• 电子结构引论读书笔记:第二章-多电子波函数和算符


    更新:3 MAY 2016

    多电子哈密顿算符的一般写法:

    (mathscr{H}=-sumlimits_{i=1}^{N}dfrac{1}{2} abla_i^2-sumlimits_{A=1}^{M}dfrac{1}{2M_A} abla_A^2-sumlimits_{i=1}^{N}sumlimits_{A=1}^{M}dfrac{Z_A}{r_{iA}}+sumlimits_{i=1}^{N}sumlimits_{j>i}^{N}dfrac{1}{r_{ij}}+sumlimits_{A=1}^{M}sumlimits_{B>A}^{M}dfrac{Z_AZ_B}{R_{AB}})

    注:1. 采用原子单位制;2. 未考虑相对论效应;3. 无外场

    2.1 描述电子

    2.1.1 原子单位制(a.u.):

    长度单位:Bohr (=dfrac{4pivarepsilon_0hbar^2}{m_ee^2}=a_0=0.52918 overset{circ}{ m{A}})

    能量单位:Hartree (=dfrac{e^2}{4pivarepsilon_0a_0}=mathscr{E}_a=27.211 m{eV}=627.51 m{kCal/mol})

    质量单位:电子质量 (m_e=9.1095 imes10^{-31} m{kg})

    电荷单位:电子电荷量 (e=1.6022 imes 10^{-19} m{C})

    角动量单位:约化普朗克常量 (hbar=1.0546 imes 10^{-34} m{Jcdot s})

    2.1.2 Bohr-Oppenheimer近似

    2.1.3 电子波函数反对称、自旋与泡利不相容原理

    2.2 描述轨道

    2.2.1 自旋轨道与空间轨道

    考虑电子自旋与空间分布的电子波函数称为自旋轨道Spin Orbitals;只考虑空间分布的电子波函数成为空间轨道Spatial Orbital。

    2.2.2 Hartree积

    2.2.3 Slater行列式

    行:同一原子占据不同自旋轨道;列:同一自旋轨道放置不同原子。N个电子占据N个自旋轨道。

    系数:((N!)^{-frac{1}{2}})

    是使Hartree积满足反对称性的线性组合。

    2.2.4 Hartree-Fock近似

    Fock算符:(f(i)=-dfrac{1}{2} abla_i^2-sumlimits_{A=1}^{M}dfrac{Z_A}{r_{iA}}+v^{HF}(i))

    Hartree-Fock方程:(f(i)chi( extbf{x}_i)=varepsilonchi( extbf{x}_i))

    其中关键是单电子势能项(v^{HF}(i))为其他电子对第i个电子的平均势能。具体定义见下章。

    自洽场方法SCF:猜测初始自旋轨道,从而由库仑定律求出平均场;由平均场代入Fock算符,由变分法求出一组新的基态自旋轨道。重复此过程直到能量、轨道的变化小于误差范围。

    难点:每个Hartree-Fock方程能够解出第i个电子的一组本征值与相互正交的本征函数(无穷多),而且在形式上所有电子的Fock算符形式相同,意味着N个电子将占据这同样的无穷多个自旋轨道。

    Rooothaan方程详细见下章。

    2.2.5 实例:最小基H2模型

    重叠积分S,交换积分

    2.2.6 激发态行列式

    单重激发、二重激发……将体系波函数(Dirac记号表示的Slater行列式)中基态的自旋轨道替换成原先的空自旋轨道即可。

    2.2.7 精确波函数与组态相互作用CI

    思路:

    设({chi_i(x)})是以上解出的一组完全基(无穷多个元素)。由于Hartree-Fock近似的限制,任何一种填充方式都不能精确表示体系的状态。但是体系的状态却可以表示为各种填充方式(体系波函数,Slater行列式,或称组态configuration)的线性叠加,即

    (|Phi angle=c_0|Psi_0 angle+sumlimits_{ra}|Psi_a^r angle+sumlimits_{a<b atop r<s}c_{ab}^{rs}|Psi_{ab}^{rs} angle+sumlimits_{a<b<c atop r<s<t}c_{abc}^{rst}|Psi_{abc}^{rst} angle+cdots)

    对系数c作线性变分,得到精确的波函数与能量。将精确基态能量记为(mathscr{E}_0)。定义相关能(correlation energy)(E_{corr}=mathscr{E}_0-E_0)。由于体系的精确基态能量最低,因此相关能应当为负值。

    Full-CI:选择({chi_i(x)})为有限组基(如2K,K为空间轨道的个数)。难点:对角化是什么意思

    2.3 描述算符(算符与矩阵元)

    讲解思路:2.3.1 最小基H2矩阵元的求法 - 2.3.2 单电子与二电子积分的记号(各种括号) - 2.3.3 求矩阵元的一般规则 - 2.3.4 一般规则的推导 - 2.3.5 由空间轨道代替自旋轨道的方法 -2.3.6 库仑积分与交换积分 -2.3.7 对行列式能量的伪经典解释(看填充方式写体系能量)

    算符的矩阵元即(H_{ij}=langlePsi_i|mathscr{H}|Psi_j angle)

    (mathscr{H}=sumlimits_{i=1}^{N}h(i)+sumlimits_{i=1}^{N}sumlimits_{j>i}^{N}v(i,j)equiv mathscr{O}_1+mathscr{O}_2)

    由矩阵元写能量

    空间轨道替代自旋轨道的意义:实际中闭壳层由于自旋的正交性,上面记号中有大量的零项。计算一步自旋可以删去零项。

    2.4 二次量子化

    2.4.1 升降算符的运算

    升算符(a_i^+)在Dirac记号左面增加一个自旋轨道(chi_i),降算符(a_i)在Dirac记号左面消去一个自旋轨道(chi_i)。对降算符,如果Dirac记号中含有对应项而不在最左面,交换位置使之处于最左面。交换一次位置符号发生一次变化。

    (a_ja_i+a_ia_j=0)

    (a_ia_i=0)

    (a_ia_j^++a_j^+a_i=delta_{ij})

    定义真空态 (langle | angle =1)

    以真空态为基础可以构筑任何组态,计算组态的重叠积分也可以改写成升降算符形式运算(利用上面的规则)。

    2.4.2 升降算符的矩阵元

    2.5 自旋匹配组态

    spin-adapted configuration

    2.5.1 自旋算符

    2.5.2 restricted行列式与自旋匹配组态

    2.5.3 unrestricted行列式

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