和静电势的空间 分布网格图
从.chk文件中打印出频率 和热化学数据
Gaussian 程序工具
NewZmat工具界面
Gaussian程序的输入文件
自定义外部文字编辑器，用来打开.out文件 link.exe所在的文件夹 临时文件存放文件夹
Gaussian 图形工具栏
批处理专用
开始作业 暂停当前作业 当前link后暂停 恢复当前作业 终止当前作业和批处理 在当前作业完成后终止批处理
终止当前作业
编辑或建立批处理
打开外部编辑器 编辑输出文件
弥散函数（Diffuse Function）
高角动量基组（High Anglar Momenture BS）
有效核势基组（Effective Core Potential BS）
基 组
半经验方法
半经验方法的局限性
Hartree-Fock理论的局限性
电子相关和后SCF方法
电子相关和后SCF方法
Title Section
Title部分必须输入，但是程序并不执行，起标识和说明作用
Charge & Multipl.
输入分子的电荷和自旋多重度 例：
H2O H3O+ · NO O2
电荷 0 1 0 0 多重度2s+1 1 1 2 2
电荷多重度部分通常也算作分子说明
Molecular Specification
势能面（PES） 将总能按泰勒级数展开
势能面（PES）
对于多原子分子体系，其能量对位置的二 阶偏导数矩阵可以表示为：
势能面（PES）
通过正则变换,可以找到一组坐标ξi (i=1, 2, …, 3N-6)使上述Hessian Matrix对角化：
寻找极小点
几何优化默认的收敛标准：
OPT输出文件
% Section 设定作业运行的环境变量 Route Section 设定作业的控制项 Title 作业题目 电荷与自旋多重度 Molecule Specification 分子说明
Gaussian作业的格式
%chk=water.chk %rwf=water.rwf #p hf/6-31g scfcyc=250 scfcon=8 % Section： 行首以%开始，段后无空行 Route Section：行首以#开始，段后加空行
Density=CheckPoint
动力学计算 计算核的受力 波函数稳定性测试 计算分子体积 仅计算布居分析 仅作分子轨道初猜 从.chk文件中提取存档
Guess=Only
ReArchive
Route Section采用自由格式，大小写不敏感
同一行不同项之间可以使用空格，逗号和“/”连接；
通过右手规则确定
例1：使用HF方法，优化 H2O2分子
%chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt
%chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt H2O2 energy calculation 01 H 0.000 0.000 O 0.000 0.900 O 1.350 1.262 H 1.464 1.742
Route Section主要由方法，基组，任务类型三部分组成
方法与基组 Gaussian程序能完成的任务类型： Sp Opt Freq Irc IrcMax Scan Polar 单点能量计算（默认任务类型） 分子几何结构优化 振动分析 反应途径计算 在指定反应途径上找能量最大值 势能面扫描 极化率和超极化率计算 ADMP&BOMP Force Stable Volume
H2O2 energy calculation
01 H O 1 0.9 O 2 1.4 1 105.0 H 3 0.9 2 105.0 1 120.0
内坐标表示
0.000 0.000 0.000 -0.752
笛卡尔直角坐标表示
上述两个作业将对H2O2分子的结构进行完全优化，包括所有的键长键角和二面角。 通过将内坐标定义成变量，可以对分子结构进行部分优化
OPT输入文件格式
寻找过渡态
复杂体系的优化
上机练习
频率分析
频率分析输入文件
频率分析输出信息
频率分析输出信息 预测红外和拉曼光谱
频率分析输出信息 频率和零点能校正因子
频率分析输出信息
热化学
频率分析输出信息
零点能和热能
频率分析输出信息 极化率和超极化率
频率分析输出信息
表征驻点的性质
%chk=h2o2.chk %rwf=h2o2.rwf #p hf/6-31g opt H2O2 energy calculation 01 H O 1 r1 O 2 r2 1 a1 H 3 r1 2 a1 1 d1 r1=0.9 r2=1.4 a1=105.0 d1=120.0
通过对两个键长和键角使用同 一变量定义可以控制分子的对 称性
例：#p hf/6-31g scfcyc=230 scfcon=8 #p,hf/6-31g,scfcyc=230,scfcon=8
关键词可以通过 keyword =option,keyword(option), keyword=(option1, option2, ...)，keyword( option1, option2, ...)指定 例：#p HF/STO-3G opt #p HF/STO-3G opt=(TS,readfc)
例2： C2H4分子
平面形分子
# HF/STO-3G OPT
C2H4 opt
01 C C 1 r1 H 1 r2 2 a1 H 1 r2 2 a1 3 180.0 H 2 r2 1 a1 3 0.0 H 2 r2 1 a1 4 0.0 r1=1.32 r2=1.09 a1=120.0
通过同一个变量控制C-H键长 把二面角定义为180和0的常量 来控制分子的平面构型
密度泛函理论（DFT）方法
不同理论方法的资源消耗
L0
Gaussian
Overlay0
L001 L101 L102 L122
Gaussian 程序的结构
Overlay1
link0: 初始化程序，控制overlay link1: 读入并处理Route Section， 建立要执行的link列表
link9999: 终止计算
单点能计算（SP）
单点能计算关键词设置
输入文件格式
输出文件的信息
输出文件的信息
分子轨道和轨道能级
分子轨道和电荷分布
HOMO和LUMO轨道
电荷分布
输出文件的信息
核磁计算
甲烷的NMR化学位移： 195.1196-199.0522＝-3.9 ppm
上机练习
几何构型优化（OPT）
势能面（PES）
频率分析输出信息 表征驻点的性质
上机练习
反应途径
反应途径 精确的方法：IRC
反应途径 用IRC方法研究反应途径的步骤:
反应途径 与甲醛有关反应的途径:
反应途径 第一个反应：甲醛的解离
反应途径 计算过渡态能量的方法