极品高斯教程——量子化学计算方法汇总.

1引言量子力学是21世纪最重要的科学发现之一。

在量子力学基础上发展起来的理论物理、量子化学及相关的计算，为我们开辟了通向微观世界的又一个途径。

以往我们只能在实验室，通过实验了解化学反应的过程与结果，或通过仪器设备检测、跟踪化学反应的动态。

现在，通过理论化学计算，就有可能了解瞬息之间发生的化学反应，或预测某些激发态与过渡态的几何构型，还有可能了解生物大分子中某一活性位的电荷转移。

近10年来，随着计算技术的飞速发展，计算机已进入各个化学实验室，由此也刺激了量子化学计算乃至理论化学方法的快速发展。

量子化学计算已不再是理论化学家的专利，它成为实验化学、生物领域、药物设计、材料研究等方面的有力工具。

随着计算机的发展和理论上的突破，量子化学在研究化合物结构中的应用越来越广泛。

本文概括地介绍了从头算法、半经验法、密度泛函理论及微扰理论等量子化学的计算方法及这些方法在各领域的应用。

2 量子化学及其计算方法量子化学是以量子力学为原理，研究原子、分子和晶体的电子层结构、化学键理论、分子间作用力、化学反应理论、各种光谱、波谱和电子能谱的理论，对有机和无机化合物、生物大分子和各种功能材料和性能关系，揭示物质和化学反应的内在本质及其规律，从独特的研究角度出发提出合理的结论。

量子化学的发展可分为两个阶段：第一个阶段是1927年到20世纪50年代末的创建时期，其主要标志是三种化学键理论的建立、发展和分子间相互作用的量子化学研究，三种化学键理论包括：价键理论、分子轨道理论及配位场理论；第二个阶段是20世纪60年代以后，主要标志是量子化学计算方法的研究，其中严格计算的从头算方法、半经验计算的全略微分重叠和间略微分重叠等方法的出现，扩大了量子化学的应用范围，提高了计算精度。

量子化学的研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系、分子与分子之间的相互作用、分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。

量子化学可分基础研究和应用研究两大类，基础研究主要是寻求量子化学中的自身规律，建立量子化学的多体方法和计算方法等，其中多体方法包括化学键理论、密度矩阵理论和传播子理论，及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的应用等。

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。

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。

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。

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。

计算化学中的量子化学方法计算化学是物理化学领域中的一个重要分支，它通过计算方法来描述化学现象和反应过程。

量子化学方法是计算化学中的一种重要方法，它通过量子力学原理来解释分子的结构和化学反应等问题。

本文将介绍计算化学中的量子化学方法，包括基本原理、应用领域、计算方法等方面的内容。

一、量子化学方法的基本原理量子化学方法是基于量子力学原理发展起来的一种计算方法。

在量子力学中，分子和原子的运动状态是通过波函数来表示的。

波函数包含了分子中所有的信息，包括位置、速度、电子云密度和能量等。

根据波函数，可以计算得到分子的结构和稳定性，预测化学反应条件和产物，以及研究分子之间的相互作用等问题。

量子化学方法的基本原理是通过求解分子的薛定谔方程来获得分子的波函数。

薛定谔方程是描述原子和分子在量子力学框架下的运动状态的基本方程。

它包含了分子的哈密顿量和波函数。

由于薛定谔方程的求解比较困难，通常采用数值方法来求解。

现代计算机的发展使得量子化学方法成为现实，并成为了化学研究中不可或缺的工具。

二、量子化学方法的应用领域量子化学方法在化学研究中的应用非常广泛，下面我们主要介绍以下应用领域。

1、分子的结构和稳定性预测量子化学方法可以通过计算得到分子的结构和能量，进而预测分子的稳定性和反应性。

对于大分子，计算量比较大，需要采用近似方法来加速计算速度。

常用的方法包括密度泛函理论、分子轨道理论、哈特里-福克方法等。

2、化学反应过程模拟量子化学方法可以模拟化学反应的发生过程，预测反应活化能、结构变化等重要参数。

在研究新的催化剂、反应机理、反应条件等方面，量子化学方法都发挥着重要作用。

3、相互作用研究量子化学方法可以模拟分子之间的相互作用，从而研究分子在溶液中的行为、相互作用规律等。

4、材料设计和催化研究量子化学方法可以用来模拟材料和催化剂的性质和活性中心等重要参数，指导新材料和新催化剂的设计和合成。

三、量子化学方法的计算方法量子化学方法的计算方法主要包括选择波函数和哈密顿量、求解薛定谔方程、构建近似方法等。

高斯教程量子化学高斯教程是一种用于量子化学计算的软件，它在理论计算和分子模拟领域具有广泛的应用。

本文将介绍高斯教程在量子化学领域的应用和基本原理。

量子化学是研究分子和原子尺度下的化学现象的一门学科，它基于量子力学理论，通过解析和数值方法来预测和解释化学反应、分子结构和性质。

高斯教程是一种常用的量子化学软件，它提供了一套完整的工具和方法，用于计算和模拟分子系统的性质和行为。

高斯教程的核心是使用量子力学方法来计算分子的量子态和能量、电子结构、振动谱、光谱等性质。

它基于量子力学的基本方程式，如薛定谔方程和哈密顿算符，通过数值计算和数值优化来解决这些方程。

高斯教程提供了许多不同级别的方法和基组，以满足不同问题的需求。

用户可以根据具体情况选择适当的方法和基组来进行计算。

高斯教程的使用涉及几个关键步骤。

首先，用户需要定义分子的几何结构，包括原子类型、原子坐标和键长。

其次，用户需要选择适当的方法和基组，这取决于所研究问题的性质和精度要求。

然后，用户需要设置计算参数，如收敛准则和计算精度。

最后，用户可以运行计算并分析结果。

高斯教程提供了许多不同类型的计算，包括能量计算、几何优化、振动分析、光谱预测等。

能量计算是高斯教程最基本的功能，它可以计算分子的基态能量和势能面。

几何优化是通过调整分子几何结构来最小化能量，以找到最稳定和最合理的结构。

振动分析可以计算分子的振动频率和振动模式，以及与光谱相关的性质。

光谱预测可以计算分子的光谱吸收、紫外-可见和红外光谱。

除了这些基本功能外，高斯教程还提供了许多高级功能和工具，如密度泛函理论(DFT)、分子动力学模拟(MD)和反应路径搜索等。

这些功能可以进一步扩展高斯教程的应用范围，并提供更加准确和详细的结果。

总结来说，高斯教程是一种强大而灵活的量子化学软件，它在理论计算和分子模拟领域具有广泛的应用。

通过使用高斯教程，研究人员可以预测和解释分子系统的性质和行为，为化学研究和应用提供有力的支持。

量子化学方法小总结12008-02-26 14:26量子化学计算方法主要分为：①分子轨道法（简称MO法）；②价键法（简称VB法）。

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），量子计算方法主要为分子轨道常见。

分子轨道法的核心是Hartree-Fock-Roothaan方程，简称HFR方程。

1928年D.R.Hartree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Hartree 方程。

使用自洽场迭代方式求解这个方程，就可得到体系的电子结构和性质。

Hartree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.Fock 和J.C.Slater分别提出了考虑泡利原理的自洽场迭代方程，称为Hartree－Fock 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slater 行列式波函数正是满足反对称化要求的波函数。

将Hartree－Fock方程用于计算多原子分子，会遇到计算上的困难。

C.C.J.Roothaan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Hartree－Fock方程就变为易于求解的代数方程,称为Hartree－Fock －Roothaan方程,简称HFR方程。