KJM Molekylmodellering. Monte Carlo simuleringer og molekyldynamikk - repetisjon. Statistisk mekanikk

Like dokumenter
KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder

KJM Molekylmodellering. Molekylorbitalteori - repetisjon. Variasjonsprinsippet. Kvantemekanikk. systemet

KJM Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering. Introduksjon. Molekylmodellering. Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering. Molekylmekanikk - repetisjon. Kraftfeltenergien. Klassisk modell

KJM Molekylmodellering. Introduksjon. Molekylmodellering. Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

KJM Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering. Korrelerte metoder - repetisjon. Korrelerte metoder

KJM Molekylmodellering. Semi-empiriske metoder - repetisjon. Generell ytelse

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder. Introduksjon. Kvantekjemiske metoder. Kvantekjemiske metoder

TKJ4170 Midtsemesterrapport

VÅREN Oppgave II. b) Hamilton-operatoren for en partikkel med masse m på en ring med radius r er gitt ved

KJM Molekylmodellering

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

BOKMÅL NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR KJEMI KJ1041 KJEMISK BINDING, SPEKTROSKOPI OG KINETIKK HØSTEN 2010

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder. Repetisjon. Geometrioptimering. Hartree Fock

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder. Repetisjon. Kvantekjemiske metoder. Basissett oppsummert

KJM Molekylmodellering. Basissett - repetisjon. Basissett oppsummert. Hartree Fock-grensen

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

KJM Molekylmodellering

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

KJM Molekylmodellering

LØSNING EKSTRAØVING 2

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 1 1 LØSNING ØVING 1

KJM2600-Laboratorieoppgave 2

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Tid:

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eten % 1.2%

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30. mai 2008 Tid: a 0 = 4πǫ 0 h 2 /(e 2 m e ) = 5, m

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Eksamen i KJ133 våren Løsningsforslag for kvantemekanikkoppgaven

Eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Mandag 12. desember :00 18:00

KJM Molekylmodellering. Hartree Fock - repetisjon. Hartree Fock. Hartree Fock

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk, - Ekstraøving 2 1. Ekstraøving 2. = 1 2 (3n2 l 2 l), = 1 n 2, 1 n 3 (l ), 1 n 3 l(l + 1.

TFY løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Figur 1: Skisse av Franck-Hertz eksperimentet. Hentet fra Wikimedia Commons.

TFY Løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4. Vibrerende to-partikkelsystem

KJM Molekylmodellering

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK onsdag 5. august 2009 kl

TFY Øving 7 1 ØVING 7. 3-dimensjonal isotrop harmonisk oscillator

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Lørdag 29. mai 2010 kl

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 11. Sindre Rannem Bilden og Gruppe 4

Institutt for fysikk. Eksamensoppgave i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Teoretisk kjemi. Trygve Helgaker. Centre for Theoretical and Computational Chemistry. Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo. Onsdag 13.

TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk - Øving 1 1 ØVING 1. En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv

TFY Løsning øving 6 1 LØSNING ØVING 6. Grunntilstanden i hydrogenlignende atom

Oppgave 1. NORSK TEKST Side 1 av 4. NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Lørdag 8. august 2009 kl

KAPITEL 1. STRUKTUR OG BINDINGER.

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsning, eksamen TFY4205 Kvantemekanikk II Mandag 13. august 2012

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK 26. mai 2006 kl

Løsningsforslag Eksamen 29. mai 2010 FY1006 Innføring i kvantefysikk/tfy4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 1 1 ØVING 1. En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv

KJM Molekylmodellering. Molekyler i løsning. Introduksjon. Introduksjon

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 6 1 ØVING 6. Fermi-impulser og -energier

TFY4215_S2018_Forside

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 INNFØRING I KVANTEFYSIKK Lørdag 13. august 2011 kl

Oppgave 1 (Deloppgavene a, b, c og d teller henholdsvis 6%, 6%, 9% og 9%) NORSK TEKST Side 1 av 7

KORT INTRODUKSJON TIL TENSORER

TFY Løsning øving 7 1 LØSNING ØVING 7. 3-dimensjonal isotrop harmonisk oscillator

Løsningsforslag Eksamen 13. august 2011 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Oppgave 1 (Teller 34 %) BOKMÅL Side 1 av 5. NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk

FY1006/TFY Øving 9 1 ØVING 9

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 LØSNING ØVING 5. Kvantekraft. L x. L 2 x. = A sin n xπx. sin n yπy. 2 y + 2.

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Tirsdag 9. desember 2003

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 1 ØVING 2. Krumningsegenskaper for endimensjonale energiegenfunksjoner

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

2. Postulatene og et enkelt eksempel

KJM Molekylmodellering. Molekylmekanikk. Oversikt. Introduksjon

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

MNF, UiO 24 mars Trygve Helgaker Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 8 1 LØSNING ØVING 8

Løsningsforslag Eksamen 11. august 2010 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Oppgave 2 Vi ser på et éndimensjonalt system hvor en av de stasjonære tilstandene ψ(x) er gitt som { 0 for x < 0, ψ(x) = Ne ax (1 e ax (1)

ψ(x) 2 dx = 1. (3) For det siste integralet har vi brukt fra Rottmann at

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-2001

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Transkript:

KJM3600 - Molekylmodellering Vebjørn Bakken Kjemisk institutt, UiO Monte Carlo simuleringer og molekyldynamikk - repetisjon KJM3600 - Molekylmodellering p.1/50 Monte Carlo simuleringer og molekyldynamikk - repetisjon p.2/50 Statistisk mekanikk Statistisk mekanikk knytter sammen mikroskopisk og makroskopisk regime Forbindelse mellom teori og eksperiment Et ensemble er et antall kopier av samme system, hver karakterisert av sin tilstand Eksempelvis fysisk system og ensembler, representerer Statistisk mekanikk Den ergodiske hypotesen setter likhetstegn mellom makroskopisk tids-middel og ensemble-middel Partisjonsfunksjonen er helt sentral: Generelt umulig å bestemme eksakt Posisjoner og bevegelsesmoment 6 -dimensjonale faserommet utgjør det (1) Monte Carlo simuleringer og molekyldynamikk - repetisjon p.3/50 Monte Carlo simuleringer og molekyldynamikk - repetisjon p.4/50

Metoder Monte Carlo simuleringer Generelt to typer metoder for importance sampling Monte Carlo (MC) simuleringer Molekyldynamikk (MD) Begge har som mål å effektivt besøke de viktigste områdene av faserommet Gir systemet initiell konfigurasjon Systemet pertuberes så av tilfeldige endringer f.eks. i geometrien Metropolis-algoritmen styrer: Hvis godtas alltid pertubasjonen Hvis godtas den med sannsynlighet Molekyldynamikk Monte Carlo simuleringer og molekyldynamikk - repetisjon p.5/50 Monte Carlo simuleringer og molekyldynamikk - repetisjon p.6/50 Sammenligning MD og MC Gir klassiske trajektorier 1. Sett opp initialbetingelser (sampling) 2. Beregn kreftene som virker på samtlige partikler 3. Oppdater tid, posisjoner og hastigheter (Newtons bevegelseligninger) 4. Beregn molekylære egenskaper 5. Gå til 2., med mindre konvergens/termineringskrav er oppfylt MD Tidsutvikling Tidsavhengige egenskaper Fysiske forflytninger Lett å sjekke konsistens Generelt langsommere MC Ingen tidsskala Kun likevektsegenskaper Kunstige forflytninger Vanskelig å sjekke konsistens Generelt raskere Konklusjon: Bruk MD om mulig Monte Carlo simuleringer og molekyldynamikk - repetisjon p.7/50 Monte Carlo simuleringer og molekyldynamikk - repetisjon p.8/50

Oversikt Molekylorbitalteori Introduksjon Grunnleggende molekylorbitalteori Variasjonsprinsippet Born Oppenheimer-approksimasjonen Orbitalapproksimasjonen Sekulærligningen Fler-elektronsystemer Slater-determinanter Molekylorbitalteori p.9/50 Molekylorbitalteori p.10/50 Introduksjon Introduksjon Så langt konsentrert oss om klassiske metoder, med grunnlag i klassisk mekanikk Klar til å gå løs på metoder med røtter i kvantemekanikken Atomære systemer oppfører seg fundamentalt forskjellig fra vår makroskopiske verden Det viktigste postulatet i kvantemekanikken er at for et hvert system finnes det en bølgefunksjon inneholder all informasjon om systemet Observable bestemmes ved å la operatorer virke på bølgefunksjonen Egenverdiligning, tallet er observablen (2) Molekylorbitalteori p.11/50 Molekylorbitalteori p.12/50

Schrödinger-ligningen Hamilton-operatoren Den viktigste operatoren er Hamilton-operatoren, returnerer systemets totale energi Ikke-relativistisk og feltfritt: (3) Dette er den tidsuavhengige Schrödinger-ligningen Brukes for å bestemme (4) og er elektroner, og er kjerner Molekylorbitalteori p.13/50 Molekylorbitalteori p.14/50 Kinetisk energi De to første leddene er kinetisk energi til hhv. elektroner og kjerner Laplace-operatoren i kartesiske koordinater Operatoren for kinetisk energi (5) Tilstander Ligning (3) har generelt (uendelig) mange løsninger Representerer de ulike tilstandene systemet kan være i Hver egenfunksjon karakteriseres av egenverdien Bølgefunksjonene kan alltid velges ortonormale (7) (6) Molekylorbitalteori p.15/50 Molekylorbitalteori p.16/50

Energi Variasjonsprinsippet Fra ligning (3) og (7) kan man sette opp Oppskrift for å bestemme energien til : (8) danner et komplett sett av funksjoner En vilkårlig funksjon kan derfor skrives (10) Integralet over er ikke nødvendigvis trivielt å løse... (9) Kan videre vise at (11) Molekylorbitalteori p.17/50 Molekylorbitalteori p.18/50 Variasjonsprinsippet Variasjonsprinsippet Tilsvarende finner man Ligning (11) og (12) gir (12) (13) Den laveste energien kaller vi Svarer til grunntilstanden En klassisk beskrivelse ville ikke hatt en slik nedre grense Høyresiden må per definisjon være større eller lik null Gir oss (14) Molekylorbitalteori p.19/50 Molekylorbitalteori p.20/50

Variasjonsprinsippet Eksempel Ligning (14) oppsummerer variasjonsprinsippet matematisk Konklusjon: Energien til er alltid større eller lik den eksakte grunntilstandsenergien Likhet kun når Kan enkelt sammenligne ulike approksimative bølgefunksjoner Jo lavere energi, jo bedre approksimasjon Bestemmelse av bølgefunksjonen (energien) til syklopropan 5 iterasjoner: Born Oppenheimer-approks. Molekylorbitalteori p.21/50 Born Oppenheimer-approks. Molekylorbitalteori p.22/50 Hamilton-operatoren inneholder svært mange vekselvirkninger Komplisert mange-partikkelproblem, må approksimere Kjernene er langt tyngre enn elektronene, beveger seg mye langsommere I Born Oppenheimer-approksimasjonen antar man at elektronene umiddelbart tilpasser seg en hver kjerne-konfigurasjon Frikobler elektronenes og kjernenes bevegelser Kjernekoordinatene blir faste parametre Beregner elektronisk bølgefunksjon er den elektroniske energien Kjerne-kjernerepulsjonen er en konstant (15) Molekylorbitalteori p.23/50 Molekylorbitalteori p.24/50

Born Oppenheimer-approks. BO-approksimasjonen er generelt meget god Gir en entydig energi som funksjon av Energien beregnet for ulike konfigurasjoner danner en hyperflate av dimensjon ( for lineære system). Dette er potensialenergiflaten til molekylet (potential energy surface, PES) Kjernene beveger seg i dette potensialet satt opp av elektronskyen Potensialenergiflater Grunnlaget for molekylstruktur Likevektsgeometrien er globalt minimum, lokaliseres ved geometrioptimering Molekylorbitaler BO-approksimasjonen fjerner korrelasjon mellom elektroner og kjerner Molekylorbitalteori p.25/50 Reduserer antall frihetsgrader, men fortsatt vanskelig mange-partikkelproblem Bølgefunksjonen til et fler-elektronsystem antas å være uhyre komplisert Umulig å bestemme eksakt Molekylorbitaler Orbitalapproksimasjonen sier at kan approksimeres med et produkt av en-elektronfunksjoner En-elektronfunksjonene er egenfunksjoner til den elektronisk Schrödinger-ligningen Kalles molekylorbitaler (MO er) Molekylorbitalteori p.26/50 (16) Korresponderende egenverdi er energien til ett elektron i denne orbitalen Molekylorbitalteori p.27/50 Molekylorbitalteori p.28/50

Molekylorbitaler Trenger effektiv måte for MO-konstruksjon MO ene som lineærkombinasjoner av atomorbitaler (AO er) Kalles LCAO (linear combination of atomic orbitals) AO ene kan hentes fra hydrogenaktige atomer (17) Settet av funksjoner Basissett kalles et basissett Kan lokaliseres hvor som helst, men vanlig å sentrere dem på atomene Funksjonsformen kan i prinsippet også velges fritt Antall og form vil bestemme kvaliteten på MO ene I praksis velger vi basissett fra en lang rekke ferdigdefinerte sett Basissett Molekylorbitalteori p.29/50 Sekulærligningen Molekylorbitalteori p.30/50 Energien til LCAO-MO er kan beregnes fra forventningsverdien Lineærekspansjonen innsatt gir oss (18) er resonansintegralene er overlappintegralene Molekylorbitalteori p.31/50 Molekylorbitalteori p.32/50

Sekulærligningen AO ene er generelt ikke ortonormale Overlappintegralene måler romlig overlapp mellom atomorbitalene Stort overlappintegral gir stort resonansintegral er energien til et elektron som okkuperer Benytter variasjonsprinsippet: En MO optimeres ved å variere koeffisientene, slik at energien minimeres Sekulærligningen Minima karakteriseres ved at samtlige deriverte skal være null Med koeffisienter, gir derivasjon av (17) ligningssettet (19) (20) Sekulærligningen Ligningene har ikke-trivielle løsninger kun dersom koeffisient-determinanten er null.. Dette er sekulærligningen.... Molekylorbitalteori p.33/50 (21) Sekulærligningen Generelt vil ligningen ha røtter, dvs. energier Flere av disse kan være identiske (degenererte) Til hver energi hører det et sett koeffisienter Definerer en optimal molekylorbital i det gitte basissettet Molekylorbitalteori p.34/50 (22) Molekylorbitalteori p.35/50 Molekylorbitalteori p.36/50

Oppskrift Bestemmelse av en-elektronfunksjoner: 1. Velg basissett med funksjoner 2. Bestem de matriselementer og 3. Sett opp sekulærdeterminanten og finn dens røtter 4. For hver energi bestemmes MO-koeffisientene Hückel-teori Hückel-teori ble behandlet i KJ133 Tar for seg aromatiske -systemer Basissett av p-orbitaler Setter overlappintegralene settes lik en konstant mellom naboatomer settes lik MO ene er ortogonale (degenererte MO er kan gjøres ortogonale) mellom ikke-naboer settes lik null Molekylorbitalteori p.37/50 Molekylorbitalteori p.38/50 Hückel-teori Hückel-teori Forenkler sekulærdeterminanten dramatisk Eksempel: Benzen (23) Finner orbitalenergiene og (1) (husk at (1), (2), De 6 elektronene dobbeltokkuperer de tre bindende MO ene ) (2) MO en med lavest energi er fullstendig symmetrisk, like koeffisienter på alle atomene Kan beregne delokaliseringsenergi, bindingsorden m.m. Enkel Hückel-teori pedagogisk modell Molekylorbitalteori p.39/50 Molekylorbitalteori p.40/50

Fler-elektronsystemer Fler-elektronsystemer Hückel-teori er eksempel på en-elektronformalisme Bare korrekt dersom kan separeres i uavhengige en-elektronoperatorer, Ingen vekselvirkning mellom elektronene har egenfunksjoner Den totale bølgefunksjonen skrives som et Hartree-produkt: Totalenergien blir sum av en-elektronbidragene Ikke realistisk, elektronene vil vekselvirke Holder på Hartree-produkt formen, men benytter korrekt Minimerer (24) Molekylorbitalteori p.41/50 Molekylorbitalteori p.42/50 Fler-elektronsystemer SCF Orbitalene der blir da egenfunksjoner av (25) (26) Hartree foreslo self-consistent field (SCF) metode Begynner med å gjette på orbitalene Konstruerer Løser en-elektronligningene og finner nye Holder på til har konvergert Dette er SCF-orbitalene si er elektrontettheten assosiert med elektron, det vil Molekylorbitalteori p.43/50 Molekylorbitalteori p.44/50

SCF Slater-determinanter I SCF-metoden vekselvirker hvert elektron med et midlere potensial satt opp av de andre elektronene Ingen momentane elektron-elektronvekselvirkninger Totalenergien er ikke lik summen av orbitalenergiene ville innebære dobbelttelling av repulsjonen, Elektroner har karakteristisk spinn ( og I tråd med Paulis eksklusjonsprinsipp, går det to elektroner med motsatt spinn i hver MO Annen viktig egenskap er anti-symmetri En bølgefunksjon som beskriver fermioner skal skifte fortegn når to partikler byttes om (Pauli-prinsippet) ) Molekylorbitalteori p.45/50 Molekylorbitalteori p.46/50 Slater-determinanter Slater-determinanter Anta et system med to -elektroner Korrekt oppførsel får vi ved å skrive (27) (29) Lar vi permutasjonsoperatoren finner man Fundamentalt galt! virke på denne, (28) Oppfyller Pauli-prinsippet Faktoren sikrer normering Kalles en Slater-determinant Molekylorbitalteori p.47/50 Molekylorbitalteori p.48/50

Slater-determinanter Generelt system som determinant..... er spinnorbital, produkt av romorbital og spinnfunksjon Kompakt notasjon:. (30) Slater-determinanter Alle elektroner i alle spinnorbitaler, klarer jo ikke å skille mellom partiklene Klassisk Coulomb-repulsjon reduseres korrekt med rent kvantemekanisk exchange-energi Redusert sannsynlighet for å finne elektroner med parallelle spinn nær hverandre (Fermi-hull) Korrelasjon mellom elektroner av samme spinn Molekylorbitalteori p.49/50 Molekylorbitalteori p.50/50