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文档简介
《量子化学》樊建芬Chapter8IntroductionofDensityFunctionTheory第八章密度泛函理论介绍11/29从20世纪60年代密度泛函理论(DFT)提出以来,并在局域密度近似下导出著名Kohn-Sham方程以来,DFT已逐步成为量子化学计算领域强有力工具。在量子化学计算领域,据INSPEC数据统计显示:①直至80年代末,分子轨道HF方法一直占主导地位;②90年代中期,DFT和HF方法论文并驾齐驱;之后,DFT工作按指数级数增加。22/29最近几年,密度泛函方法得到了广泛应用,通常能够得到比HF方法更加好计算结果,但只需中等程度价格,对于中型或大型分子体系,其计算成本远低于MP2法。
1998年,Kohn因DFT开创性工作与Pople共同取得诺贝尔化学奖。从中可见DFT在化学领域中地位。33/29电子动能算符核-电子吸引能电子-电子排斥能电子相关交换能+++[]
=E
注:①电子相关能:主要包含自旋━轨道偶合作用能、自旋━自旋偶合作用能、轨道━轨道偶合作用能。②电子交换能,电子含有全同粒子特征,满足保里原理,波函数必须含有反对称性,它与非对称波函数能量差为交换能。分子体系Schrödinger方程2344/29两种状态波函数不一样,能量也有所差异。例:Li+某一激发态1s12s1,假设电子排布状态为1s2s为非对称波函数为反对称波函数55/29不过它在描述化学键时有些不足,而且没有相关能校正时不宜处理热化学问题。HF理论能够在分子尺寸提供较准确交换能处理,同时也是大致系实际计算工具。HF超自洽场校正,如MP多级微扰、组态相互作用CI也只能处理中小分子,对大致系是不实用。66/298.1TheHohenberg-KohnTheorem8.2TheHohenberg-kohnvariationaltheorem8.3TheKohn-Shammethod8.4CommentsontheDFTmethods77/298.1TheHohenberg-KohnTheoremIn1964,HohenbergandKohnprovedthat
“Formoleculeswithanondegenerategroundstate,theground-statemolecularenergy,wavefunctionandallothermolecularelectronicpropertiesareuniquelydeterminedbytheground-stateelectronprobabilitydensitynamely,.”Phys.Rev.136,13864(1964)88/29Densityfunctionaltheory(DFT)attemptstocalculateandotherground-statemolecularpropertiesfromtheground-stateelectrondensity
Proof:TheelectronicHamiltonianisexternalpotential11目录99/29InDFT,iscalledtheexternalpotentialactingonelectroni,sinceitisproducedbychargesexternaltothesystemofelectrons.Oncetheexternalpotentialandthenumberofelectronsnarespecified,theelectronicwavefunctionsandallowedenergiesofthemoleculearedeterminedasthesolutionsoftheelectronicSchrödingerequation.
1010/29(1)theexternalpotential(exceptforanarbitraryadditiveconstant);Itcanbeprovedthattheground-stateelectronprobabilitydensitydetermines:(2)thenumberofelectrons.91111/29“Forsystemswithanondegenerategroundstate,theground-stateelectronprobabilitydensitydeterminestheground-statewavefunctionandenergy,andotherproperties”。
emphasizesthedependenceofontheexternalpotential,whichdiffersfordifferentmolecules.
1212/29Here,However,thefunctionalsareunknown.
1313/29isalsowrittenasHere,Thefunctionalisindependentoftheexternalpotential.
目录
1414/298.2TheHohenberg-kohnvariationaltheoremthefollowinginequalityholds:whereisthetrueground–stateenergy.”“Foreverytrialdensityfunctionthatsatisfiesandforall,目录1515/29Letsatisfythatand.BytheHohenberg-Kohntheorem,determinestheexternalpotentialandthisinturndeterminesthewavefunctionthatcorrespondstothedensity.Proof:
1616/29LetususethewavefunctionasatrialvariationfunctionforthemoleculewithHamiltonian.Accordingtothevariationtheorem
1717/29SincethelefthandsideofthisinequalitycanberewrittenasHohenbergandKohnprovedtheirtheoremsonlyfornondegenerategroundstates.Subsequently,Levyprovedthetheoremsfordegenerategroundstates.
Onegets
目录
1818/298.3TheKohn-ShammethodIfweknowtheground-stateelectrondensity,theHohenberg-Kohntheoremtellsusthatitispossibleinprincipletocalculatealltheground-statemolecularpropertiesfrom,withouthavingtofindthemolecularwavefunction.41919/29
Theirmethodiscapable,inprinciple,ofyieldingexactresults,butbecausetheequationsoftheKohn-Sham(KS)methodcontainanunknownfunctionalthatmustbeapproximated,theKSformationofDFTyieldapproximate
results.1965,KohnandShamdevisedapracticalmethodforfindingandforfindingfrom.[Phys.Rev.,140,A1133(1965)].
2020/29.KohnandShamconsideredafictitiousreferencesystemsofnnoninteractingelectronsthateachexperiencethesameexternalpotentialthatmakestheground-stateelectronprobabilitydensityofthereferencesystemequaltotheexactofthemoleculeweareinterestedin:
2121/29
Sincetheelectronsdonotinteractwithoneanotherinthereferencesystem,theHamiltonianofthereferencesystemiswhereistheone-electronKohn-ShamHamiltonian.
2222/29TheKSoperatoristhesameastheHFoperatorexceptthattheexchangeoperatorsintheHFoperatorarereplacedby,whichhandlestheeffectsofbothexchangeandelectroncorrelation.
2323/29VariousapproximatefunctionalsareusedinmolecularDFTcalculations.Thefunctionaliswrittenasthesumofanexchange-energyfunctionalandacorrelation-energyfunctional:4
2424/29Amongvariousapproximations,gradient-correctedexchangeandcorrelationenergyfunctionalsarethemostaccurate.Commonlyusedand.
2525/29Lee-Yang-Parr(LYP)functionalP86(thePerdew1986correlationfunctional)PW91(PerdewandWang’s1991functional)PW86(PerdewandWang’s1986functional)B88(Becke’s1988functional)目录2626/298.4CommentsontheDFTmethods(1)TheKSequationsaresolvedinaself-consistentfashion,liketheHFequat
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