[工学]第七章-自洽场分子轨道理论.ppt

1、1/28,量子化学,第七章 自洽场分子轨道理论,Chapter 7 Self-consistent Field Molecular Orbital Theory,2/28,7.1 分子体系,7.2 单粒子模型,7.3 哈特利福克(Hartree-Fock)罗汤方程,3/28,7.1 分子体系1分子体系的薛定谔方程,分子由若干原子核和电子组成的多粒子体系。,要严格地写出多电子体系地哈密顿算符是很困难的,因为多电子体系中的相互作用项很多,如:(1)核与电子间的吸引作用能;(2)电子与电子间的排斥作用能;(3)核与核的排斥能,4/28,(4)交换能,电子具有全同粒子特性,又得满足保里原理。,则下列两

2、种状态的波函数不同，能量也有所差异。,(a)非对称波函数,(b)反对称波函数,5/28,(5)自旋 轨道偶合作用能;,(8)其它效应有关的作用能。,(7)轨道 轨道偶合作用能;,(6)自旋 自旋偶合作用能;,6/28,式中n电子数目，N核的数目。,9,7/28,事实上，这并不是分子严格的哈密顿算符，它仅仅考虑了分子中各个电荷间的库仑相互作用，而没有考虑电荷之间一般的电磁作用，也没有考虑自旋与自旋、自旋与轨道、轨道与轨道之间的相互作用，更没有考虑电子运动的相对论效应。,上述几项为哈密顿算符的主要项，通常能获得较好的结果。,8/28,在原子单位制中，me=1，e=1，a0=1，,=27.21165

3、 eV=2624.54 kJ/mol,1原子单位长度=a0（玻尔半经，0.529)1原子单位质量=me（电子的质量9.1*10-31 Kg）1原子单位电量=e（电子的电量1.6*10-19 C）1原子单位能量=1个hartree能量,原子单位制，其基本物理量有四个：,6,9/28,应用原子单位制，(1)变成：,通过求解体系的薛定谔方程，获得体系的各种性质。,10/28,2.玻恩奥潘海默(Born-Oppenheimer)近似,玻恩奥潘海默(Born-Oppenheimer)近似，也称核固定近似，即假定核固定不动，来研究电子的运动。,对于复杂的多粒子体系，上述(2)的哈密顿算符构成的薛定谔方程是

4、很难求解的，为此，需要采取某些合理的近似。,这一假定的依据是核运动速度远低于电子的运动速度，前者约103m/s,后者约1067m/s。,11/28,在玻恩奥潘海默(Born-Oppenheimer)近似下，上述(2)方程中的核的动能算符（第2项）可以去掉，核与核的排斥能（第5项）可视为常数，以I表示,体系的薛定谔方程变成：,设:,13,（1）,（3）,（4）,12/28,则：只需求解电子的薛定谔方程,(3),这样，研究一个分子内部运动的问题，就变为讨论n个电子在固定核场中运动的问题。而电子是全同粒子，故分子结构问题的研究就转化为n个全同粒子体系的问题。,其中 为体系中电子的哈密顿，为电子的能量

5、，体系的能量为,目录,13,13/28,7.2 单粒子模型1平均场的概念,包含着不能分离的两个电子的坐标，给方程的求解带来了困难。,方程(3)依然是难于求解的，因为存在,所以对多电子体系，除了前面提到的核固定近似外,还引入了单电子近似，也称独立电子运动模型、单粒子模型近似。,11,14/28,其基本思想是：认为每个电子均在诸原子核和其它电子构成的有效平均场中独立地运动。,电子 i 在平均场中具有的势能为：,由定态薛定谔方程确定的定态波函数将给出电子在空间的稳定分布，从而在整个分子空间出现一个稳定的电荷分布，由此将产生一个稳定不变的电场静电场。,分子中是否存在着某种平均场？,15/28,2单粒子

6、模型的哈密顿,基于平均场的概念，体系中电子的哈密顿可写成：,由于波函数具有统计意义，所以该静电场是一个平均场。现代分子轨道计算中所采用的物理模型建立在三大近似基础上:核固定近似、非相对论近似、单电子近似.,29,0 忽略！,16/28,令：,单粒子算符,17/28,3哈密顿的近似本征方程,为n个电子的哈密顿之和，所以上述方程的解可以分解成：,18/28,则可通过求解多电子体系中电子i 的Schrdinger方程（如下）获得。,(6),综上分析可知，在单电子近似下，求解 n 个粒子体系的薛定谔方程的问题，就归结为求解一个单粒子的薛定谔方程的问题。,31,19/28,4单电子薛定谔方程的解,求解单

7、电子薛定谔方程(6),可得一系列单电子的能量和相应的本征函数(一般说来应当有无限多个),这些单电子的本征函数(即轨道)描述着电子在分子平均场中的运动状态.,20/28,相应的分子近似能量为,式中 ri 为电子i的空间坐标.,假定体系中电子 i 在轨道 中运动,能量为,则整个分子的波函数为:,21/28,以上讨论的分子轨道没有考虑电子的自旋,实际上,电子的自旋在分子结构中起着重要的作用,所以分子轨道应包括电子的自旋态.,22/28,qi电子i的空间坐标和自旋坐标.,考虑电子同时作轨道运动和自旋运动,电子i的完全波函数为轨道波函数与自旋波函数的乘积,即,综上,考虑自旋后整个体系的零级波函数为:,2

8、3/28,5.能量本征值的交换简并,电荷、质量、自旋完全相同的粒子,称全同粒子.如:电子。,24/28,反对称性的波函数可用Slater行列式构建:,电子的单电子完全波函数。轨道和自旋两部分乘积。,25/28,6.零级能量本征值的自旋简并,对于含 n(偶数)个电子的闭壳层体系,每个轨道上排两个自旋相反的电子,则 n 个电子占有 n/2个轨道,体系的零级波函数为:,对于单电子能量 对应的轨道,上面可能有两个自旋不同的电子其完全波函数分别,26/28,上式可简写成:,27/28,含 n(奇数)电子体系的基态开壳层,存在两种简并态完全波函数分别为:,其它开壳层体系可作类似处理.,则体系的波函数可写成

9、两者的线性组合,即:,28/28,7.3 哈特利福克(Hartree-Fock)罗汤方程,采用独立电子运动模型处理多电子体系，必须求出单电子的轨道，才能构建体系的零级波函数。,采用变分法能有效求解单粒子薛定谔方程(6)。,1变分原理,由n个粒子构成的体系,设其哈密顿为.,19,29/28,E0为体系的基态能量,这就是变分原理.,变分过程如下:不断改变试探波函数,计算相应的 值,直到 不再减小,可以认为逼近了 体系真实的基态能量,此时对应的试探波函数 可近似认为体系的基态波函数.,设(1,2,n)为一品优波函数，则在 状态下，体系的能量的平均值为：,30/28,2.自洽场(Self-Consis

10、tent Field)迭代法,对如下单电子薛定谔方程，通常采取自洽迭代的方法进行求解.,实际计算时,除了考虑能量收敛外,也考虑波函数的收敛情况,一般说来后者更为严谨.,31/28,自洽场模型方法(Self-Consistent Field,简称SCF),是Hartre于1928年提出的.,32/28,则i电子的薛定谔方程可写成:,求解 i 电子的Schrdinger方程方程的前提是要知道，事实上，也是未知的。为此，Hartree提出采用自洽迭代法求解。,33/28,先假设一套初始波函数,自洽迭代过程如下：,34/28,现代分子轨道计算，多采用SCF法来求解多电子体系的Schrdinger方程。

11、,35/28,3.LCAO-MO和罗汤方程,薛定谔方程经 变分法得到H-F方程，严格求解是有困难的,即使采取迭代自洽的方法进行求解,也是相当繁复的,所以人们就设计了若干近似方法求解。,20世纪50年代,在H-F方程处理原子结构的基础上,Roothaan提出,将分子轨道按某个基组集合展开,有效地解决了这个问题。,36/28,Roothaan提出,将分子轨道按某个基组集合展开,用有限展开项,按一定精度逼近分子轨道。这样,对分子轨道的变分就转变为对展开系数的变分。H-F方程就从一组非线性的微积分方程转化为一组数目有限的代数方程,只需迭代求解分子轨道组合系数,这就是Hartree-Fock-Rooth

12、aan方程,它是分子轨道计算中的基本方程。,37/28,38/28,即:,改变 使 得尽可能的低.,39/28,Hartree-Fock-Roothaan equation,40/28,41/28,双电子积分,m=占有轨道数目,42/28,Hartree-Fock-Roothaan方程也可写成,其中：S为轨道重叠矩阵；C为轨道组合系数；为能量本征值,上述方程为非线性代数方程，只能采用SCF迭代来求解。现代分子轨道计算解的真是Hartree-Fock-Roothaan equation，而非Schrdinger方程，前者是后者基础上引入变分思想及LCAO-MO后得到的，前者是代数方程，后者是微积分方程。,43/28,计算全部单电子积分和双电子积分的方法称为从头计算法（ab initio），忽略式计算部分双电子积分的方法称为半经验分子轨道法（semi-empirical MO）如 HMO、EHMO、CNDO、PM3、AM1 等。,求解Hartree-Fock-Roothaan equation方程，涉及许多单电子积分和双电子积分。其中电子积分是计算中的瓶颈。对双电子近似不同程度的近似，形成了多种多样的分子轨道计算方法。,目录,