Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

Podobne dokumenty
Notatki do wyk ladu V (z ) Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

Notatki do wyk ladu IV (z ) Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

Notatki do wyk ladu IV (z )

JEDNOSTKI ATOMOWE =1, m e =1, e=1, ; 1 E 2 h = 4, J. Energia atomu wodoru lub jonu wodoropodobnego w jednostkach atomowych:

Stany atomu wieloelektronowego o określonej energii. być przypisywane elektrony w tym stanie atomu.

Struktura elektronowa czasteczek. przybliżenie Borna-Oppenheimera. równania Schrödingera dla elektronów przy ustalonym po lożeniu jader

Metody obliczeniowe chemii kwantowej oparte na funkcji falowej. Dla uk ladu N elektronów i K j ader atomowych hamiltonian przyjmuje postać:

Teoria funkcjona lu g

Symbol termu: edu (sumy ca lkowitego orbitalnego momentu edu i ca lkowitego spinu) Przyk lad: 2 P 3. kwantowa

Oddzia lywania miedzycz. jony molekularne lub atomy. edzy A i B:

Metody obliczeniowe chemii teoretycznej

Wykład 16: Atomy wieloelektronowe

Układy wieloelektronowe

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

Chemia kwantowa makroczasteczek dla III roku biofizyki; kurs WBt-ZZ28

po lożenie cz astki i od czasu (t). Dla cz astki, która może poruszać siȩ tylko w jednym wymiarze (tu x)

Teoria funkcjona lu g

TEORIA FUNKCJONA LÓW. (Density Functional Theory - DFT) Monika Musia l

że w wyniku pomiaru zmiennej dynamicznej A, której odpowiada operator αˆ otrzymana zostanie wartość 2.41?

Hierarchia baz gaussowskich (5)

Teoria funkcjonału gęstości

Monika Musia l. METODA MIESZANIA KONFIGURACJI Configuration Interaction (CI) (ujȩcie wyznacznikowe)

Teoria funkcjona lu g Density Functional Theory (DFT)

Uklady modelowe III - rotator, atom wodoru

Korelacja elektronowa. e z rachunku prawdopodobieństwa i statystyki. Zmienne losowe x i y sa. ρ(x, y) = ρ 1 (x) ρ 2 (y)

c) prawdopodobieństwo znalezienia cząstki między x=1.0 a x=1.5 jest równe

13.1 Układy helopodobne (trójcząstkowe układy dwuelektronowe)

Wykład 3: Atomy wieloelektronowe

Atomy wieloelektronowe

Podstawowe metody i przybliżenia: metoda wariacyjna, rachunek zaburzeń

STRUKTURA ELEKTRONOWA CZA STECZEK: METODA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) Ćwiczenia. Monika Musia l

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład X

Struktura elektronowa

po lożenie cz astki i od czasu (t). Dla cz astki, która może poruszać siȩ tylko w jednym wymiarze (tu x)

Postulaty mechaniki kwantowej

CHEMIA 1. INSTYTUT MEDICUS Kurs przygotowawczy na studia medyczne kierunek lekarski, stomatologia, farmacja, analityka medyczna ATOM.

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Liczby kwantowe elektronu w atomie wodoru

Wykład Budowa atomu 3

Metoda oddzia lywania konfiguracji (CI)

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład X

i elektronów w czasteczkach (laboratoryjnym) operator Hamiltona dla czasteczki dwuatomowej (jadra 2M b a i b; m -masa elektronu e 2 r ij

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

Rozdział 22 METODA FUNKCJONAŁÓW GĘSTOŚCI Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Podstawy chemii obliczeniowej

Elektronowa struktura atomu

Czastka swobodna Bariera potencja lu Pud lo jednowymiarowe FEMO Pud la wielowymiarowe. Wyk lad 3. Uk lady modelowe I

Konwersatorium 1. Zagadnienia na konwersatorium

Ćwiczenia # 8: Reakcje rodnikowe Kopolimeryzacja germylenu i chinonu

I. Budowa atomu i model atomu wg. Bohra. 1. Atom - najmniejsza część pierwiastka zachowująca jego właściwości. Jądro atomowe - protony i neutrony

CHEMIA KWANTOWA MONIKA MUSIA L METODA HÜCKLA. Ćwiczenia. mm

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

III.1 Atom helu i zakaz Pauliego. Atomy wieloelektronowe. Układ okresowy

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

STRUKTURA ELEKTRONOWA CZA STECZEK: METODA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) Monika Musia l

KARTA PRZEDMIOTU. Informacje ogólne WYDZIAŁ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZY. SZKOŁA NAUK ŚCISŁYCH UNIWERSYTET KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WARSZAWIE

CHEMIA KWANTOWA MONIKA MUSIA L. Ćwiczenia. mm

Uk lady modelowe II - oscylator

METODA MIESZANIA KONFIGURACJI Configuration Interaction (CI)

b) Pierwiastek E tworzy tlenek o wzorze EO 2 i wodorek typu EH 4, a elektrony w jego atomie rozmieszczone są na dwóch powłokach elektronowych

Metody obliczeniowe ab initio w fizyce struktur atomowych. Wykład 1: Wstęp

Chemia Ogólna wykład 1

PRZYBLIŻENIE JEDNOELEKTRONOWE ATOM WIELOELEKTRONOWY. Monika Musiał. c.us.edu.pl/ mm

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Korelacja elektronowa

Liczby kwantowe n, l, m l = 0 l =1 l = 2 l = 3

CHEMIA WARTA POZNANIA

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Dr inż. KAROL STRZAŁKOWSKI Instytut Fizyki UMK w Toruniu

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Uwzględnienie energii korelacji w metodach ab initio - przykłady

Inżynieria Biomedyczna. Wykład XII

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Podstawy chemii obliczeniowej

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Fizyka atomowa r. akad. 2012/2013

Modelowanie, wybór i budowa modelu procesu. Modelowanie matematyczne. Maszyny matematyczne. Modelowanie fizyczne. Energia w reakcjach.

WYK LAD 5: GEOMETRIA ANALITYCZNA W R 3, PROSTA I P LASZCZYZNA W PRZESTRZENI R 3

obrotów. Funkcje falowe cząstki ze spinem - spinory. Wykład II.3 29 Pierwsza konwencja Condona-Shortley a

Atom wodoru i jony wodoropodobne

Metoda Hückla. edzy elektronami π. Ĥ ef (i) (1) i=1. kinetyczna tego elektronu oraz energie

Zasady obsadzania poziomów

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

W lasności elektryczne moleku l

Diagonalizacja, problem w lasny, równanie wiekowe

Oddziaływania w magnetykach

Atom wodoru. Model klasyczny: nieruchome jądro +p i poruszający się wokół niego elektron e w odległości r; energia potencjalna elektronu:

Graficzna reprezentacja orbitali atomowych s, p i d. Graficzny obraz schematu EA w obliczeniach energii termów atomowych dla atomu sodu.

Stara i nowa teoria kwantowa

Budowa atomu. Izotopy

Wykład 5: Cząsteczki dwuatomowe

Różne typy wiązań mają ta sama przyczynę: energia powstającej stabilnej cząsteczki jest mniejsza niż sumaryczna energia tworzących ją, oddalonych

Chemia teoretyczna I Semestr V (1 )

Rozdział 23 KWANTOWA DYNAMIKA MOLEKULARNA Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

Transkrypt:

Notatki do wyk ladu V Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka) Metoda wariacyjna, w której przyjmuje sie, że przybliżona funkcja falowa, opisujaca stan uk ladu n-elektronowego ma postać wyznacznika Slatera, zbudowanego z n spinorbitali Do wyrażenia: ε = Φ ĤΦdτ Φ Φdτ E 0 (1) podstawiamy operator Ĥ dla danego uk ladu wieloelektronowego i funkcj e Φ w postaci wyznacznika Slatera Jak znaleźć najlepsze orbitale, z których skonstruowana jest funkcja Φ w postaci wyznacznika Slatera? (dla zainteresowanych wyprowadzenie: np. PWN 2007, Uz. 6.4, str. 409-418) W. Ko los, J.Sadlej, Atom i czasteczka, Dla atomu helu: φ 1 = ψ 1 α, φ 2 = ψ 1 β, gdzie ψ = ψ(x 1, y 1, z 1 )=ψ 1 (1) (orbital atomowy). Taki sam orbital może opisywać drugi elektron: ψ 1 (x 2, y 2, z 2 ) =ψ 1 (2) Równanie różniczkowo-ca lkowe określajace optymalne orbitale Równanie Focka: Dla helu: 1 orbital ˆF (1)ψ 1 (1) = ε 1 ψ 1 (1) (2) ˆF - operator Focka ˆF (1) = 1 2 1 2 r 1 + V ee (1) (3) V ee (1) potencja l pochodzacy od oddzia lywania z drugim elektronem (opisywanym przez taki sam orbital ψ 1 ) V ee (1) = 2J 1 (1) K 1 (1) (4) Ogólna definicja operatorów Ĵq(1) i ˆKq (1): Ĵ q (1)ψ p (1) = [ ψq(2) 1 ψ q (2)dτ]ψ p (1) (5) r 12 operator kulombowski operator wymienny ˆK q (1)ψ p (1) = [ ψ q(2) 1 r 12 ψ p (2)dτ]ψ q (1) (6)

Ograniczona metoda Hartree-Focka - RHF (Restricted Hartree- Fock) Rozważamy uk lady z parzysta liczba elektronów (prostsze równania). Dla neonu n=10. Potrzeba 10 spinorbitali. Można je utworzyć z 5 orbitali: φ 1 = ψ 1 α, φ 2 = ψ 1 β, φ 3 = ψ 2 α, φ 4 = ψ 2 β, φ 5 = ψ 3 α, φ 6 = ψ 3 β, φ 7 = ψ 4 α, φ 8 = ψ 4 β, φ 9 = ψ 5 α, φ 10 = ψ 5 β, Dla uk ladu n-elektronowego - n/2 orbitali. (W równaniu Focka wystepuj a wspó lrzedne jednego elektronu, tu przyk ladowo 1) ˆF (1)ψ p (1) = ε p ψ p (1) p = 1, 2, 3, 4, 5 (7) ˆF (1) = 1 2 1 10 r 1 + ˆV ee (1) (8) ˆV ee (1) operator odpowiadajacy energii potencjalnej elektronu w statycznym uśrednionym polu wytworzonym przez pozosta le elektrony (z których każdy opisywany jest przez orbital) ˆF (1)ψ p (1) = ε p ψ p (1) (9) ψp(1) ˆF (1)ψ p (1)dτ 1 = ε p ψp(1)ψ p (1)dτ 1 (10) ε p = ψp(1)( 1 2 1)ψ p (1)dτ 1 ψp(1) 2 ψ p (1)dτ 1 + r 1 ψ p(1) ˆV ee ψ p (1)dτ 1 (11) ε p - efektywna energia elektronu opisywanego orbitalem ψ p ˆV ee zawiera operatory: kulombowskie Ĵq i wymienne ˆK q Energia orbitalna ε p - interpretowana jako energia elektronu poruszajacego sie w polu adra i uśrednionym polu potencja lu pozosta lych elektronów j Można interpretować ε p jako energie elektronu w atomie, ale jest to pojecie wynikajace z przyjecia przybliżenia jednoelektronowego. Nie istnieje żadna metoda doświadczalna pozwalajaca na dok ladne wyznaczenie energii określonego elektronu w atomie (lub innym uk ladzie wieloelektronowym). Energia jonizacji: E jonizacji = E jonu E atomu E jonizacji,p - energia potrzebna do oderwania od atomu elektronu opisywanego przez orbital ψ p Twierdzenie Koopmansa E jonizacji,p ε p 2

Operator kulombowski wk lady postaci: ψ p(1)ψ p (1) 1 r 12 ψ q(2)ψ q (2)dτ 1 dτ 2 (12) odpychanie elektronów opisywanych przez orbitale ψ p i ψ q wk lady pochodzace od operatora ˆK q nie wystepuj a w oddzia lywaniu ladunków klasycznych Energia ca lkowita w metodzie Hartree-Focka E HF : E HF p 2ε p (13) Energia ca lkowita NIE JEST RÓWNA sumie energii orbitalnych odpowiadaj acych orbitalom obsadzonym przez elektrony Suma energii orbitalnych - podwójne liczenie oddzia lywania mi edzy elektronami E HF = p 2ε p E ee (14) gdzie E ee - wk lad do energii pochodzacy od oddzia lywania miedzy elektronami Jak rozwiazać: ˆF (1)ψ p (1) = ε p ψ p (1) równanie pseudow lasne Operator Focka ˆF zależy od orbitali ψ p, czyli od szukanych rozwiazań równania! Metoda iteracyjna rozwiazywania równania Focka START - przybliżone orbitale ( byle jakie ) 1. zbudowanie operatora Focka z orbitali obsadzonych 2. rozwiazanie równania Focka orbitale (lepsze) 3. wybranie orbitali obsadzonych (niskie energie orbitalne) 4. sprawdzenie, czy energia ca lkowita uleg la istotnemu obniżeniu: TAK - powrót do punktu 1 NIE - KONIEC Metoda pola samouzgodnionego SCF (Self Consistent Field) 3

Orbitale atomowe: ˆF (1)ψ p (1) = ε p ψ p (1) (15) - cześć katowa jak dla atomu wodoru (symetria sferyczna) - cz eść przestrzenna inna niż dla atomu wodoru ε p - energia orbitalna zależność od n i od l Metody: numeryczne rozwiazanie równania obliczanie analitycznych przybliżeń do orbitali ψ p = m c pi χ i, (16) i=1 gdzie χ i tzw. funkcje bazy, c pi -poszukiwane wspó lczynniki (metoda Hartree- Focka- Roothaana) Podpow loka elektronowa - zbiór spinorbitali o określonych wartościach liczb kwantowych n i l (takie same energie orbitalne). Liczba spinorbitali dla danej podpow loki wynosi 2(2l+1), bo spinorbitale różnia sie liczbami m s (2 wartości) i m l (2l+1 wartości). Jeśli każdemu spinorbitalowi z danej podpow loki elektronowej przyporzadkowany jest elektron (podpow loka jest w pe lni obsadzona elektronami), to nazywa sie ja zamkniet a. Jeśli żadnemu spinorbitalowi z danej podpow loki nie jest przyporzadkowany elektron, to nazywa sie ja pusta. Podpow loke elektronowa, która nie jest pusta, ale nie jest w pe lni obsadzona elektronami nazywa sie otwarta. Metoda RHF - uk lady zamkni etopow lokowe Uk lady otwartopow lokowe: Metoda ROHF (Restricted Open-Shell Hartree-Fock) np. dla 5 elektronów spinorbitale: ψ 1 α, ψ 1 β, ψ 2 α, ψ 2 β, ψ 3 α, gdzie ψ i oznacza orbital 4

Metoda UHF (Unrestricted Hartree-Fock) np. dla 5 elektronów spinorbitale: ψ 1 α, ψ 1 β, ψ 2 α, ψ 2 β, ψ 3 α, różne orbitale dla różnych spinów Sens fizyczny (interpretacja statystyczna) - tylko kwadrat modu lu funkcji falowej opisujacej wszystkie elektrony danego atomu. Opis stanu uk ladu wieloelektronowego za pomoca (nawet najlepszej) funkcji Hartree- Focka energia uk ladu obarczona b l edem wynikajacym z zastosowania przybliżenia jednoelektronowego E kor = E HF E dokladna Energia korelacji - b l ad pope lniany, gdy energia jest obliczana za pomoca najlepszej funkcji Hartree-Focka (E HF ) Przybliżenie jednoelektronowe pozwala wyrazić strukture elektronowa atomu za pomoca jego konfiguracji, czyli przyporzadkowania elektronów spinorbitalom (zgodnie z zakazem Pauliego). Konfiguracja elektronowa atomu - określona przez podanie liczb elektronów, przyporzadkowanych poszczególnym podpow lokom elektronowym. Maksymalna liczba elektronów dla podpow loki, która tworza spinorbitale o określonych wartościach liczb kwantowych n i l, wynosi 2(2l+1)). 5

Konfiguracja atomu w stanie podstawowym. Wzrost energii orbitalnych Konfiguracja elektronowa gazu szlachetnego 1s 2He: 1s 2 2s 2p 10Ne: [ 2 He]2s 2 2p 6 3s 3p 18Ar: [ 10 Ne]3s 2 3p 6 4s 3d 4p 36Kr: [ 18 Ar]3d 10 4s 2 4p 6 5s 4d 5p 54Xe: [ 36 Kr]4d 10 5s 2 5p 6 6s 4f 5d 6p 86Rn: [ 54 Xe]4f 14 5d 10 6s 2 6p 6 7s 5f 6d 7p 118 Uuo: [ 86 Rn]5f 14 6d 10 7s 2 7p 6 Regu la zabudowy pow lok elektronowych atomu (Aufbau Prinzip): podpow loki zape lniane sa elektronami w kolejności rosnacej energii (od lewej strony do prawej i od góry do do lu), aż do wyczerpania liczby elektronów dla danego atomu. (Pierwiastek o liczbie atomowej 118: od 1979 Uuo - ununoctium, od 2016 Og - oganesson) Konfiguracje standardowe: 23V: [ 18 Ar]3d 3 4s 2 26Fe: [ 18 Ar]3d 6 4s 2 Konfiguracje niestandardowe, gdy podpow loka (n-1)d jest bliska ca lkowitemu zape lnieniu albo zape lnieniu w po lowie. 24Cr: [ 18 Ar]3d 5 4s 1 29Cu: [ 18 Ar]3d 10 4s 1 46Pd: [ 36 Kr]4d 10 Konfiguracja atomu w stanie wzbudzonym Schemat pobudzeń elektronowych w modelu orbitalnym (W. Ko los, J.Sadlej, Atom i czasteczka, WNT 2007, s.209-211) 6

Konfiguracja atomu w stanie wzbudzonym. Na przyk lad, dla atomu He w jednym ze stanów wzbudzonych: 1s 1 2s 1 7

Trzeba rozważać energi e (stan) atomu wieloelektronowego jako ca lości. Atom He w jednym ze stanów wzbudzonych: 1s 1 2s 1 Ca lkowita funkcje falowa można przedstawić jako iloczyn cześci przestrzennej i cześci spinowej. Cześć funkcji falowej zależna od wspó lrzednych przestrzennych: ψ 1s (1) ψ 2s (2), ψ 2s (1) ψ 1s (2) Cześć spinowa funkcji falowej: α(1) α(2), β(1) β(2), α(1) β(2), β(1) α(2) Ca lkowita funkcja falowa - antysymetryczna ze wzgledu na zamiane elektronów 1 i 2: cześć przestrzenna - symetryczna, to cześć spinowa - antysymetryczna cześć przestrzenna - antysymetryczna, to cześć spinowa - symetryczna 1 Ψ = 1 2 [ψ 1s(1) ψ 2s (2) + ψ 2s (1) ψ 1s (2)][α(1) β(2) β(1) α(2)] (17) singlet 1 2 [ψ 1s(1) ψ 2s (2) ψ 2s (1) ψ 1s (2)]α(1) α(2) (18) 1 2 [ψ 1s(1) ψ 2s (2) ψ 2s (1) ψ 1s (2)][α(1) β(2) + β(1) α(2)] (19) 1 2 [ψ 1s(1) ψ 2s (2) ψ 2s (1) ψ 1s (2)]β(1) β(2) (20) 3 Ψ tryplet (3 funkcje falowe) 8

Oznaczenia: ψ 1s jako 1s, ψ 2s jako 2s Funkcja falowa dla singletu 1 Ψ = 1 [1s(1) 2s(2) + 2s(1) 1s(2)][α(1) β(2) β(1) α(2)] (21) 2 1 Ψ = 1 [1s(1)α(1)2s(2)β(2) + 2s(1)α(1)1s(2)β(2) 2 (22) 1s(1)β(1)2s(2)α(2) 2s(1)β(1)1s(2)α(2)] (23) = 1 2 ( 1s(1)α(1) 1s(2)α(2) 2s(1)β(1) 2s(2)β(2) (24) 1s(1)β(1) 1s(2)β(2) 2s(1)α(1) 2s(2)α(2) ) == 1 2 (W 1 W 2 ) (25) Jedna z funkcji falowych dla trypletu (M S =0, wartość rzutu wypadkowego spinu na wyróżniony kierunek wynosi 0) 3 Ψ = 1 [1s(1) 2s(2) 2s(1) 1s(2)][α(1) β(2) + β(1) α(2)] (26) 2 1 Ψ = 1 [1s(1)α(1)2s(2)β(2) 2s(1)α(1)1s(2)β(2) 2 (27) +1s(1)β(1)2s(2)α(2) 2s(1)β(1)1s(2)α(2)] (28) = 1 2 ( 1s(1)α(1) 1s(2)α(2) 2s(1)β(1) 2s(2)β(2) + (29) 1s(1)β(1) 1s(2)β(2) 2s(1)α(1) 2s(2)α(2) ) == 1 2 (W 1 + W 2 ) (30) Zatem, te same konfiguracje (wyznaczniki) pojawiaja sia dla różnych stanów wzbudzonych (tu zarówno dla stanu singletowego jak dla trypletowego atomu helu). Funkcja falowa w postaci jednego wyznacznika nie nadaje si e do opisu stanu uk ladu otwartopow lokowego, dla którego wyst epuje pojedyncze obsadzenie wi ecej niż jednego orbitalu, a spin ca lkowity jest niższy niż najwyższy możliwy dla danej konfiguracji. Metoda UHF (Unrestricted Hartree-Fock; jeden wyznacznik - różne orbitale dla różnych spinów) może prowadzić do niefizycznych stanów, które nie maja określonej wartości ca lkowitego spinu. 9

Cześci przestrzenne funkcji falowej dla stanów wzbudzonych 1 S (singlet) i 3 S (tryplet) Ψ sing = ( =N s e ( 2α sr 1 ) [1 r 2 ]e ( αsr2) + e ( 2αsr 2) [1 r 1 ]e ) ( αsr 1) Ψ trip = ( =N t e ( 2α t r 1 ) [1 r 2 ]e ( α tr 2 ) e ( 2α tr 2 ) [1 r 1 ]e ) ( α tr 1 ) Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w określonej odleg lości r od jadra Na rysunkach: (r 1 r 2 Ψ sing ) 2 (r 1 r 2 Ψ trip ) 2 Rozk lad g estości elektronowej (a zatem także wartość energii) zależy od wypadkowego spinu elektronów. 10