量子化学第1章数学准备.ppt

1,量子化学(一）QuantumChemistry(PartA),2008年11月,陈文凯博士,福州大学化学化工学院福州大学理论化学与分子设计计算研究所,2,关于主讲人,陈文凯，福州大学理论化学与分子设计计算研究所办公室/实验室：6号楼325房电话真子邮件：qc2008学习和工作经历2006.08福州大学化学化工学院教授2001.092006.07福州大学化学化工学院化学系副教授2001.122004.06福州大学化学学科博士后流动站从事博士后研究工作1997.042001.08宁波大学（原宁波师范学院）化学系讲师，副教授1991.081997.07中国科学院长春应用化学研究所，物理化学专业，理学博士学位1987.091991.07浙江大学化学系，理学学士,3,关于量子化学,量子化学是整个化学学科体系的基础，涉及较多基础理论知识，学习上有一定的难度。大家一起努力学习，共同进步,4,QuantumChemistry,OpenaDoortoMolecularScience,5,QuantumChemistry,WhatisQuantumChemistry?QuantumChemistryappliesquantummechanicstosolveproblemsinchemistry.,6,关于经典物理学,到19世纪末，经典物理学的主要支柱牛顿力学和光学（包括电磁波理论），热力学取得了辉煌的成就。在巨大的成就灿烂光辉的眩惑下，原本对立的粒子概念和波概念，更被物理学家们将其普适化和绝对化了。与此同时，牛顿力学和波动力学的描述方法也被普适化和绝对化了。仿佛物理学所研究的全部对象，它们的性质真的非此即彼了。用爱因斯坦的话说就是：“上帝是不玩掷骰子的”。,7,关于经典物理学的局限性,牛顿力学（包括后来建立的相对论力学）并未涉及物质的内部构造、物体的内禀性质，而只局限于研究物体在其外在时空中的低速（高速）机械运动；光学（包括后来的电磁波理论）也并没有涉及光的产生和吸收、光和物质的相互作用，而只局限于研究光的传播。经典物理学，一旦超出原来的范畴，进入这些新领域，便呈现出了捉襟见肘和漏洞百出的状态。就在经典物理学处于颠峰状态的19世纪末，也已经发现了许多无法用经典物理学去理解的现象。比如，1896年贝克勒耳发现放射性、黑体辐射问题中出现的紫外灾难、光电效应等等。这些都是经典物理学晴朗天空边际的朵朵乌云，预示着暴风雨的即将来临。,8,实践是检验真理的唯一标准,新的实验事实、新的实验现象永远是医治人们物理思想僵化的特效药方；严密的逻辑思维是我们最可靠的工具。两者的恰当结合，才是正确指引物理学家前进的唯一灯塔，是肯定或扬弃一切理论的唯一裁判。其中，实验检验又是肯定或扬弃一切理论的最高和最后裁判。当今的量子理论已经发展成为庞大的理论群体。可以毫不夸张地说，量子理论是物理学家迄今建立的最宏伟的物理理论，它博大精深、包罗万象，小至夸克和胶子的量子色动力学，大至宇宙的量子创生理论，量子理论无所不在。量子理论已经取得了前所未见的巨大的辉煌成就。,9,对量子力学的建立和早期发展作出过贡献的物理学家（获得诺贝尔奖的大人物）,(1)普朗克(M.Planck，18581947)由于1900年提出能量子概念，为量子理论奠立基础而获得了1918年诺贝尔物理学奖。(2)爱因斯坦(A.Einstein，18791955)由于在数学物理方面的成就和发现光电效应规律而获得了1921年诺贝尔物理学奖。(3)玻尔(N.Bohr，18851962)由于研究原子结构和原子辐射以及1913年提出氢原子模型而获得了1922年诺贝尔物理学奖。(4)夫兰克(J.Franck,1882-1964)和(5)赫兹(G.L.Hertz,1887-1975)由于在1914年发现电子与原子碰撞时只能转给原子分离能量而获得了1925年诺贝尔物理学奖。(6)康普顿(A.H.Compton，18921962)由于1923年发现光子与自由电子的非弹性散射作用即康普顿效应，而与在1911年发现一种观测带电粒子径迹的方法威耳逊云室的威耳逊(C.T.R.Wilson，18691959)分享了1927年诺贝尔物理学奖。(7)德布罗意(L.V.deBroglie，18921987)由于1924年提出电子的波动性而获得了1929年诺贝尔物理学奖。(8)海森伯(W.K.Heisenberg，19011976)由于1925年创立量子力学的矩阵力学，1927年提出不确定关系而获得了1932年诺贝尔物理学奖。(9)薛定谔(E.Schrodinger，18871961)由于1926年创立量子力学非相对论波动力学即薛定谔方程。(10)狄拉克(P.A.M.Dirac)由于1928年创立量子力学相对论波动力学即狄拉克方程而获得了1933年诺贝尔物理学奖。(11)泡利(W.Pauli，19001958)由于1925年发现不相容原理即泡利原理而获得了1945年诺贝尔物理学奖。(12)玻恩(M.Born，18821970)由于量子力学研究，特别是对波函数的统计解释，而与博思(W.W.G.Bothe)分享了1954年诺贝尔物理学奖。,10,QuantumMechanics,Macroscopic,Microscopic,Quantummechanicsisthelawgoverningthebehaviorofnucleiandelectrons.,CorrectDescriptionforBond-breakingandBond-forming,11,BasisofQuantumChemistry,Schrdingerequation:Hy=Ey,ErwinSchrdingerPaulA.M.Dirac,NobelPrizeinPhysics1933forthediscoveryofnewproductiveformsofatomictheory,Dirac(1929):“Theunderlyingphysicallawsnecessaryforthemathematicaltheoryofalargepartofphysicsandthewholeofchemistryarethuscompletelyknown.”,However,itcanbesolvedexactlyonlyforone-electronsystems(e.g.,ahydrogenatom)andnumericallyforanyasystemhavingmoreelectrons.,12,AccurateQuantumMechanicalMethods,Accuratequantummechanicalcomputationisapowerfultoolinstudyofchemistry.,NobelPrizeinChemistry1998,WalterKohn,JohnA.Pople,“forhisdevelopmentofthedensity-functionaltheory”,“forhisdevelopmentofcomputationalmethodsinquantumchemistry”,13,ThePowerofQuantumChemistry,Tocalculateandpredictvariousmolecularproperties,suchasgeometryconformation,dipolemoments,barrierstointernalrotation,NMR,frequenciesandintensitiesinspectra.Topredictpropertiesoftransitionstatesandintermediatesinchemicalreactionsandtoinvestigatethemechanismsofchemicalreactions.Tounderstandintermolecularforcesandthebehaviorofmoleculesinsolutionsandsolids.Tocalculatethermodynamicproperties(e.g.,entropyandheatcapacity).,14,本课程主要章节内容,第一章数学准备知识（矩阵及其它）(3)第二章量子力学基础（基本假定）(9)第三章量子力学的简单应用（单体问题）(9)第四章原子结构（类氢离子）(12)第五章多体问题和近似方法(3)第六章分子结构和分子轨道理论(12)第七章自洽场理论和计算方法（6）,15,主要参考教材,徐光宪，黎乐民等，量子化学基本原理和从头算法（上、中、下册），科学出版社，1985.（系统介绍理论、方法且资料较齐全）唐敖庆等，量子化学，科学出版社，1982.第1、2、5、6、7、9章。（对从头算的理论基础论述、推导严谨，但程度较深，自学的难度较大）Steiner,E.,TheDeterminationandInterpretationofMolecularWavefunctions,CambridgeUniversityPress,London,1976.中译本：钮泽富译，分子波函数的确定和解释，上海科学技术出版社，1983.（一本很薄的小册子，但概念阐述清楚，对初学者理解和运用量子化学计算结果颇有帮助）IraN.Levine,QuantumChemistry,Allyn&Bacon,London,1974.中译本：宁世光等译，量子化学，人民教育出版社，1980.（美国高校化学系研究生通用的参考书）P.W.Atkins,MolecularQuantumMechanics,OxfordUniv.Press,Oxford,1983.林梦海。量子化学简明教程，北京：化学工业出版社，2005封继康。基础量子化学原理，北京：高等教育出版社，1987李俊篯，田安民。量子化学，成都：四川大学出版社，1989,16,Chapter1MathematicalReview第一章一些数学准备知识,（主要是矩阵知识）请参考一些线性代数书籍,17,Chapter1MathematicalReview,Itistheaimofthischaptertoequipyouwiththenecessarymathematicalmachinery.Vectors（向量，矢量）Matrices（矩阵）Orthogonalfunctions（正交函数）Operators（算符，算子，操作符）Thevariationmethod（变分法）,18,第一章数学准备,1.1矩阵的定义和运算方法1.2行矩阵和列矩阵1.3方阵1.4行列式求值和矩阵求逆1.5线性代数方程组的求解1.6本征值和本征矢量1.7线性变换,19,1.1矩阵的定义和运算方法,由来矩阵的加减法矩阵的乘法矩阵不符合交换律转置矩阵（行列互换）转置共轭矩阵零矩阵,20,行矩阵和列矩阵,行矢和列矢Dirac符号（左矢和右矢）正交矢量组矢量的长度或模正交归一矢量组,21,1.3方阵,方阵和对角阵同阶对角阵乘积可以对易（满足交换律）其积也是对角阵三对角阵单位矩阵和纯量矩阵厄米矩阵方阵的行列式，奇异和非奇异方阵方阵的逆酉阵正交阵酉阵的性质（定理8-定理11）,22,1.4行列式求值和矩阵求逆,行列式的展开,23,我们在中学曾经学习过求解二元一次线性方程组,（1）,当两个方程的未知数系数不成比例，即,时，,我们有,（2）,为方便记忆，我们引入二阶行列式,24,（3）,则（2）可以表示为,（4）,即当（1）的系数行列式,时，,（1）的解可以,用二阶行列式表示为（4）。,25,次对角行列式（其中对角线上的元素为,，其余的元素为0）的值为,26,例2证明下三角行列式,27,行列式的值可以通过（代数）余子式进行展开进行降阶，从而最后求出。从行列式的定义我们可以看出，要利用行列式的定义来计算行列式的值是比较麻烦的，因为它要涉及