分子动力学第一次学习汇报

1、课程学习报告： Molecular Dynamics(分子动力学) 学生：Zws 本节课汇报分四个内容 1 Molecular Dynamics(MD) 简介 2 统计力学基础知识 3 力场基础知识 4 分子间势的发展 一 MD 简介 1 分子模拟 分子模拟：即根据物理和化学基本原理，利用计算机代替试验测量，获 取相关物理和化学信息的方法。 分子模拟作用： 1 计算材料结构 ； 2 计算材料性质； 3 预测材料行为； 4 验证试验结果； 5 从微观角度认识材料 分子模拟的优势 1 降低成本 2 增进安全性 3 实现通常条件下难以或无法进行的实验 超低温 超高压 此外，分子模拟还具有模拟较快或较

2、慢反应，并 帮助人们从微观角度认识材料的作用。 2 分子模拟原理 量子力学是利用波函数来研究微观粒子运动的一个物理学分支， 主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的性质、 结构的基本理论，量子力学与相对论一起构成现代物理基础。 正是量子力学的出现，许多现象才得以被真正解释，基本上所有 物理间的相互作用都可以用量子力学来描述。 第一原理方法（First Principle）：以量子力学为基础，不借助于经 验（实验）参数的方法。 最为普遍的量子力学方法为从头计算法（ab initio method）。 量子力学中一切电子的行为以其波函数表示。根据海森伯的测不 准原理，量子力学仅能计算

3、区间内电子出现的概率，其概率正比于 波函数绝对值的平方。欲得到电子的波函数，需求解薛定谔方程： HE 式中， 为薛定谔算子，为电子波函数，E为能量。H 虽然基于量子力学的从头算（ab initio）非常精确，但计算效率非 常低，所计算的系统通常不超过100个原子。因此，量子力学的方法适 用于简单的分子或电子数量较少的体系。而对于生化分子，聚合物等 含大量原子及电子的系统，量子力学方法很难求解。 为此，科学家们发展了分子模拟方法。 分子力场：根据波恩-奥本海默近似原理，计算中将电子运动忽略， 将系统的能量视为原子核位置的函数，即分子的能量随分子构型的变 化而变化，描述分子能量和结构之间的函数就称

4、为分子力场函数。 注：波恩-奥本海默近似：因原子核质量比电子大很多，近似认为 电子运动状态与核无关，从而将求解整个体系的波函数的复杂过程分 解为求解电子波函数和求解原子核波函数两个相对简单得多的过程。 分子力场函数中的参数来自于量子力学计算或实验方法得到，相 比于精确的量子力学从头算方法（ab initio）,虽然有些粗糙，但计算 量要小数十倍，而且在适当范围内，分子力场的计算结果与量子力学 计算结果接近，故对大分子复杂体系而言，分子力场方法是一套行之 有效的方法。 分子力学，分子动力学，蒙特卡洛方法等就是基于分子力场的分 子模拟方法。 蒙特卡洛(MC)方法：通过系统中质点的随机运动，结合统计力 学的概率分配原理，来得到体系的统计及热力学性质。 优点：不涉及时间时间效应，可以模拟平衡态。 缺点：只能计算统计平均值，不能得到动态信息。 而且粒子随 机运动不符合物理学运动原理。 分子动力学（MD）方法：是应用分子力场及根据牛顿运动原理 所发展的计算方法。 优点：系统中粒子运动有正确物理依据，准确性高，可以获得 系统动态性质。 缺点：无法模拟时间较长的运动问题。 二 统计力学基础知识 统计力学：根据对物质微观结构及微观粒子相互作用的认识，用概率统 计的方法，认为表征系统宏观性质的宏观量是大量微观粒子的统计平均值。 统计