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量子りょうし化学かがく

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量子りょうし化学かがく英語えいごQuantum chemistry),あるしょう分子ぶんし量子力學りょうしりきがく应用量子力学りょうしりきがくてき规律方法ほうほうらい研究けんきゅう化学かがく问题てきいち门学はた量子りょうし论应よう原子げんし体系たいけい还是分子ぶんし体系たいけい区分くぶん量子りょうし物理ぶつりがくあずか量子りょうし化学かがくてき标准いち

目前もくぜん认为最早もはやてき量子りょうし化学かがく计算1927ねんぬの劳(Ø.Burrau)对H+
2
离子
[1]以及同年どうねんかわら尔特·うみとくどるさといばら·伦敦对H2分子ぶんしてき计算[2],开创量子りょうし化学かがくいち交叉こうさ学科がっか。经过きんはちじゅうねん发展きさき量子りょうし化学かがくやめ经成为化学かがく们广泛应ようてきいち种理论方ほう

量子りょうし化学かがく发展

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1925ねん1926ねん物理ぶつりがく维尔纳·うみもりはくほこり尔温·薛定谔各自かくじ建立こんりゅうりょうのり阵力がくなみ动力がく,标志量子力学りょうしりきがくてき诞生,どう时也为化学かがく提供ていきょうりょう认识ぶつ质化がく结构てきしん论工。1927ねん物理ぶつりがくかわら尔特·うみとくどるさといばら·伦敦はた量子力学りょうしりきがく处理原子げんし结构てき方法ほうほう应用于氢气分成功せいこう定量ていりょう阐释りょう两个中性ちゅうせい原子げんし形成けいせい化学かがく键的过程,们的成功せいこう标志量子力学りょうしりきがくあずか化学かがくてき交叉こうさ学科がっか——量子りょうし化学かがくてき诞生。

ざいうみとく勒和伦敦きさき化学かがく们也开始应用量子力学りょうしりきがく论,并且ざい两位物理ぶつりがく对氢气分子ぶんし研究けんきゅうてきもと础上建立こんりゅうりょう三套阐释分子结构的理论。莱纳斯·鲍林ざい最早もはやてき分子ぶんし模型もけいもと础上发展りょう价键,并且いん为这一理论获得了1954年度ねんどてき诺贝尔化がく;1928ねん物理ぶつり化学かがく罗伯とく·S·马利肯提出ていしゅつりょう最早もはやてき分子ぶんし道理どうり,1931ねんほこりさとまれ·きゅうかつ(E. Hückel)发展りょう马利肯的分子ぶんし道理どうり论,并将其应よう于对分子ぶんしとうども轭体けいてき处理;汉斯·贝特于1931ねん提出ていしゅつりょうはい场理论并はた其应よう于过わたり金属きんぞく元素げんそざいはい场中のう级裂ぶんじょう况的研究けんきゅうきさきらいはい场理论あずか分子ぶんし道理どうり论相结合发展りょう现代はい场理论。价键论、分子ぶんし道理どうり论以及配场理论是量子りょうし化学かがく描述分子ぶんし结构てき三大基础理论。早期そうきゆかり于计さん手段しゅだん非常ひじょう有限ゆうげん,计算りょうしょう对较しょう,且较为直观的价键论在量子りょうし化学かがく研究けんきゅう领域うらないすえしゅ导地,1950年代ねんだいきさきずい计算つくえまと现和飞速发展,以及こう斯函すうてき引进,うみりょう计算やめ经是以轻まつ完成かんせいてきにん务,分子ぶんし道理どうり论的优势ざい这样てき背景はいけいとつ出来でき,逐渐取だいりょう价键论的位置いち目前もくぜんざい化学かがく键理论中うらないぬし导地

1928ねんみちかくひしげ斯·哈特さと提出ていしゅつりょう哈特里方さとかたほどぽうほどはたまいいち个电さくざい其餘てき电子しょ提供ていきょうてき平均へいきん势场ちゅう运动てきつう迭代ほう给出ごと一个电子的运动方程。1930ねんどるひしげもとまい尔·ぶくかつ对哈とく里方さとかたほど补充りょうあわ原理げんり提出ていしゅつ哈特さと-ぶくかつかたほど,进一步完善了由哈特里发展的哈特里方程。为了もとめかい哈特さと-ぶくかつかたほど,1951ねんかつ莱门斯·C·J·罗特汉えいClemens C.J. Roothaanいち提出ていしゅつしょうかたほどなかてき分子ぶんし轨道よう组成分子ぶんしてき原子げんし轨道线性てん开,发展りょうちょめいてきRHFかたほど,这个かたほど以及ざい这个かたほどもと础上进一步发展的方法是现代量子化学处理问题的主要方法。

虽然量子力学りょうしりきがく以及量子りょうし化学かがくてき基本きほん论早ざい1930年代ねんだい就已经基本きほん成型せいけいただししょわたる及的からだ薛定谔方ほど形式けいしき非常ひじょう复杂,いたりこん仍然ぼつ有精ゆうせい确解ほう,而即便びん近似きんじかいしょ需要じゅようてき计算りょう也是惊人てきれい如:いち个拥ゆう100个电子てきしょう分子ぶんし体系たいけいざいもとめかいRHFかたほどてき过程ちゅう仅仅そう电子积分いち项就ゆう1亿个きょ。这样てき计算显然人力じんりきしょ不能ふのう完成かんせいてきいん而在此后てきすうじゅうねんちゅう量子りょうし化学かがく进展缓慢,甚至为从ごと实验てき化学かがくしょ排斥はいせき。1953ねん美国びくにてき帕里瑟(Parise)、帕尔(R. Parr)かず英国えいこくてき约翰·ひろし使用しようしゅ摇计さんぶん别独立地りっち实现りょう氮气分子ぶんしてきRHFひろし场计さん,虽然せい个计さん过程耗时せいせい两年,ただし这一成功せいこうこう试验化学かがく证明りょう量子りょうし学理がくり论确实可以准确地描述分子ぶんしてき结构せい质,并且为量子りょうし化学かがく开了计算つくえ时代てきだい门,いん而这一计算结果有着划时代的意义。

1952ねん日本にっぽん化学かがく福井ふくい谦一提出ていしゅつりょうぜん线轨道理どうり,1965ねん美国びくにゆうつくえ化学かがくいえ罗伯とく·はくおん斯·とく沃德かず量子りょうこ化学かがく罗阿尔德·霍夫曼联手提出ていしゅつりょうゆうつくえはん应中てき分子ぶんし轨道对称守恒もりつね原理げんり福井ふくいとくかわら尔德霍夫曼的使用しよう简单てき模型もけい,以简单分子ぶんし道理どうり论为もと础,回避かいひ些高ふかてき数学すうがく运算而以いち种直观的形式けいしきはた量子りょうし学理がくり论应よう于对化学かがくはん应的定性ていせい处理,つう过他们的论,实验化学かがくとく以直观地窥探分子ぶんし轨道函数かんすうとう抽象ちゅうしょう概念がいねん福井ふくいかず霍夫曼凭们这一贡献获得了1981年度ねんどてき诺贝尔化がく

ざい计算方法ほうほう方面ほうめんずい计算つくえてき发展,量子りょうし化学かがく计算方法ほうほう也飞そく发展,ざい1920年代ねんだいいたりいまてきすうじゅうねんない,涌现りょう组态相互そうご作用さよう方法ほうほうCI)、からだほろ扰理论MP)、密度みつど泛函DFT)以及数量すうりょう众多形式けいしき一的旨在减少计算量的半经验计算方法,よし量子りょうし化学かがく们的工作こうさく,现在やめ经有大量たいりょう商用しょうよう量子りょうし化学かがく计算软件现,其中很多のう够在普通ふつうPC机上きじょう实现化学かがく精度せいどてきりょう计算,昔日せきじつ神秘しんぴてき量子りょうし学理がくり论,やめ经成为化学かがく常用じょうようてき论工约翰·ひろしあずかかわら尔特·おん分別ふんべついんため發展はってんくび普及ふきゅうてき量子りょうし化學かがく軟件(Gaussian)かず提出ていしゅつ密度みつど泛函理論りろん (Density Functional Theory)而獲得かくとく1998ねん诺贝尔化がく。2009ねん日本にっぽん山口大學やまぐちだいがくほり憲次けんじ教授きょうじゅ行政ぎょうせい法人ほうじん科技かぎ振興しんこう機構きこう聯合れんごう成立せいりつ過渡かと狀態じょうたい科技かぎ公司こうし開拓かいたく量子りょうし化学かがく於製やくぎょうてき實用じつよう商用しょうよう

量子りょうし学理がくり论方ほう

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  • 分子ぶんし道理どうり分子ぶんし体系たいけいちゅうてき电子よう单电なみ函数かんすう满足Pauliあいよう原理げんりてきちょく积(如Slater行列ぎょうれつしきらい描述,其中ごと个单电子函数かんすう通常つうじょうよし原子げんし轨道线性组合いた(类似于原子げんし体系たいけいちゅうてき原子げんし轨道),しょうさく分子ぶんし轨道,分子ぶんし道理どうり论是目前もくぜん应用さい为广泛的量子りょうし学理がくり论方ほう
    • HF方法ほうほう:Hartree-Fock方法ほうほうよう单个Slater行列ぎょうれつしき构造近似きんじてきなみ函数かんすうつう过对该行列ぎょうれつしき形式けいしきてきなみ函数かんすう变分极小らい确定すえ确定具体ぐたいてきなみ函数かんすう形式けいしき其他だか分子ぶんし道理どうり论方法的ほうてきもと础。
    • CI方法ほうほう:组态相互そうご作用さよう(Configuration Interaction)方法ほうほうようHFひろし场方ほう计算获得てきなみ函数かんすうかく级激发的函数かんすう为基てん开体けいなみ函数かんすう完全かんぜんてき组态相互そうご作用さよう(Full-CI)指定していもと组下さいせい确的方法ほうほうただし其计さんりょう约以もと函数かんすうてき阶乘规模增加ぞうか目前もくぜん仅限于对しょう分子ぶんしさく为Benchmark以检测其方法ほうほうてきもたれせいざい实际应用ちゅうつねさいよう截断せつだんCI方法ほうほう,如DCI、SDCIとうよし截断せつだんCI满足たい积加合性あいしょう(size-extensive),虽然ゆう一些经验方法校正(如Davidson correction),仍然げんせいりょう其应よう
    • MP方法ほうほうからだほろ扰方ほうはた电子体系たいけいてき总哈みつ顿算あずかFockさんてきさく为体けいてきほろ扰项,应用Rayleigh-Schroedingerほろ扰方ほう计算。一级微扰等价于HF,二级微扰可以达到甚至超过DCI方法ほうほうてき精度せいど水平すいへいただし计算りょう(N^5)しょう于DCI(N^6)。一般不适用于能级接近简并的体系。任意にんい阶的MPsize-extensiveてき
    • 组态ひろし场方ほうどう时对组态てん开系すう进行优化,恰当应用克服こくふく截断せつだんCI满足たい积加合性あいしょうてき缺点けってん,并比较地じゅん确处のう级近简并てき体系たいけい
    • はん经验计算方法ほうほう:Extended Huckel method, AM1, PM3とう方法ほうほうざい计算过程中根なかねすえ实验すうすえはた一些波函数积分用经验常数替代,以上いじょう千倍地减少计算量,さいようてき经验常数じょうすう不同ふどうはん经验算法さんぽうてき应用范围也不同ふどう,应用时需ようすえ研究けんきゅう体系たいけいてき具体ぐたいじょう况进ぎょう选择。
    • 密度みつど泛函とう分子ぶんし体系たいけいかく原子核げんしかくそら位置いち确定きさき,电子密度みつどざいそら间中てき分布ぶんぷ也确じょう以将体系たいけいてきのうりょう表示ひょうじ为电密度みつどてき泛函,密度みつど泛函分析ぶんせき变分ほうもとめのうりょう最低さいてい时的电子密度みつど分布ぶんぷ体系たいけいのうりょう
  • 价键

量子りょうし化学かがく研究けんきゅう内容ないよう

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分子ぶんし结构

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つう过计ざん不同ふどう分子ぶんし结构てき体系たいけいのうりょう量子りょうし化学かがく方法ほうほう以找到分子ぶんし势能めんじょうてきのうりょう最低さいていてん,从而确定分子ぶんしざいぼういち电子态てき稳定构型。

化学かがくはん

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化学かがくはん应的过程以看做分子ぶんし体系たいけいざい势能めんじょうすべり动的过程,つう量子りょうし化学かがくてき计算,以找到势能めんじょうてき“驻点”:处于最低さいていてんてきはん应物产物以及处于鞍点あんてんてき过渡态,对比所有しょゆう可能かのうてきはん应途みち及其しょう对应てきはんかつのう以找いたさいゆう可能かのうてきはん应途みち

分子ぶんしせい

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量子りょうし化学かがく计算以获とく分子ぶんし体系たいけいてき电子函数かんすうつう过这些电子函数かんすう以求さん偶极のり极化りつ等分とうぶんせい质的计算,ただしよし于数がく方法ほうほうてき局限きょくげん量子りょうし化学かがく计算方法ほうほうただのう上方かみがた逼近实的分子ぶんし体系たいけいのうりょういち近似きんじ计算,虽然のう量的りょうてき计算以获とく较好てき结果,ただし获得てき电子函数かんすう质量却很いん分子ぶんしせい质计さんてき精度せいど远远分子ぶんし体系たいけいのう量的りょうてき计算。另一方面改进量子化学计算方法以获得质量更好的电子函数かんすう也是量子りょうし化学かがく前面ぜんめん临的挑战いち

量子りょうし化学かがく计算软件

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  • Gaussian[1]页面そん档备份そん互联网档あん) :量子りょうし化学かがく领域さい著名ちょめい应用さい广泛てき软件いちよし量子りょうし化学かがくやく翰·ひろしてき实验しつ开发,以应よう从头さん方法ほうほうはん经验计算方法ほうほうとう进行分子ぶんしのうりょう结构;过渡态のうりょう结构;化学かがく及反应能りょう分子ぶんし轨道偶极のり极矩红外こうひしげ曼光谱かく共振きょうしん极化りつちょう极化りつ,热力がくせい质,はん应路みちとう分子ぶんししょう关计さん以运ぎょうざいWindowsLinuxMac操作そうさけい统中运行,目前もくぜん最新さいしん版本はんぽん为Gaussian 16。ただしよし於Gaussian Inc.(Gaussianてき發展はってんしゃ排斥はいせき其他軟件發展はってんしゃてき行為こうい,而引しょう批評ひひょう;其行為こうい包括ほうかつ逐使げん開發かいはつしゃやく翰·ひろしはなれひらきGaussian Inc.(いん而成ため學術がくじゅつかい其中一件為人齒冷的事件);禁止きんし其他開發かいはつしゃ包括ほうかつやく翰·ひろしざい內)使用しようGaussian(引發起ほっきBanned By Gaussian運動うんどう[3]かず禁止きんしにんなん使用しようしゃ發表はっぴょう比較ひかくGaussianあずか其他量子りょうし化學かがく軟件效能こうのうてき報告ほうこくとう
  • Gamess-US[2]よし於免あずか開放かいほうげん碼,なりためじょGaussian以外いがいさいこう應用おうようてき量子りょうし化學かがく軟件,目前もくぜんよしIowa State UinversityてきMark Gorden教授きょうじゅてき研究けんきゅうぐみしゅ
  • ORCA[3] :一款从头算量子化学计算软件,包含ほうがんりょう密度みつど泛函论、からだほろ扰、耦合むらが方法ほうほう参考さんこう方法ほうほう以及はん经验计算方法ほうほうほどじょつつみ致力于解决较大分おおいた体系たいけい、过渡金属きんぞく及其こう谱的计算。ほどじょつつみよし马克斯普ろうかつすすずみ研究所けんきゅうじょてきFrank Neese教授きょうじゅ课题组开发与维护。该程じょつつみ为闭げんがく术用户可めん费申请。
  • Q-Chem[4]页面そん档备份そん互联网档あん) :よしいちぐんずいやく翰·ひろしはなれひらきGaussian Inc.てき學者がくしゃ創立そうりつてき一個商業量子化學軟件。
  • Spartan[5]页面そん档备份そん互联网档あん) :提供ていきょう一個十分優良的圖形介面作量子化學計算,ゆう適合てきごう從事じゅうじ量子りょうし化學かがく研究けんきゅうてき學者がくしゃ使用しよう。此軟けん中有ちゅうう很大てき電子でんし相關そうかん方法ほうほうてき計算けいさんほどじょじつみなもとQ-Chem,所以ゆえんとう使用しよういた該些計算けいさん方法ほうほう而作報告ほうこくおう同時どうじ文獻ぶんけん參考さんこうちゅう引述SpartanあずかQ-Chem。
  • CASTEP[6]页面そん档备份そん互联网档あん) :ため一量子力學為基礎的週期性固態材料化學計算的套裝軟體,此程しきゆかり英國えいこくけんきょう大學だいがく卡文すすむ许实验室(Cavendish Laboratory)てきしこりたい物理ぶつり理論りろんぐみしょ共同きょうどう研究けんきゅう開發かいはつ。CASTEPよし密度みつど泛函理論りろんため基礎きそてき計算けいさんほどしきしょ組成そせい同時どうじ採用さいよう平面へいめん(plane wave)ため基底きてい處理しょり函數かんすうはりたい具有ぐゆうしゅう性的せいてきかたたい材料ざいりょう表面ひょうめん進行しんこう化學かがく模擬もぎ計算けいさん,而此軟體さら具有ぐゆうだかしらげじゅん以及だか效能こうのう計算けいさん能力のうりょくてき表現ひょうげん
  • MOLPRO[7]页面そん档备份そん互联网档あん) :应用广泛てき量子りょうし化学かがく计算软件,软件长于だか精度せいど计算,もちい参考さんこうCI,耦合むらがとう方法ほうほう处理电子しょう关问题能够对较大てき分子ぶんし体系たいけい进行じゅん确的从头计算。
  • MOPAC[8]页面そん档备份そん互联网档あん) :应用さい广泛てきはん经验量子りょうし化学かがく计算软件,のう够以AM1,AM1-d,PM3,MNDO,MNDO-d,MINDO/3とうはん经验计算方法ほうほう计算分子ぶんし体系たいけいてき自由じゆうのうかつのうはん应路みち,偶极のり线性光学こうがく特性とくせい以及红外こう谱等せい质。MOPAC 7以前いぜんてき版本はんぽん为免费软けんMOPAC 7开始转为しょう业软けん目前もくぜん最新さいしん版本はんぽん为MOPAC2007。
  • MOLCAS[9]一套包含各种量子化学计算方法的软件,以进ぎょう分子ぶんし结构计算,键能,化学かがくはん应的のう垒,げき发能(包括ほうかつ旋-轨道耦合),动分べん吸收きゅうしゅうこう谱,以及かく分子ぶんし特性とくせいてき计算,并且以产せい分子ぶんし间的作用さようりょくよう分子ぶんし动力がくてき计算。目前もくぜん最新さいしん版本はんぽん为MOLCAS 7。
  • CP2K[10]:应用广泛てき量子りょうし化学かがく凝聚ぎょうしゅう物理ぶつり计算软件,它可以模拟固体こたい材料ざいりょう溶液ようえき分子ぶんしあきらからだ生物せいぶつ体系たいけい。CP2K提供ていきょうりょう多元たげんてき论方ほう包括ほうかつDFTB, LDA, GGA, MP2, RPA, はん经验方法ほうほう包括ほうかつ (AM1, PM3, PM6, RM1, MNDO, xTB), かずきよしてんりょく场(AMBER, CHARMM, …). CP2K以模拟分子ぶんし动力がく,Metadynamics,かたぎとく卡罗,Ehrenfest动力がく,频率分析ぶんせきかくげき发光谱,のうりょう优化,过渡态寻找(NEB, Dimer)。
  • 其他量子りょうし化学かがく计算软件目前もくぜんじょりょう上面うわつらひっさげいたてき几版著名ちょめい量子りょうし化学かがく计算软件そと,还有大量たいりょうしょう业和めん费的量子りょうし化学かがく计算软件,其中绝大部分ぶぶん从事量子りょうし化学かがくある计算化学かがく研究けんきゅうてき实验しつくだり开发てき,此外,一些著名的大型化学软件如HyperChem、Chem3D、Sybylとう,也包含有がんゆう量子りょうし化学かがく计算つつみ

参考さんこう文献ぶんけん

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  1. ^ Ø. Burrau, Kgl. Danske Videnskab. Selskab, Mat. Fys. Medd., 7, 14 (1927)
  2. ^ W. Heitler and F. London, Z. Physik., 44, 455 (1927)
  3. ^ そん副本ふくほん. [2005-05-29]. (原始げんし内容ないようそん于2018-09-28). 

外部がいぶ連結れんけつ

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まいり

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