Методы приближенного решения уравнения шредингера — Про уравнения

Гидродинамика Шрёдингера на пальцах

В этой статье в качестве эксперимента я постараюсь максимально доступно рассказать, как работает новый метод расчёта гидродинамики, основанный на решении уравнения Шрёдингера.

Всем привет. В этой статье я хотел бы рассказать о новом методе расчёта гидродинамики, основанном на решении уравнения Шрёдингера вместо уравнений, типично используемых для гидродинамики вроде Навье-Стокса. Сам метод очень подробно и полно раскрыт в диссертации Albert Chern'а, названной "Fluid Dynamics with Incompressible Schrödinger Flow". Однако, статья Chern'а кому-то может показаться написанной на не самом доступном языке, поэтому своей статьёй я бы хотел в первую очередь если не объяснить в деталях, как работает этот метод, то хотя бы объяснить, какими интересными свойствами он обладает, и что же именно скрывается за его математикой. Попутно я кратко расскажу о том, как устроены классические методы расчёта гидродинаимики и как новый подход от них отличается. В качестве эксперимента я бы хотел попробовать написать статью так, чтобы каждый, кто отдалённо интересуется программированием физики, нашёл в ней что-то интересное, понятное, и новое для себя — от начинающего программиста до бывалых расчётчиков.

Вступление

Почему это важно? В первую очередь потому, что это обозначает глубинное родство квантовомеханических и гидродинамических систем. В диссертации того паренька больше сотни страниц уделено тому, как это вообще так получилось. С участием явления сверхтекучести, которая является загадочным связующим звеном, так как проявляет очевидные свойства идеальной жидкости, являющиеся исключительно следствием квантовой механики. Я же в этой статье далее я рассмотрю только некоторые из параллелей, которые из этого, простите, вытекают.

Следующее очень важное следствие эквивалентности уравнения Шрёдингера и Навье-Стокса — это что решение одного из них эквивалентно решению другого. Так вот уравнение Навье-Стокса — нелиненое, его очень неудобно и неэффективно в общем случае решать, в то время как уравнение Шрёдингера — линеное и его решать гораздо проще. Чтобы составить представление, насколько же неудобным по сей день считается уравнение Навье-Стокса, могу сообщить, что существует целый международный фонд грантов для исследователей, которым хоть какую-то базу под них подстроит, так как(цитата):

Even basic properties of the solutions to Navier–Stokes have never been proven.

Уравнение Шрёдингера же, хоть и описывает мутную квантовую физику, поддаётся решению гораздо легче и эффективнее. Короче, я могу очень долго гудеть про то, как это невероятно и офигенно, но давайте уже перейдём к чему-то более конкретному.

Решение классической гидродинамики на пальцах

Что вообще такое — уравнение гидродинамики? Что такое уравнение Навье-Стокса и как его понять? С ответом на этот вопрос гораздо лучше меня справились миллионы авторов статей по этому делу, например, классическая статья от нвидии, по которой многие начинали: https://developer.download.nvidia.com/books/HTML/gpugems/gpugems_ch38.html Однако, я попробую написать очень сжато и на пальцах, что это всё значит и что с этим обычно делают.
Уравнение Навье-Стокса описывает закон, которому обязана подчиняться скорость каждой точки пространства, заполненного равномерной несжимаемой жидкостью. Представьте себе, например, бассейн с водой, в котором выделили некоторый куб, достаточно далеко от стенок, поверхности и дна, в котором нет ничего кроме воды. Вода в нём может как угодно течь, но не может ни образовывать пузырей, ни с чем-то сталкиваться (мы для простоты опустим эти эффекты). Тогда само уравнение Навье-Стокса описывает закон, которому будет подчиняться скорость каждой точки воды в этом кубе:

\(\frac<\partial \vec u><\partial t>=-(\vec u \cdot \vec \nabla)\vec u-\frac<1><\rho>\vec \nabla p + \nu <\vec \nabla>^2 \vec u + \vec F\)
\(\vec \nabla \vec u = 0\)

прежде чем вообще смотреть на это уравнение, предлагаю сразу из него выбросить ненужное — то, что нам всё равно не пригодится для понимания и только место занимает. Это член, отвечающий за диффузию \(\nu <\vec \nabla>^2 \vec u\) (у идеальной жидкости один фиг диффузии нет), и за внешнюю силу \(\vec F\) (так как мы обойдёмся без неё). Остаётся система:
\(\frac<\partial \vec u><\partial t>=-(\vec u \cdot \vec \nabla)\vec u-\frac<1><\rho>\vec \nabla p\)
\(\vec \nabla \vec u = 0\)
Здесь перевёрнутый треугольник называется оператором Набла, который обозначает дифференцирование. Причём смысл этого оператора меняется в зависимости от того, где именно он стоит (например, перед вектором или скаляром). Я постараюсь объяснить смысл каждого его вхождения по порядку. На пальцах смысл всей формулы в следующем. \(\vec u(\vec x)\) — это значение скорости жидкости, которое определяется в каждой точке пространства \(\vec x\) . Уравнение описывает закономерности, которым обязана подчиняться эта величина, если она описывает поведение несжимаемой жидкости. Работает хоть для двумерного, хоть для трёхмерного случая. В левой части первого уравнения стоит \(\frac<\partial \vec u(\vec x)><\partial t>\) — это величина называется производной по времени и показывает, как быстро и куда(это вектор) изменится скорость в точке \(\vec x\) в момент времени \(t\) .

Нулевой вектор производной по времени обозначает, что скорость в этой точке сейчас не меняется, а, например, вектор (10, 0)[м/c 2 ] обозначает, что за следующую секунду скорость вырастет на 10[м/с] по оси x(если сама производная не поменяется).

Слагаемое вида \(-(\vec v \cdot \vec \nabla)\vec u\) называется адвекцией и говорит, что поле скоростей \(\vec u\) в этой точке утекает в направлении \(\vec v\) . В нашем же случае \(\vec u = \vec v\) , то есть поле скоростей сносит само себя. Это, кстати, и называется нелинейностью и из-за этого возникает миллион проблем при решении этого уравнения.

В принципе, смысл этого члена достаточно интуитивно можно представить именно как утекание каждой точки воды по вектору её скорости. Однако, в общем случае производная векторного поля \(\vec u\) по направлению \(\vec v\) обозначается как \((\vec v \cdot \vec \nabla)\vec u\) и обозначает, как меняется функция \(\vec u\) в направлении \(\vec v\) для этой точки.

Слагаемое же \(-\frac<1><\rho>\vec \nabla p\) является ускорением, которое получает жидкость в точке из-за градиента давления.

Оператор \(\vec \nabla\) , действующий на скалярное поле(например, давление), называется градиентом. Если слева от некоторой точки давление больше, чем справа, то градиент в ней будет направлен вправо и будет увлекать за собой жидкость в этом направлении. Например, ветер всегда дует в направлении, обратном градиенту давления воздуха (отсюда и минус). Электрический ток течёт в направлении градиента электрического потенциала:
\(E=\vec \nabla \phi\)

Второе уравнение \(\vec \nabla \vec u = 0\) называется уравнение непрерывности, а оператор \(\vec \nabla\) здесь действует на вектор и называется дивергенцией.

Оператор дифференцирования, действующий на вектор, называется дивергенцией. Дивергенция, равная нулю, говорит, что для каждого маленького кубика сколько в него жидкости втекает, столько и вытекает. А так как любой объём можно разбить на маленькие кубики, то свойство будет справедливо и для объёма любой формы. Это свойство называют также условием несжимаемости, так как если бы в какой-то объём втекало больше жидкости, чем вытекало, это бы означало, что жидкость в объёме накапливается, сжимаясь. Другой случай применения дивергенции, который может помочь её представить — это теорема Гаусса:
\(\vec \nabla E=\rho\)
Эта теорема говорит, что напряжённость электрического поля, которая "вытекает" из некоторого объёма, всегда вызвана электрическим зарядом плотности \(\rho\) внутри этого объёма. Если в объёме заряда нет, то и дивергенция нулевая.

То есть, одним предложением уравнение Навье-Стокса можно описать так: темп изменения скорости определяется течением и градиентом давления, но жидкость при этом не может сжиматься.

Классическое решения уравнения Навье-Стокса

Посмотрим теперь, как это уравнение можно программно решить. Для этого можно использовать подход, который называется расщеплением — разбить сложный физический процесс, состоящий из нескольких элементарных, на отдельные чередующиеся стадии и считать, что на каждой стадии работает только один элементарный процесс, а остальные выключены. Как ни странно, можно доказать (см. статью выше), что это — на самом деле математически обоснованная стратегия. Поэтому будем считать, что состояние скоростей для каждой точки в текущий момент времени \(\vec u(\vec x, t)\) нам известно. А для расчёта состояния в следующий момент времени \(t+dt\) , разобьём сложный процесс гидродинамической эволюции на простые стадии:
1) снесём поле скоростей по течению. это может немного "сжать" жидкость.
2) найдём такое давление, чтобы жидкость "расжалась".
Первый шаг называется адвекцией, второй — проекцией.

Адвекция

Адвекция, или течение, можно приближённо посчитать достаточно легко — если известно, что в точке \(\vec x\) , в момент времени \(t\) скорость равна \(\vec u(\vec x, t)\) , то в момент времени \(t+dt\) скорость в неё притечёт жидкость из точки \(\vec x - \vec u(x, t)\cdot dt\) .
\(\vec u^*(\vec x, t+dt)=\vec u(\vec x - \vec u(\vec x, t), t)\)
То есть мы получили промежуточное значение скорости, котороже уже утекло по течению, но теперь в нём нарушено условие непрерывности.

Это особенно удобно программируется на GPU, так как это можно посчитать, если хранить скорость в текстуре и её обновлять, просто читая тексели со смещением \(- \vec u(x, t)\cdot dt\) и используя стандартную аппаратную линейную интерполяцию.

Проекция

Проекция берёт скорость, для которой нарушено условие непрерывности \(\vec u^*\) и ищет такое давление, которое её "выправит" до нормальной скорости \(\vec u\) . Умные мужики доказали, что такое поле можно найти единственным образом и оно всегда будет градиентом некоторого скалярного поля (давления, в нашем случае):
\(\vec u(\vec x, t+dt)=\vec u^*(\vec x, t+dt) + \vec \nabla p\)
Помножим обе стороны этого равенства на оператор дифференцирования:
\(\vec \nabla \vec u(\vec x, t+dt)=\vec \nabla \vec u^*(\vec x, t+dt) + \vec \nabla^2 p\)
"ПОГОДИ-КА СУСЕЛ, ЭТО ЕЩЁ ЧТО" — можете меня спросить вы. Всё по порядку, но на самом деле отсюда для общего понимания достаточно знать, что если \(\vec u^*(\vec x)\) известно(а оно известно), то отсюда можно найти давление \(p(\vec x)\) . Если вспомнить, что в нашем случае дивергенция скорости равна нулю, то остаётся вот такое выражение.
\(\vec \nabla^2 p=-\vec \nabla u^*\)

В правой части этого равенства стоит дивергенция скорости, которую можно легко приблизительно посчитать, если известна скорость \(\vec u^*\) (а она известна). В левой части стоит штука, которая называется лапласианом давления.

Лапласиан — это оператор дифференцирования (ещё называется оператор набла) в квадрате, то есть применённый дважды к скалярному полю. Первый раз применяем оператор дифференцирования — получаем градиент. Второй раз — получаем дивергенцию. Таким образом оператор лапласа — это дивергенция градиента скалярного поля. Его можно представить как изменение потока скорости через маленький кубик, которое будет вызвано давлением в точке. Ещё одна аналогия — как поменяется дивергенция электрического поля в объёмчике, если в него положить заряд плотностью \(\rho\) (опять же, теорема Гаусса):
\(\vec nabla \vec E = \rho\) , \(\vec nabla \phi=\vec E\) => \(\vec nabla^2 \vec phi = \rho\)

Уравнение вида "лапласиан чего-то неизвестного равен чему-то известному" называется уравнением Пуассона. Что бы это ни значило, существует стандартный итеративный алгоритм, который позволяет его решить, то есть найти такое давление, чтобы его лапласиан был равен чему угодно. "Что угодно" мы знаем — это дивергенция промежуточной скорости, поэтому считаем по ней давление. Далее для давления считаем градиент и вычитаем результат из промежуточной скорости, чтобы получить окончательную скорость для следующего шага по времени:
\(\vec u=\vec u^* + \vec \nabla p\)

Шаги адвекции и проекции повторяем до посинения, рассчитывая всё дальше и дальше эволюцию поля течений по времени. Для визуализации можно, например, напускать частиц, которые могу сноситься этим полем скоростей. Результат выглядит так:

Важно понять, что в этом видосе, равно как и во всех остальных гифках этой статьи, жидкость на самом деле находится в большом кубе (границы которого не показаны), а не только там, где видны частицы. Частицы только уносятся полем скоростей, как, например, частицы дыма уносятся полем скоростей воздухе. Сами частицы никакой роли в физике процесса не играют и только позволяют относительно наглядно его продемонстрировать. Частицы обычно добавляются заранее туда, где ожидаются какие-то интересные турбулентности.

Важные особенности классического подхода

"Всё здорово, сусел, но в названии статьи ты написал что-то там про Шрёдингера! Он вообще где? Зачем нам это всё?" — спросите вы. Вопрос резонный. Но всю крутость подхода со Шрёдингером можно осознать, только если иметь представление о слабых сторонах классического солвера, который мы рассмотрели в предыдущей главе. В чём же они заключаются? Давайте об этом поговорим.

Основа любого расчётного метода — это то, как в нём представлены моделируемые данные. В рассмотренном нами подходе мы храним значение скорости для каждой точки. Например, в текселях двумерной или трёхмерной текстуры. Этот способ здорово работает, если требуется описать ровное поле течений, в котором нет особенностей (так называются завихрения и разные другие неоднородности). Неоднородностей обычно нет в вязких жидкостях вроде мёда или майонеза, поэтому метод очень здорово подходит, чтобы моделировать майонез. Но более текучие среды (например, вода, воздух и дым) отличаются тем, что в них существенную роль играют злополучные турбулентные течения — мелкие завихрения, имеющие очень сложную и нерегулярную структуру, даже образующие фракталы, которые очень неудобно описывать просто их значениями в каждой точке текстуры/массива. Если попытаться их моделировать, то все мелкие особенности быстро смазываются и расплываются, что соответствует поведению вязкой жидкости. Такое поведение называется численной вязкостью — это вязкость жидкости, которая появляется не потому что она является частью уравнения, которое мы решаем, а это паразитная вязкость, всплывающая как паразитное следствие нашего метода решения. Более того, напомню, что первое, что мы сделали, не успев взглянуть на уравнение Навье-Стокса — выкинули из него вязкость, так в ней недостатка точно не будет.

А вот избавиться от вязкости гораздо труднее, чем случайно её посчитать. Один из способов — это измельчать расчётную сетку. Чтобы таким методом получить что-то хоть как-то похожее на дым, понадобится сетка минимум 1024x1024x1024, то есть как минимум гигабайт памяти, если хранить по 1 байту на узел. А хранить захочется как минимум трёхкомпонентную скорость, то есть, скорее всего, 32 гигабайта в сумме. Это не только не разумно с точки зрения затрат памяти, это ещё и очень медленно. Другой способ — это представлять скорость не её направлением в каждой точке, а как сумму маленьких элементарных вихрей. Этот метод называется также методом дискретных вихрей. В нём вообще всё не так просто с процессами порождения новых вихрей и удаления старых, с поддержанием нужной плотности (так как вихри друг друга уносят, как частицы) и ещё миллион проблем, можете сами почитать, если интересно. Другой подход основан на том, что в реальных течениях вихри имеют свойство образовывать вращающиеся нити. Представьте медленно движущийся жгут, вокруг которого быстро вращается жидкость. Если такой жгут замыкается в кольцо, получается тороидальный вихрь, образующий знакомое кольцо дыма:

Существуют подходы, которые вместо хранения величины скорости в точках, хранят именно параметры таких жгутов. Но такие методы полагаются на топологию, поэтому в них необходимо считать, как жгуты взаимодействуют, сливаются, распадаются и вообще происходящее быстро теряет простоту и наглядность.

Однако, у классического метода есть одно очень важное положительное свойство — в нём вообще нет параметров. Обратите внимание, что для расчёта используется только скорость и больше вообще ничего — ни вязкости, ни даже плотности. В уравнении Навье-Стокса без вязкости есть плотность, но её можно "спрятать" в нормировку давления, поэтому можно сказать, что в исходном уравнении параметров также нет. Забегая вперёд, замему, что в солвере на уравнении Шрёдинге будет параметр. Загадочный.

На следующей странице мы рассмотрим, как же применить уравнения Шрёдингера, чтобы смоделировать тот же самый процесс, и какой в этом профит. Будет много картинок.

Лекция №1. Квантов0механическ0е обоснование теории строения молекул и химической связи. Строение атома (стр. 4 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9

Из различных методов определения СЭ наиболее прямой и точный - измерение минимальной энергии фотоотрыва электрона от отрицательного иона.

Для большинства атомов присоединение электрона - экзотермический процесс. Наиболее высоким по абсолютной величине сродством к электрону обладают атомы галогенов в последовательности Cl > F > Вг > I. Энергии ионизации и сродство к электрону молекул определяют также, как это сделано для атома.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ИЗУЧЕНИИ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛ И ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

1. Молекула. Потенциальная поверхность. Равновесная конфигурация

2. Теория химической связи и её задачи.

3. Вариационный метод решения уравнения Шрёдингера.

§1. Молекула. Потенциальная поверхность. Равновесная конфгурация.

В химии молекулой называют наименьшую частицу данного вещества, обладающую его химическими свойствами, способную к самостоятельному существованию. Если отвлечься от поступательного движения молекулы как целого, то в ее энергию вносят вклад три вида движения: 1) движение электронов в поле ядер, 2) колебание ядер около положения равновесия и вращение молекулы вокруг оси, проходящей через центр масс, причем Еэл >> Екол >>Евр.

Хотя эти движения взаимосвязаны, можно приближенно рассматривать их как независимые и считать энергию молекулы равной сумме электронной, колебательной и вращательной энергий:

Е = Еэл + Екол +Евр. (6.1)

Волновая функция молекулы в этом приближении равна произведению функций, описывающих указанные три вида движения:

(6.2)

Остановимся на наиболее важной составляющей энергии молекулы - электронной энергии. Так как скорость тяжелых ядер во много раз меньше скорости легких электронов, приближенно можно рассматривать движение электронов в молекуле в каждый данный момент, считая ядра неподвижными (приближение Борна - Оппенгеймера). Выбранному фиксированному положению ядер R отвечает определенная энергия электронов , включающая их кинетическую энергию, энергию взаимодействия электронов друг с другом и энергию взаимодействия электронов с ядрами.

Условимся включать сюда также энергию отталкивания ядер . Тогда название "электронная" для указывает, что учитывается движение только электронов, но не ядер, а фиксированное расстояние между ядрами R рассматривается как параметр. Индекс "эл" при этом можно опустить (Eкол и Евр здесь не рассматриваются). Если расстояние между ядрами R изменится, изменится поле ядер, в котором движутся электроны, изменится и электронная энергия системы . В этом смысле электронная энергия есть функция межъядерного расстояния и по отношению к движению ядер играет роль потенциальной энергии. Вид функции для двухатомной молекулы АВ изображает кривая о рис. 5.1., называемая потенциальной кривой. Когда атомы А и В удалены на бесконечное расстояние, электронная энергия равна сумме электронных энергий невзаимодействующих атомов А и В в основном состоянии: .

При сближении ядер электронная энергия понижается (сила притяжения электронов к ядрам преобладает над силами отталкивания между ядрами и между электронами). Затем потенциальная кривая проходит через минимум при R = rе и при дальнейшем сближении ядер возрастает, стремясь к бесконечности при R →0 (преобладает сила отталкивания). Межъядерное расстояние R=re, отвечающее минимуму потенциальной кривой, называется равновесным. При R=re равнодействующая всех сил притяжения и отталкивания равна нулю, молекула находится в устойчивом состоянии. Этому состоянию отвечает строго определенное значение электронной энергии молекулы. За нуль отсчета энергии можно принять, как и для атома, энергию невзаимодействующих электронов и ядер. Разность между суммой энергий невзаимодействующих атомов и Eэл. мол называют энергией химической связи или энергией диссоциации молекулы, отсчитанной от минимума потенциальной кривой, и обозначают De (глубина "потенциальной ямы"):

Данная потенциальная кривая соответствует классическим представлениям. Однако в нее надо внести поправки, так как равновесное состояние неосуществимо с точки зрения квантовой механики: в этом состоянии ядра неподвижны, значит, одновременно точно определены координата (R = rе) и импульс (р = 0), что противоречит соотношению неопределенностей Гейзенберга. Параметры rе и De (рис. 6.1) относятся таким образом к гипотетическому равновесному состоянию. В действительности даже и при 0К ядра не зафиксированы при R - rе, а совершают колебания около положения равновесия. Реальная энергия молекулы при этом выше, чем предполагалась, на величину энергии "нулевых колебаний" (рис.6.1). При нулевых колебаниях расстояние R между ядрами изменяется, в результате чего нулевой колебательный уровень характеризуется некоторым усредненным значением r0, которое из-за асимметрии потенциальной кривой незначительно, отличается от гипотетического равновесного расстояния rе=0,751·10-10 м и 0,741·10-10 м соответственно для Н2).

Определяемая на опыте энергия диссоциации молекулы D0 отсчитывается не от минимума потенциальной кривой как De, а от уровня нулевых колебаний (рис.и связана с De соотношением

(6.4)

Энергия диссоциации D0, служит мерой прочности химической связи и определяется как изменение энергии в процессе - АВ = А + В при 0 К в идеально-газовом состоянии. Если специальных указаний нет, то понимается, что как молекула АВ, так и атомы А и В находятся в основном электронном состоянии. Это определение сохраняет силу и для многоатомных молекул. Например, для молекулы AmBn энергией диссоциации будет изменение энергии в процессе AmBn = mA + nB.

Потенциальная поверхность. Равновесная конфигурация. При описании потенциальной кривой вместо Eэл. мол обычно используют символ E(R) или Е. Для многоатомной молекулы Е является функцией уже не одной, а нескольких пространственных координат Rij. Например, потенциальная энергия молекулы ABC является функцией трех независимых координат - R1(A - В), R2(B - С) и угла о(АВС) или расстояний R1(A - В), R2(B - С) и R3(А - С).

Для линейной молекулы с фиксированным углом α- 180° эта функция изобразится поверхностью в трехмерном пространстве (потенциальная поверхность) Устойчивому состоянию молекулы отвечает минимальное значение ее энергии E(АВС) и определенное относительное расположение ядер в пространстве, называемое равновесной конфигурацией молекулы с параметрами rе(А - В) и rе(В - С). Глубина потенциальной ямы определяет энергию химической связи De и по формуле (5.4) энергию диссоциации молекулы D0.

Для более сложной молекулы, чем линейная ABC, равновесная конфигурация и энергия равновесного состояния определяются положением минимума на потенциальной поверхности в многомерном пространстве. Если потенциальная поверхность имеет два (или более) минимума, для молекулы возможны два изомера или более, отличающиеся параметрами равновесной конфигурации и энергией. Если минимума на потенциальной поверхности нет, данная система нестабильна, при любом расположении ядер она распадается на невзаимодействующие атомы.

Так же как и атом, молекулу можно перевести в возбужденные электронные состояния (энергия возбуждения Те), каждому из которых отвечает своя потенциальная поверхность или кривая (кривая б на рис. 6.1).

Рассмотрев потенциальную кривую (поверхность), можно дать еще одно определение молекулы молекула — физически устойчивая система, состоящая из двух (или более) ядер и определенного числа электронов, состояние которой описывается потенциальной кривой (поверхностью) с минимумом.

Говоря о физической устойчивости, понимают, что соединение атомов в молекулу сопровождается понижением энергии системы. Данным здесь определением охватываются кроме обычных молекул (Н2, СН4 и др.) также радикалы (СН, ОН, СН3 и др.) и молекулярные ионы (Н+, O2- и др.). Этому отвечает одинаковый подход теории строения к изучению перечисленных типов частиц. В тех случаях, когда молекулы одноатомны (благородные газы, пары металлов), сохраняет силу аналогичное определение для атома.

Равновесная конфигурация предполагает жесткую фиксацию всех межъядерных расстояний в молекуле. Однако реальная молекула не является жесткой системой. Вместе с тем у огромного большинства молекул амплитуды колебаний ядер весьма малы по сравнению с межъядерными расстояниями и можно, пренебрегая колебаниями, рассматривать молекулы как жесткие системы ("квазижесткие" или "квазитвердые" молекулы).

Равновесные конфигурации молекул принято относить к тем или иным точечным группам симметрии.

Двухатомные молекулы подразделяются на молекулы с одинаковыми ядрами, или гомонуклеарные (например, Н2), и с неодинаковыми ядрами, или гетеронуклеарные (например, HCI). Свойства симметрии их различны.

Симметрия равновесной конфигурации определяет и симметрию электронного облака молекулы. В связи с этим гомонуклеарные и гетеронуклеарные молекулы различаются по электрическим и оптическим свойствам, таким, как дипольный момент, поляризуемость и магнитная восприимчивость, правила отбора в спектрах. То же относится и к многоатомным молекулам, различающимся по симметрии, как, например, СН4 и СН3С1.

Рассмотренные молекулярные параметры: энергия диссоциации, межъядерные расстояния, равновесная конфигурация важны для химии не только как индивидуальные характеристики молекул. По ним можно рассчитать термодинамические свойства веществ и константы равновесия химических реакций.

§2. Теория химической связи и ее задачи. Уравнение Шредингера для молекул

Взаимодействие атомов, приводящее к образованию молекул простых и сложных веществ, а также кристаллов, называют химической связью. Взаимодействие атомов многообразно, поэтому многообразны и химические связи, которые часто сводят к нескольким основным типам: ковалентной, ионной, донорно-акцепторной, водородной связи и др. Однако все эти взаимодействия можно описать с позиций единой теории химической связи.

1) Эта теория призвана объяснить, какие силы действуют между атомами, как атомы объединяются в молекулы, что обеспечивает устойчивость образовавшейся сложной частицы (то же относится к кристаллам, жидкостям и другим телам).

2) Теория должна объяснить опытные факты, лежащие в основе классического понятия валентности, и наряду с этим существование и устойчивость многочисленных соединений, не укладывающихся в привычные рамки классических структурно-химических представлений.

3) Теория должна разработать единые методы расчета молекулярных параметров, интерпретировать молекулярные спектры.

4) Наконец, теория должна сделать возможным априорный расчет скорости химического процесса, зависимости ее от строения молекул реагирующих веществ.

Современная теория химической связи, теория строения молекул и кристаллов базируется на квантовой механике: молекулы, как и атомы, построены из ядер и электронов, и теория химической связи должна учитывать корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц. До применения методов квантовой механики к химии не удавалось создать непротиворечивую теорию химической связи.

Её фундамент был заложен в 1927 г. Гейтлером и Лондоном. Выполнив на основе квантовой механики расчет свойств молекулы водорода, они показали, что природа химической связи электрическая, никаких особых сил химического взаимодействия не существует. Действующие в молекуле между ядрами и электронами гравитационные и магнитные силы пренебрежимо малы по сравнению с электрическими силами.

Квантовомеханический подход к исследованию строения атома и молекулы один и тот же: нужно составить и решить уравнение Шредингера для системы из электронов и ядер и дать физическую интерпретацию полученным решениям. Составляя уравнение Шрёдингера для электронной энергии молекулы в приближении Борна - Оппенгеймера, считают ядра неподвижными.

Следовательно, электронная энергия для молекулы не зависит от координат ядер, а только от фиксированного расстояния R между ними (рис. 6.2). Во внимание принимаются лишь изменения координат электронов. Простейшая из молекул молекулярный ион содержит один электрон и два ядра. Для одного электрона в поле двух ядер (ион ) уравнение Шредингера имеет вид

. (6.5)

Для молекулярного иона потенциальная энергия

(6.6)

включает притяжение электрона 1 к ядрам А и В (первые два члена) и отталкивание ядер (ядра А и В у совершенно одинаковы - это протоны). Для иона с учетом (6.6) уравнение Шредингера принимает вид

, (6.7)

где Ψ - одноэлектронная волновая функция (собственная функция Шредингера для системы с одним электроном). Индексы "эл. мол." при E и Ψ - опущены для упрощения записи.

Состояние молекулы Н2 описывается уже двухэлектронной функцией Ψ, зависящей от координат двух электронов (см. рис. 6.2).

Многоэлектронными будут и волновые функции более сложных молекул. Уравнение Шредингера для молекулы Н2 имеет вид

(6.8)

Индексы 1 и 2 при операторах Лапласа указывают, что волновая функция молекулы дифференцируется по координатам первого () и второго () электронов. Усложнится и выражение для потенциальной энергии:

(6.9)

В (6.9) первые четыре члена обозначают потенциальную энергию притяжения электронов 1 и 2 к ядрам А и В соответственно, пятый член - потенциальную энергию взаимного отталкивания электронов 1 и 2, последний член - энергию отталкивания ядер. Аналогично записывается уравнение Шредингера и для многоатомных молекул. В уравнениях (6.7) и (6.8) используется координатная молекулярная функция Ψ. Полная волновая функция молекулы Фмол, учитывающая и спин, должна удовлетворять принципу Паули антисимметрии волновых функций и строится в виде определителя.

Для молекулы, так же как и для атома, точное решение уравнения Шредингера возможно лишь для системы, содержащей один электрон - для молекулярного иона типа . Уже для молекулы Н2 в выражении (6.9) появляется член (энергия электронного отталкивания), зависящий от координат двух электронов, и точное решение невозможно. Однако принципиальный ответ о природе химической связи можно получить и при помощи приближенных методов решения волнового уравнения.

§3. Вариационный метод решения уравнения Шрёдингера

Одним из широко применяемых при рассмотрении теории химической связи приближенных методов решения уравнения Шредингера является вариационный метод. Здесь коротко излагается его сущность.

Уравнение Шредингера (1.1) может быть представлено в так называемой операторной форме. Для этого разделим все члены уравнения на и перегруппируем члены. Получим

Сумма двух действий, производимых над функцией Ψ в левой части, дифференцирование и умножение, может быть записана с помощью оператора ,

который называют оператором энергии, оператором Гамильтона или гамильтонианом. Уравнение приобретает лаконичную форму:

По такому же принципу строится оператор Гамильтона для многоатомных систем, например, для молекулы Н2

(6.11)

Умножим обе части уравнения Шредингера (6.10) на функцию Ψ*, комплексно сопряженную с волновой функцией

. (6.12)

Если Ψ — действительная функция, то Ψ*=-Ψ. (Левую сторону уравнения (6.12) нельзя записать аналогично правой в виде , так как в отличие от E - оператор, а не число). Возьмем интеграл от обеих частей (5.12) по всему пространству, причем Е как постоянную величину вынесем за знак интеграла:

. (6.13)

Если функция Ψ нормирована, знаменатель обращается в единицу и

. (6.14)

Если известно точное выражение для Ψ, то энергия системы может быть рассчитана по формулам (6.13) или (6.14). Однако, обычно не известны ни Ψ ни Е либо неизвестна Ψ. Тогда для отыскания Ψ и Е можно воспользоваться вариационным принципом: подставив в (6.13) или (6.14) вместо истинной функции приближенную к ней так называемую пробную функцию Ψпробн, получим отвечающее ей значение Е. Оно обязательно будет не ниже энергии основного состояния системы E0

. (6.15)

Решение уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 13 Октября 2013 в 00:54, реферат

Краткое описание

Уравнение Шрёдингера для атомов, содержащих более одного электрона, не может быть решено в аналитическом виде. В связи с этим рассматривают приближённые методы, наиболее существенным, из которых является метод самосогласованного поля. Идея метода заключается в том, что каждый электрон в атоме рассматривается как движущийся в самосогласованном поле, создаваемом ядром вместе со всеми остальными электронами.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………….3
Многоэлектронные атомы…………………………………………………………4
Методы решения уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов
1.1 . Метод самосогласованного поля Хартри…………………………………. 5
1.2. Принцип Паули и определители Слейтора. Метод Хартри – Фока………7
Вывод………………………………………………………………………………10
Литература………………………………………………………………………. 11

Прикрепленные файлы: 1 файл

сдать2.doc

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЯ ШРЕДЕНГЕРА ДЛЯ МНОГОЭЛЕКТРОННЫХ АТОМОВ

Выполнила студентка 4 курса 2 группы естественно-географического

факультета отделения «Химия-биология»

Проверила доцент кафедры химии

Методы решения уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов

1.2. Принцип Паули и определители Слейтора. Метод Хартри – Фока………7

Введение.

Построение самосогласованного поля может осуществляться либо методом последовательных приближений (изначально предложенным Хартри) или прямым вариационным методом.

Существенно, что вычисления методом самосогласованного поля весьма громоздки, особенно для сложных атомов. Для них применяется другой метод — метод Томаса — Ферми.

Обобщение метода Хартри — Фока, в котором учитываются волновые функции пар частиц, является метод Хартри — Фока — Боголюбова.

В атоме водорода электрон находится в силовом поле, которое создается только ядром. В многоэлектронных атомах на каждый электрон действует не только ядро, но и все остальные электроны. При этом электронные облака отдельных электронов как бы сливаются в одно общее многоэлектронное облако. Точное решение уравнения Шредингера для таких сложных систем связано с большими затруднениями и, как правило, недостижимо. Поэтому состояние электронов в сложных атомах и в молекулах определяют путем приближенного решения уравнения Шредингера.

Общим для всех приближенных методов решения этого уравнения является так называемое одноэлектронное приближение, т. е. предположение, что волновая функция многоэлектронной системы может быть представлена в виде суммы волновых функций отдельных электронов. Тогда уравнение Шредингера может решаться отдельно для каждого находящегося в атоме электрона, состояние которого, как и в атоме водорода, будет определяться значениями квантовых чисел n, l, m и s. Однако и при этом упрощении решение уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов и молекул представляет весьма сложную задачу и требует большого объема трудоемких вычислений. В последние годы подобные вычисления выполняются, как правило, с помощью быстродействующих электронных вычислительных машин, что позволило произвести необходимые расчеты для атомов всех элементов и для многих молекул.

Исследование спектров многоэлектронных атомов показало, что здесь энергетическое состояние электронов зависит не только от главного квантового числа n, но и от орбитального квантового числа l. Это связано с тем, что электрон в атоме не только притягивается ядром, но и испытывает отталкивание со стороны электронов, расположенных между данным электроном и ядром. Внутренние электронные слои как бы образуют своеобразный экран, ослабляющий притяжение электрона к ядру, или, как принято говорить, экранируют внешний электрон от ядерного заряда. При этом для электронов, различающихся значением орбитального квантового числа l, экранирование оказывается неодинаковым.

В многоэлектронных атомах энергия электрона зависит не только от главного, но и от орбитального квантового числа. Главное квантовое число определяет здесь лишь некоторую энергетическую зону, в пределах которой точное значение энергии электрона определяется величиной l. В результате возрастание энергии по энергетическим подуровням происходит примерно в следующем порядке:

ls 2 \r_ij в уравнении , зависящей от координат двух электронов, выражающим, описывающим межэлектронного взаимодействия как функцию координат каждого отдельного электрона: V_эф.

Чтобы определить особые функции ѱ_i и особые значения оператора гамильтона надо знать потенциал V_эф.( ѱ_i), который зависит от искомых функций. Эта трудность устраняется в методе последовательных приближений. В качестве начальных волновых функций берут какие-либо пробные функции, например, функции водородоподобного атома.

Затем решают уравнение Шредингера и находят функции первого приближения усредненного потенциала. Обычно новые величины энергий межэлектронного взаимодействия сильно отличается от первоначальных, что связано с неточностью исходных функций. Поэтому находят функции следующего приближения и т.д.

Критерием получения достаточно хороших ѱ_i является совпадение с заданной точностью величин V_эф., рассчитанных для ѱ n и ѱ (n+1) т.е. потенциалы V_эф. должны быть согласованными с функциями ѱ_i . Это требование и определяет название метода самосогласованного поля.

[spoiler title="источники:"]

http://pandia.ru/text/78/418/15321-4.php

http://www.referat911.ru/Himiya/reshenie-uravneniya-shredingera-dlya-mnogojelektronnyh/187177-2310669-place1.html

[/spoiler]