C9930 Metody kvantové chemie

Přírodovědecká fakulta
jaro 2012
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk.
Vyučující
doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat. (přednášející)
Garance
doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat.
Národní centrum pro výzkum biomolekul – Přírodovědecká fakulta
Dodavatelské pracoviště: Národní centrum pro výzkum biomolekul – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Po 11:00–12:50 C04/211
Předpoklady
absolvování kurzu C9920
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Tento předmět v návaznosti na kurz C9920 doplňuje a prohlubuje základy metod kvantové chemie a dále se zaměřuje na strategie analýzy výsledků kvantově-chemických výpočtů. Důraz je kladen především na různé přístupy k analýze rozložení elektronové hustoty v rámci jednoelektronových přístupů (kanonické MO, NBO). Nově se kurz věnuje i technikám optimalizace geometrie stejně jako strategiím zahrnutí dynamiky a solvatace. Cíle: osvojení základů metod QCH, pochopení postupu při výpočtu konkrétních molekulových vlastností, interpretace výsledků.
Osnova
  • 1) Hartreeho metoda self-konzistentního pole pro atomy. Aproximace neinteragujících elektronů, aproximace STO s fixním stíněním, aproximace STO s optimalizovaným stíněním, aproximace obecného součinu. Operátor potenciální energie, Coulombův operátor, Hartreeho rovnice, metoda selfkonzistentního pole. Energie atomu v Hartreeho aproximaci, Coulombův integrál. 2) Metoda Hartree-Fockova (HF). Fundamentální problem Hartreeho součinu. Antisymetrie vlnové funkce. Slaterův determinant. Fockův operator, Coulombův a výměnný operator, Hartree-Fockovy rovnice. Energie atomu v Hartree-Fockově aproximaci, Coulombův a výměnný integrál. HF výpočet molekuly H2O v minimální bázi. Symetrické bázové funkce, tvary MO, výsledná VF. 3) Báze v ab inito výpočtech. Princip hledání MO jako lineárních kombinací bázových funkcí. Slaterovské a gaussovské orbital. Terminologie STO a GTO bází. 4) Příklad vstupu a výstupu HF výpočtu programem Gaussian. Struktura vstupu a výstupu, klíčová slova, způsoby zadání geometrie, analýza výstupu. 5) Variační metoda. Důkaz variačního teorému. Princip variační metody. Variační výpočet polarizovatelnosti atomu H. 6) Poruchová metoda. Princip. Taylorův rozvoj. Základní vztahy pro případ bez degenerace hladin energie: oprava prvního řádu pro energii a pro vlnovou funkci. PT výpočet energie základního stavu pro dvouelektronové systémy H-, He, Li+. Aplikace PT v kvalitativní teorii MO (PMO). 7) Nadstavby HF metody: CI. Pojem elektronové korelace. Obecný vztah pro vlnové funkce. Excitované determinanty. Konfigurační interakce (CI). CI-sekulární rovnice. Konfigurační stavové funkce, Slater-Condonova pravidla, Brillouinův teorém. Velikost CI matice. Zkrácené CI metody. 8) Ilustrace jak CI započítává elektronovou korelaci. Struktura úplné CI matice pro molekulu H2, důsledky symetrie, tvar CI vlnové funkce, nedostatky RHF popisu, RHF disociační problem, UHF popis, spinová kontaminace. Variačnost a velikostní konzistence CI. Současný status metody CI. 9) Metody MP a CC. Moeller-Plessetova poruchová teorie. Energie do prvního a druhého řádu. Typická konvergence metod MP. Variačnost a velikostní konzistence. Metody spřažených párů a klastrů: princip, výhody metod CC, výpočetní náročnost. 10) Metoda funkcionálu hustoty (DFT) I: Princip Vlnová funkce jako základní objekt tradičních ab initio metod. Elektronová hustota jako základní objekt v DFT, 1. Hohenberg-Kohnův teorém, důkaz sporem. Hledání elektronové hustoty základního stavu, 2. Hohenberg-Kohnův teorém. 11) Metoda funcionálu hustoty II: Chování modelu a praktické aspekty. Kohn-Shamův (KS) přístup v principu a v praxi. KS potenciál, aproximace lokální hustoty (LDA). Aproximace GGA a hybridní funkcionály. Srovnání výsledků pro jednotlivé funkcionály a různé vlastnosti. 12) Vlnová funkce a elektronová hustota: analýza. Interpretace MO energií a tvarů. Mullikenova populační analýza, koncept “Natural Bond Orbitals” (NBO).
Literatura
  • LEVINE, Ira N. Quantum chemistry. 6th ed. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 2009, x, 751. ISBN 9780132358507. info
  • LOWE, John P. Quantum chemistry. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 1993, xx, 711. ISBN 0124575552. info
  • PILAR, Frank L. Elementary quantum chemistry. 2nd ed. New York: McGraw-Hill Publishing Company, 1990, xvi, 599 s. ISBN 0-07-050093-2. info
  • KOCH, Wolfram a Max C. HOLTHAUSEN. A chemist's guide to density functional theory. 2nd ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2001, xiii, 300. ISBN 3527304223. info
Výukové metody
Přednášky vč. diskuse, konzultace.
Metody hodnocení
Používané výukové metody: přednášky, diskuse v hodině, prezentace výsledků vlastního výzkumu a diskuse o nich, domácí úkoly, četba z vybrané literatury. Požadavky pro ukončení: Písemná zkouška
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2011 - akreditace, jaro 2009, jaro 2010, jaro 2011, jaro 2012 - akreditace, jaro 2013, jaro 2014, jaro 2015, jaro 2016, jaro 2017, jaro 2018, jaro 2019, jaro 2020, jaro 2021, jaro 2022, jaro 2023, jaro 2024, jaro 2025.