Metody obliczeniowe chemii teoretycznej

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

METODY POSTHARTREE-FOCKOWSKIE MONIKA MUSIA L

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

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

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

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

Notatki do wyk ladu IV (z )

Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

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

METODA SPRZȨŻONYCH KLASTERÓW METODA MIESZANIA KONFIGURACJI. Monika Musia l

Podstawy chemii obliczeniowej

Metoda oddzia lywania konfiguracji (CI)

Uwzględnienie energii korelacji w metodach ab initio - przykłady

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

Teoria funkcjonału gęstości

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

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

Teoria funkcjona lu g

RACHUNEK ZABURZEŃ. Monika Musiał

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

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

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

Podstawy chemii obliczeniowej

Teoria funkcjona lu g

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

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

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

Wykład 16: Atomy wieloelektronowe

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

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

METODA MIESZANIA KONFIGURACJI Configuration Interaction (CI)

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

13.1 Układy helopodobne (trójcząstkowe układy dwuelektronowe)

Wykład Budowa atomu 3

CHEMIA KWANTOWA MONIKA MUSIA L METODA HÜCKLA. Ćwiczenia. mm

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

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

Podstawowe metody i przybliżenia: metoda wariacyjna, rachunek zaburzeń

Chemia teoretyczna I Semestr V (1 )

Układy wieloelektronowe

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

{E n ( k 0 ) + h2 2m (k2 k 2 0 )}δ nn + h m ( k k 0 ) p nn. c nn = E n ( k)c nn (1) gdzie ( r)d 3 r

1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

Hierarchia baz gaussowskich (5)

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

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

CHEMIA KWANTOWA MONIKA MUSIA L. Ćwiczenia. mm

u nk = n c nn u n 0 wyznacza siȩ empirycznie (elementy przejść) lub próbuje oszacować w obliczeniach typu ab initio Rachunek zaburzeń Löwdina

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

w jednowymiarowym pudle potencja lu

Chemia kwantowa. Pytania egzaminacyjne. 2010/2011: 1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

Teoria funkcjona lu g Density Functional Theory (DFT)

Dotyczy to zarówno istniejących już związków, jak i związków, których jeszcze dotąd nie otrzymano.

Kierunek i poziom studiów: Chemia. Drugi. Sylabus modułu: Chemia kwantowa i modelowanie molekularne (0310-CH-S2-B-062)

Atom wodoru i jony wodoropodobne

Postulaty mechaniki kwantowej

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

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

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wykład 3: Atomy wieloelektronowe

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

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

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

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

Uklady modelowe III - rotator, atom wodoru

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

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

jawnie od odleg lości miedzyelektronowych r ij = r i r j Funkcje falowe w postaci kombinacji liniowej wielu wyznaczników.

ORBITALE ATOMOWE ATOM W POLU MAGNETYCZNYM SPIN. Monika Musiał. c.us.edu.pl/ mm

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

Elektronowa struktura atomu

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Chemia Ogólna wykład 1

Liczby kwantowe elektronu w atomie wodoru

Korelacja elektronowa w metodzie elongacji

Zadania z mechaniki kwantowej

Budowa atomu. Izotopy

Uk lady modelowe II - oscylator

Atomy wieloelektronowe

Mnożniki funkcyjne Lagrange a i funkcje kary w sterowaniu optymalnym

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Rozwój i zastosowanie wieloreferencyjnych metod sprzężonych klasterów w opisie stanów podstawowych i wzbudzonych układów atomowych i molekularnych

W lasności elektryczne moleku l

TEORETYCZNE BADANIE STRUKTURY ELEKTRONOWO-OSCYLACYJNEJ I PROCESU FOTODYSOCJACJI CZĄSTECZKI LITU. Patryk Jasik

Wyznaczanie krzywych energii potencjalnej dla wybranych cząsteczek dwuatomowych

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład X

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Rotacje i drgania czasteczek

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

5. Wykazać, że swobodny elektron nie może poch lon ać fotonu.

0900 FS2 2 FAC. Fizyka atomu i cząsteczki FT 8. WYDZIAŁ FIZYKI UwB KOD USOS: Karta przedmiotu. Przedmiot moduł ECTS. kierunek studiów: FIZYKA 2 st.

Korelacja elektronowa

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

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

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

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

Transkrypt:

Metody obliczeniowe chemii teoretycznej mechanika kwantowa mechanika klasyczna ւ ց WFT DFT MM FFM metody bazuj ace na metody bazuj ace na Mechanika Molekularna funkcji falowej gȩstości elektronowej Wave Function Density Functional Molecular Mechanics Theory Theory Force Field Method ւ ց metody ab initio metody pó lempiryczne Hartree-Fock AM 1 MP2 (MPn) PM 3 Oddzia lywanie konfiguracji(ci) Sprzȩżone klastery(cc)

Metody obliczeniowe chemii kwantowej oparte na funkcji falowej Równanie Schrödingera: ĤΨ = EΨ Dla uk ladu N elektronów i K j ader atomowych hamiltonian przyjmuje postać: Ĥ = h 2 K α=1 1 2M α 2 α h2 2m N K i=1 2 i N i=1 α=1 kz α e 2 r iα + N i>j=1 ke 2 r ij + K α>β=1 kz α Z β e 2 r αβ

h - sta la Plancka kreślona k - sta la Coulomba e - ladunek elektronu m - masa elektronu Z α - ladunek j adra α M α - masa j adra α r kl = (x k x l ) 2 + (y k y l ) 2 + (z k z l ) 2 2 = 2 x 2 + 2 y 2 + 2 z 2

W jednostkach atomowych hamiltonian przyjmuje prostsz a formȩ Ĥ = K α=1 1 2M α 2 α 1 2 N K i=1 2 i N i=1 α=1 Z α r iα + N i>j=1 1 r ij + K α>β=1 Z α Z β r αβ Ĥ = ˆT j + ˆT e + ˆV ej + ˆV ee + ˆV jj

Rozwi azania równania Schrödingera: ĤΨ = EΨ ścis le cz astka swobodna cz astka w pudle potencja lu oscylator harmoniczny rotator sztywny atom wodoru etc przybliżone Atomy i cz asteczki wieloelektronowe,uk lady krystaliczne metoda Hartree-Focka metoda SCF i jej odmiany: -ab initio - pó lempiryczne metody posthartreefockowskie SCF: Self Consistent Field

Metody posthartreefockowskie metoda metody perturbacyjne metoda ieszania konfiguracji Moellera-Plesseta sprzȩżonych klasterów CI MP CC CISD Brillouin-Wigner CCSD CISDT Rayleigh-Schrödinger CCSDT CISDTQ CCSDTQ FCI FCC S Singles D Doubles T Triples Q Quadruples

Przybliżenie nierelatywistyczne zak lada, że prȩdkość poruszania siȩ elektronów w atomach i cz asteczkach jest na tyle ma la w porównaniu z prȩdkości a świat la, że efekty relatywistyczne można zaniedbać Czy jest to dobre przybliżenie? Prȩdkość elektronu w jonie worodoropodobnym na pow loce odpowiadaj acej g lównej liczbie kwantowej n wynosi przy czym: v n = Zv o 1 n v o = ke2 h = 2188 106m s Zaniedbanie efektów relatywistycznych jest uzasadnione dla pierwiastków o niskich liczbach atomowych Gdy przesuwamy siȩ ku do lowi uk ladu okresowego, poprawki relatywistyczne staj a sie coraz ważniejsze

Przybliżenie Borna-Oppenheimera (BO) zak lada, że j adra atomowe jako kilka tysiȩcy razy ciȩższe od elektronów poruszaj a siȩ tak wolno, że ich ruch można zaniedbać, tzn: ˆT j = 0 Jeżeli j adra atomowe s a nieruchome, to ostatni wyraz w hamiltonianie jest sta ly: K Z α Z β = const α>β=1 r αβ Ĥ = 1 2 N i=1 2 i N K i=1 α=1 Z α r iα + N i>j=1 1 r ij + const Ĥ = ˆT e + ˆV ej + ˆV ee + const

PRZYBLIŻENIE JEDNOELEKTRONOWE Uk lady wieloelektronowe - atomy i cz asteczki zawieraj ace dwa i wiȩcej elektronów; uk ladu krystaliczne W przybliżeniu jednoelektronowym, zwanym także modelem cz astek niezależnych, każdemu elektronowi w atomie, cz asteczce lub krysztale przyporz adkowujemy jednoelektronow a funkcjȩ falow a zwan a spinorbitalem W samej idei przybliżenia jednoelektronowego leży b l ad Przypisanie poszczególnych elektronów odrȩbnym funkcjom jednoelektronowym uniezależnia ruch dowolnie wybranego elektronu od aktualnego po lożenia pozosta lych elektronów Mówimy, że ruch elektronów nie jest skorelowany

Konstrukcja wieloelektronowej funkcji falowej w ramach przybliżenia jednoelektronowego Funkcja opisuj aca elektrony (nieodróżnialne fermiony) musi spe lniać zakaz Pauliego W laściw a propozycj a jest wyznacznik Slatera: lub w skrócie: Ψ = 1 N! ψ 1 (1) ψ 1 (2) ψ 1 (N) ψ 2 (1) ψ 2 (2) ψ 2 (N) ψ N (1) ψ N (2) ψ N (N) albo Ψ = det ψ 1 ψ 2 ψ N Ψ = ψ 1 ψ 2 ψ N

Spin w ramach jednowyznacznikowej funkcji falowej Uwzglȩdniaj ac fakt, że każda funkcja jednoelektronowa jest iloczynem czȩści przestrzennej i spinowej: lub ψ i = φ i α ψ i = φ i β możemy, ogólnie bior ac, rozważyć trzy sytuacje:

najbardziej ogóln a bez ograniczeń spinowych (zwan a też DODS: Different Orbitals for Different Spins), w ktŕej Ψ możemy przedstawić jako: lub Ψ = 1 N! φ 1 (1)α(1) φ 1 (2)α(2) φ 1 (N)α(N) φ 1(1)β(1) φ 1(2)β(2) φ 1(N)β(N) φ p (1)α(1) φ p (2)α(2) φ p (N)α(N) φ p(1)β(1) φ p(2)β(2) φ p(n)β(n) φ p+q (1)α(1) φ p+q (2)α(2) φ p+q (N)α(N) Ψ = + φ 1 φ 1 + φ p φ p + φ p+q W wyznaczniku mamy (p+q) funkcji ze spinem α i p funkcji ze spinem β, przy czym 2p+q = N, gdzie N jest liczb a elektronów

uk lad otwartopow lokowy z ograniczeniami spinowymi: Ψ = + φ 1 φ1 + φ p φp + φ p+q uk lad zamkniȩtopow lokowy z ograniczeniami spinowymi (2p=N elektronów): Ψ = + φ 1 φ1 + φ2 φ2 + φ p φp W tym ostatnim przypadku mówimy że elektrony s a sparowane Czȩść przestrzenn a spinorbilu ψ i oznaczon a powyżej jako φ i lub φ i nazywamy orbitalem Zakaz Pauliego: spinorbital opisuje ruch jednego elektronu lub orbital opisuje ruch dwóch elektronów Jeżeli dwie kolumny w powyższym wyznaczniku s a identyczne wartość wyznacznika wynosi 0