量子化学计算方法
分子模拟
分子力学或量子力学与统计力学结合的分子模拟技 术使量子化学计算从静态向动态、从小体系向纳米、介 观尺度过渡提供了可能。
分子模拟可分为两大类:一类为分子动力学(MD)模拟 ；另一类以概率论为基础的Monte Carlo模拟(MC)。
量子化学计算方法
QM/MM组合方法
量子化学方法(QM) 能精确地预测各种中小分子的物 理、化学性状, 研究化学反应机理。
常听人说“量子化学是棘手的”，这句话不是没有道理的，因 为一提起量子化学，往往就联想到困难的数学和计算。不过现 在否认量子化学有用的人大概是没有了。
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目录
什么是量子化学 量子化学的发展过程 量子化学的研究内容 量子化学计算方法 量子化学计算软件
What quantum chemistry is all about ?
量子化学计算方法
密度泛函理论
如定域密度泛函理论LDFT、自旋密度泛函近似LSDA 、广义梯度近似GGA、密度泛函与分子轨道的杂化方 法(如B3LYP等)等。密度泛函理论改变以往以轨道波函 数为基的特点,以密度函数为为基。
量子化学计算方法
Xα方法
Xα方法是密度泛函理论的一个重要分支, 它是对电子 间非定域的交换能采用了统计平均近似, 用一个与电荷 密度的立方根成正比的密度泛函近似替代了从头计算方 法中计算最为困难的电子交换作用项, 从而在保持较高 理论严谨性和计算精确度的同时, 大大减少了计算工作 量。Xα方法从50 年代发展到现在,根据它们引入近似程 度的不同, 主要可分为以下几种: (1)自洽场多重散射Xα 法(SCF-MS-Xα法) ；(2)分立变分Xα法(DV- Xα法) ；(3)原子线性组合Xα法(LCAO-Xα法) ；
量子化学的计算
姓名：刘东婷 老师：齐中囡
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很早以前，化学一直被科学界公认为一门纯实 验学科，理论是基于试验数据而归纳的经验公 式和规律。随着科学和计算机技术的应用和发 展，逐渐形成了量子化学这一分支学科。
马克思曾说过“运用数学的多少是一门学科成 熟的程度的标志”。量子化学逐渐走向成熟。
谢 谢！
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量子化学计算方法
从头计算方法(ab initio calculation)
从头计算方法, 即进行全电子体系非相对论的量子力 学方程计算。这种方法仅仅在非相对论近似、BornOppenheimer近似、轨道近似这三个基本近似的基础 上利用Planck常数、电子质量和电量三个基本物理常 数以及元素的原子序数, 对分子的全部积分严格进行计 算,不借助任何经验或半经验参数,达到求解量子力学 Schrdinger方程的目的。
量子化学计算软件
Games-US：由于免费与开放源码，成为除Gaussian 以外，最广泛应用的量子化学软件，目前由Iowa State Uin的研究组主理 。
Q-Chem:由一群随约翰波普离开Gaussian Inc. 的学 者创立的一个商业量子化学软件。
量子化学是理论化学的分支，而理论化学的很大一部分 可以被归类为计算化学。现在计算化学，理论化学，量 子化学，分子模拟等的含义越来越接近。
量子化学的发展过程
量子化学的研究内容
分子结构
通过计算不同分子结构的体系能量，量子化学方法可 以找到分子势能面上的最低点，从而确定分子在某一电 子态的稳定构型。
化学反应
Spartan[5]:提供一个十分优良的图形接口作量子化学 计算，尤其适合非从事量子化学研究的学者使用。
量子化学计算软件
CASTEP: 为一量子力学为基础的周期性固态材料化学 计算的套装软件，此程式由英国剑桥大学卡文迪西 (Cavendish)实验室的凝态物理理论组所共同研究开发 。
MOLPRO：应用广泛的量子化学计算软件，软件长于 高精度计算，用多参考CI，耦合簇等方法处理电子相关 问题能够对较大的分子体系进行准确的从头计算。
量子化学（quantum chemistry）是理论化学的一个分支学科， 是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的一门基础科 学。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。
What quantum chemistry is all about ?
其他量子化学计算软件目前，除了上面提到的几版著名 量子化学计算软件之外，还有大量商业和免费的量子化 学计算软件，其中绝大部分是从事量子化学或计算化学 研究的实验室自行开发的。
量子化学
现在根据量子化学计算可以进行分子的合理设计，如药 物设计 、材料设计 、物性预测等。2O世纪中有人预见 以量子化学为基础可以解决和认识化学实验中的所有问 题。但是目前尚未形成研究分子层次的统一理论，对许 多化学现象和问题还不能用统一的理论来归纳理解和认 识。能否出现化学的统一理论，将有待于化学家们的创 造和努力。
分子力学(MM) 及建立在分子力学基础上的分子动力 学(MD) , 在研究模拟生物大分子、大块合金材料等方 面获得广泛的应用。
综合两种方面的优点, 将两种方法结合起来, 把研究体 系分为几个区域, 在中心区域进行高精度的量子化学计 算(QM) , 在周边区域进行半经验或分子力学计算 (MM) , 这就是近来十分流行的QM/MM组合方法。
量子化学计算软件
目前，几版比较著名的量子化学计算软件有
Gaussian03Gaussian ：由量子化学家约翰波普的实 验室开发，可以应用从头计算方法、半经验计算方法等 进行分子能量和结构；过渡态能量和结构；化学键及反 应能量；分子轨道；偶极矩；多极矩；红外光谱和拉曼 光谱，核磁共振，极化率和超极化率，热力学性质，反 应路径等分子相关计算。
量子化学计算方法
引言 从头计算方法(ab initio calculation) 简单分子轨道法 半经验分子轨道方法 密度泛函理论 Xα方法 分子模拟 QM/MM组合方法 遗传算法
神经网络方法
量子化学计算方法
引言
量子化学计算的基础就是解电子运动的Schrödinger 方程，通过对原子和分子的核外电子运动的了解，进一 步了解分子的结构、电荷分布，原子间结合能，结构与 性质的关系，一直接到反映途径（核运动规律）的研究 。 建立在三个近似基础上: 非相对论近似 Born-Oppenhermer近似 单电子近似（轨道近似） 最后得到单电子运动方程
量子化学计算方法
遗传算法
遗传算法(genetic algorithm)是借鉴自然界生物进 化论的规律, 优胜劣汰, 步步逼近最优解的一种算法。在 研究过程中使用选择、杂交、变异等遗传算子, 在繁衍 过程中对群体中的个体进行筛选,选择最优个体或过程 。
量子化学计算方法
神经网络方法
神经网络方法是根据人体神经元的联系、信息传递而 设计的多种网络研究方法。它与其他方法不同之处在于 能进行学习训练, 使它更适合研究对象。
化学反应的过程可以看做分子体系在势能面上滑动的 过程，通过量子化学的计算，可以找到势能面上的“驻 点”：处于最低点的反应物和产物以及处于鞍点的过渡 态，对比所有可能的反应途径极其相对应的反应活化能 ，可以找到最有可能的反应途径。
量子化学的研究内容
分子性质
量子化学计算可以获得分子体系的电子波函数，通过 这些电子波函数可以求算偶极矩、极化率等分子性质的 计算，但是由于数学方法的局限，量子化学计算方法只 能从上方逼近真实的分子体系能量，是一种 近似计算 ，虽然能量的计算可以获得较好的结果，但是获得的电 子波 函数 质量却很差，因而分子性质计算的精度远远 不及分子体系能量的计算。另一方面改进量子化学计算 方法以获得质量更好的电子波函数也是量子化学家目前 面临的挑战之一。
MOPAC[8]：应用最广泛的半经验量子化学计算软件 ，能够以AM1，AM1-d，PM3，MNDO，MNDOd，MINDO/3等半经验计算方法计算分子体系的自由 能，活化能，反应路径，偶极矩，非线性光学特性以及 红外光谱等性质。
量子化学计算软件
MOLCAS[9]：是一套包含各种量子化学计算方法的软 件，可以进行分子结构计算，键能，化学反应的能垒， 激发能（包括自旋-轨道耦合），振动分辨吸收光谱， 以及各种分子特性的计算，并且可以产生分子间的作用 力，用于分子动力学的计算。
这种计算方法在理论和方法上都是比较严格的, 其计算 结果的精确性和可靠性都大大优于半经验的一些计算方 法。所以它日益受到行家们的重视, 应用范围愈来愈广, 成为量子化学计算的主流。
量子化学计算方法
简单分子轨道法
简单分子轨道法如HMO(休克尔分子轨道法)、 EHMO(扩展HM0)法等。
这类方法最突出的特点是计算量小, 很适合于共轭体系 的计算, 但它在计算的开始以及计算过程中引入太多的 近似, 只能用来定性研究较简单分子的有关规律, 在早期 的量子化学工作中用得较多。
量子化学计算方法
半经验分子轨道方法
如全略微分重叠的CNDO、间略微分重叠的INDO、 还有NDDO、MNDO、MINDO等方法。这类半经验 方法从电子结构实验资料估计最难计算的一些积分。只 粗略地考虑了分子中相互作用, 而忽略了许多二、三、 四中心积分。所以,这类方法虽然极大地减少了必需的 计算工作量,但是其计算所得到的结果只带有定性和半 定量的特性,其准确性、可靠性不够。