[工学]第七章-自洽场分子轨道理论

量子化学第七章1/28《量子化学》第七章自洽场分子轨道理论Chapter7Self-consistentFieldMolecularOrbitalTheory量子化学第七章2/287.1分子体系7.2单粒子模型7.3哈特利－福克(Hartree-Fock)－罗汤方程量子化学第七章3/287.1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)核与核的排斥能量子化学第七章4/28(4)交换能,电子具有全同粒子特性,又得满足保里原理。则下列两种状态的波函数不同，能量也有所差异。1(1)(1)2(2)(2);1(1)(1)1(2)(2)12(1)(1)2(2)(2)2ssssss(a)非对称波函数(b)反对称波函数例：Li+的某一激发态1s12s1,假设电子排布状态为1s2s量子化学第七章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;在上述作用项中,前三项是主要的.分子体系的哈密顿算符应当包括所有电子和原子核的动能和势能,即:量子化学第七章6/28电子动能算符核动能算符核-核排斥能算符电子-电子排斥能算符核-电子作用能算符式中n―电子数目，N―核的数目。9量子化学第七章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。量子化学第七章8/28在原子单位制中，me=1，e=1，a0=1，1=27.21165eV=2624.54kJ/mol1原子单位长度=a0（玻尔半经，0.529Å)1原子单位质量=me（电子的质量9.1*10-31Kg）1原子单位电量=e（电子的电量1.6*10-19C）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量子化学第七章9/28应用原子单位制，(1)变成：221111111122111(2)22nNnNiiiinNijiijZHrZZrr通过求解体系的薛定谔方程，获得体系的各种性质。量子化学第七章10/282.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106~7m/s。量子化学第七章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）量子化学第七章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，体系的能量为目录13'HE量子化学第七章13/287.2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量子化学第七章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？量子化学第七章15/282．单粒子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！量子化学第七章16/282211()2NNiiiiZHUrmrHE1NiiHh221()2NiiiiZhUrmr令：单粒子算符量子化学第七章17/283．哈密顿的近似本征方程1122()()()nnrrr为n个电子的哈密顿之和，所以上述方程的解可以分解成：HEH12nE量子化学第七章18/28则可通过求解多电子体系中电子i的Schrödinger方程（如下）获得。()iiir和221()2NiiiiiiZUrmr(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量子化学第七章19/284．单电子薛定谔方程的解求解单电子薛定谔方程(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.量子化学第七章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:121122(,,)()()()nnnrrrrrr1NiiE量子化学第七章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.电子是自旋量子数的粒子,其自旋状态由自旋磁量子数ms来表征.代表取向上自旋态,则表示取向下自旋态.量子化学第七章22/28qi―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)()()(sikiikiikmrq综上,考虑自旋后整个体系的零级波函数为:量子化学第七章23/285.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。全同粒子体系的完全波函数必须是对称的或反对称的.其对称性具体取决于体系中粒子的自旋特性.对于自旋量子数的电子体系的完全波函数具有反对称性,这是保里原理的要求.量子化学第七章24/28反对称性的波函数可用Slater行列式构建:111212122212()()()()()()1!()()()nnnnnnqqqqqqnqqq()ijqj电子的单电子完全波函数。轨道和自旋两部分乘积。量子化学第七章25/286.零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量子化学第七章26/28上式可简写成:11111111/2/2/2/2/2/2/2/2(1)(2)(1)()(1)(2)(1)()1!(1)(2)(1)()(1)(2)(1)()nnnnnnnnnnnnnnnnn()()()()jjjjiiii令：11/2/21(1)(2)(1)()!nnnnn量子化学第七章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两者的线性组合,即:1/211(1)/2(1)/2(1)/21(1)(2)(2)(1)()!nnnnnnn1/211(1)/2(1)/2(1)/21(1)(2)(2)(1)()!nnnnnnn11/221/2cc量子化学第七章28/287.3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量子化学第七章29/28E0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：量子化学第七章30/282.自洽场(Self-ConsistentField)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.222()2iiiiiiZeUrEmr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.量子化学第七章31/28自洽场模型方法(Self-ConsistentField,简称SCF),是Hartre于1928年提出的.在该模型中,其它电子对i电子的排斥作用写成i-ejd量子化学第七章32/28则i电子的薛定谔方程可写成:求解i电子的Schrödinger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。量子化学第七章33/28①先假设一套初始波函数(0)(0)(1)(0)231,,,n用(1)(0)(1)(0)132,,,n用(1)(1)(1)(1)121,,,nn用……自洽迭代过程如下：量子化学第七章34/28如此,由零级(初始)波函数一级波函数②同理，由一级波函数二级波函数，如此反复现代分子轨道计算，多采用SCF法来求解多电子体系的Schrödinger方程。③收敛的判据：能量判据波函数判据量子化学第七章35/283.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。量子化学第七章36/28Roothaan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-Roothaan方程,它是分子轨道计算中的基本方程。量子化学第七章37/28Roothaan的“LCAO-MO”12(,,)iiiiinEEccc在变分法中*0*HdEEd假设试探波函数为:量子化学第七章38/28120iiiiiinEEEccc即:改变使得尽可能的低.12,,iiinccciE量子化学第七章39/28久期方程(代数方程)0uviuvivvFScFock算符矩阵Fuv单电子能量重叠积分：原子轨道重叠程度待定系数Hartree-Fock-Roothaanequation量子化学第七章40/281||2uvuvFHPuvuv密度矩阵元双电子积分单电子积分单电子积分：单电子哈密顿算符量子化学第七章41/28双电子积分12121|(1)(2)(1)(2)uvuvddr