本科毕业论文
题 目：量子化学计算的基本原理及应用 院 (部)：理学院 专 业：应用物理学 班 级：光电061 姓 名：岳远霞 学 号：2006121260 指导教师：季燕菊 完成日期：2010年6月10日
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目 录
摘要········································································I ABSTRACT································································I 1 前 言
1.1量子化学计算的背景与发展··················································1 1.2量子化学计算软件··························································2 1.3量子化学计算的研究意义····················································3
2 量子化学计算的基本原理
2.1 薛定谔方程································································4 2.2密度泛函理论······························································5 2.3 MollerPlesset(MP)方法····················································7 2.4 量子化学计算的基本方法···················································8
3 量子化学的应用
3.1在能源研究中的应用·······················································14 3.2在材料研究中的应用·······················································18 3.3在生物大分子研究中的应用·················································18
4 结 论····································································20 谢 辞······································································21 参考文献···································································22
I
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摘 要
量子力学计算通过求解薛定谔方程研究分子的性质。量子力学力学化学的研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能；分子与分子之间的相互反应等问题。量子力学计算在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理和计算化学领域最常用的方法之一。通过计算可得到反应过程中的分子的结构、能量等信息，和实验一样是一种强有力的研究手段，也有助于实验的发展。本文从讲述薛定谔方程出发然后扩展到密度泛函理论和 Moller Plesset(MP)方法，列举了各种量化计算方法，并分析了各种计算方法，最后介绍了量化计算在各领域的应用，详细分析了从头计算法等一些方法在锂离子电池研究中的应用。
关键词：薛定谔方程；密度泛函理论；Moller Plesset(MP)方法；量子化学计算方法；量子化学计算的应用；从头计算法
II
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ABSTRACT
Quantum mechanics is calculated through studying the schrodinger equation. The scope of Quantum mechanics chemical research includes stable and unstable molecular structure and performance, The interaction between the molecules and molecular reactions. Quantum mechanics calculation in physics and chemistry are widely used for research, especially in the properties of molecular and condensed matter physics, it is one of the most commonly used methods of the condensed matter physics and calculation chemistry field. Through the calculation the reaction process of molecular, its energy and structure can be obtained, and like experiments as a powerful research method, also conduce to experiment.This paper describes the Schrodinger equation and then extended to the density functional theory and Moller Plesset (MP) method, listed a variety of quantitative calculation and analysis of various calculation methods, and finally introduced the measure in quantitative terms in all fields of application, a detailed analysis of the ab initio calculation and some methods of study in the lithium-ion battery applications.
Keywords: schrodinger equation；Dens1ty Funet1ona1 Theory；Moller
Plesset(MP)method,；Abinitio；Quantum chemical calculation method；application of quantum chemistry calculation
III
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1 前 言
1.1 量子化学计算的背景与发展
量子化学是理论化学的一个分支学科，是用量子力学原理研究原子、分子和晶体的电子层结构、化学键理论、分子间作用力、化学反应理论、各种光谱、波谱和电子能谱的理论，以及无机和有机化合物、生物大分子和各种功能材料的结构和性能关系的科学。
1927年海特勒和伦敦用量子力学基本原理讨论氢分子结构问题，说明了两个氢原子能够结合成一个稳定的氢分子的原因，并且利用相当近似的计算方法，算出其结合能。由此，使人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题，从而逐渐形成了量子化学这一分支学科。
量子化学的发展历史可分两个阶段：第一个阶段是1927年到20世纪50年代末，为创建时期。其主要标志是三种化学键理论的建立和发展，分子间相互作用的量子化学研究。在三种化学键理论中，价键理论是由鲍林在海特勒和伦敦的氢分子结构工作的基础上发展而成，其图象与经典原子价理论接近，为化学家所普遍接受。 第二个阶段是20世纪60年代以后。主要标志是量子化学计算方法的研究，其中严格计算的从头算方法、半经验计算的全略微分重叠和间略微分重叠等方法的出现，扩大了量子化学的应用范围，提高了计算精度。
量子化学的研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能，及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。
量子化学可分基础研究和应用研究两大类，基础研究主要是寻求量子化学中的自身规律，建立量子化学的多体方法和计算方法等，多体方法包括化学键理论、密度矩阵理论和传播子理论，以及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的应用等。应用研究是利用量子化学方法处理化学问题，用量子化学的结果解释化学现象。 量子化学的研究结果在其他化学分支学科的直接应用，导致了量子化学对这些学科的渗透，并建立了一些边缘学科，主要有量子有机化学、量子无机化学、量子生物和药物化学、表面吸附和催化中的量子理论、分子间相互作用的量子化学理论和分子反应动力学的量子理论等。
三种化学键理论建立较早，至今仍在不断发展、丰富和提高，它与结构化学和合成化学的发展紧密相联、互相促进。合成化学的研究提供了新型化合物的类型，丰富了化学键理论的内容；同时，化学键理论也指导和预言一些可能的新化合物的合成；
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