"量子化学"的搜尋報告

量子化学，应用量子力学的规律和方法来处理和研究化学问题的一门学科。将量子理论应用于原子体系还是分子体系是区分量子物理与量子化学的分界线，目前认为最早的量子化学计算是1927年布劳(Ø.Burrau)对H₂，开创了量子化学这一交叉学科。经过近八十年发展之后，量子化学已经成为化学家们广泛应用的一种理论方法。

量子化学发展史

分子轨道理论：分子体系中的电子用单电子波函数满足Pauli不相容原理的直积(如Slater行列式)来描述，其中每个单电子波函数通常由原子轨道线性组合得到(类似于原子体系中的原子轨道)，被称作分子轨道，分子轨道理论是目前应用最为广泛的量子化学理论方法。

HF自洽场方法：Hartree-Fock方法，又称HF自洽场方法(SCF, Self-Consistent Field), 指对HF方程通过迭代达到自洽的计算方法，是其他高级分子轨道理论方法的基础。
CI方法：组态相互作用(Configuration Interaction)方法，是一种考虑了组态间相互作用的理论方法。用HF自洽场方法计算获得的波函数和各级激发的波函数为基展开体系波函数。完全的组态相互作用(Full-CI)是指定基组下最精确的方法，但其计算量约以基函数的阶乘规模增加，目前仅限于对小分子作为Benchmark以检测其他方法的可靠性，在实际应用中常采用截断CI方法，如DCI、SDCI等。由于截断CI不满足体积加合性(size-consistency)，虽然有一些经验方法校正(如Davidson correction)，仍然限制了其应用。
MP方法：多体微扰方法，将多电子体系的总哈密顿算符与Fock算符的差作为体系的微扰项，应用Rayleigh-Schroedinger微扰方法计算。一级微扰等价于HF，二级微扰可以达到甚至超过DCI方法的精度水平，但计算量远远小于DCI。一般不适用于能级接近简并的体系。
多组态自洽场方法：将HF方程的求解方法用于多电子基函数展开的电子波函数中，本质上是CI方法的一个变种，恰当地应用可以克服截断CI不满足体积加合性的缺点，并比较地准确处理能级近简并的体系。
半经验计算方法：Extended Huckel method, AM1,PM3等方法。在计算过程中根据实验数据，将一些波函数积分用经验常数替代，可以上千倍地减少计算量，采用的经验常数不同，半经验算法的应用范围也不同，应用时需要根据研究体系的具体情况进行选择。
价键理论
密度泛函理论：当分子体系各原子核空间位置确定后，电子密度在空间中的分布也确定，可以将体系的能量表示为电子密度的泛函，密度泛函分析变分法求出能量最低时的电子密度分布和体系能量。

量子化学研究内容
通过计算不同分子结构的体系能量，量子化学方法可以找到分子势能面上的最低点，从而确定分子在某一电子态的稳定构型

分子结构
化学反应的过程可以看做分子体系在势能面上滑动的过程，通过量子化学的计算，可以找到势能面上的“驻点”：处于最低点的反应物和产物以及处于鞍点的过渡态，对比所有可能的反应途径极其相对应的反应活化能，可以找到最有可能的反应途径。

化学反应
量子化学计算可以获得分子体系的电子波函数，通过这些电子波函数可以求算偶极矩、极化率等分子性质的计算，但是由于数学方法的局限，量子化学计算方法只能从上方逼近真实的分子体系能量，是一种 近似计算，虽然能量的计算可以获得较好的结果，但是获得的电子波 函数 质量却很差，因而分子性质计算的精度远远不及分子体系能量的计算。另一方面改进量子化学计算方法以获得质量更好的电子波函数也是量子化学家目前面临的挑战之一。

分子性质

Gaussian[1]:量子化学领域最著名和应用最广泛的软件之一，由量子化学家約翰波普的实验室开发，可以应用从头计算方法、半经验计算方法等进行分子能量和结构；过渡态能量和结构；化学键及反应能量；分子轨道；偶极矩；多极矩；红外光谱和拉曼光谱，核磁共振，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径等分子相关计算。可以运行在Windows、Linux、Unix操作系统中运行，目前最新版本为Gaussian 03。但由於Gaussian Inc. (Gaussian的發展者)排斥其他軟件發展者的行為，而引來不少批評；其行為包括逐原開發者約翰波普離開Gaussian Inc. (因而成為學術界其中一件為人齒冷的事件）；禁止其他開發者(包括約翰波普)使用Gaussian. （引發起 Banned By Gaussian 運動 [2]) 和禁止任何使用者發表比較Gaussian與其他量子化學軟件效能的報告等。
Gamess-US[3]: 由於免費與開放源碼，成為除Gaussian以外，最廣泛應用的量子化學軟件，目前由Iowa State Uinversity的 Mark Gorden 教授的研究組主理。
Q-Chem[4]:由一群隨約翰波普離開Gaussian Inc. 的學者創立的一個商業量子化學軟件。
Spartan[5]:提供一個十分優良的圖形介面作量子化學計算，尤其適合非從事量子化學研究的學者使用。此軟件中有很大部的電子相關方法的計算程序實源自Q-Chem，所以當使用到該些計算方法而作出報告時，應同時於文獻參考中引述Spartan與Ｑ-Chem。
MOLPRO[6]：应用广泛的量子化学计算软件，软件长于高精度计算，用多参考CI，耦合簇等方法处理电子相关问题能够对较大的分子体系进行准确的从头计算。
MOPAC[7]：应用最广泛的半经验量子化学计算软件，能够以AM1，AM1-d，PM3，MNDO，MNDO-d，MINDO/3等半经验计算方法计算分子体系的自由能，活化能，反应路径，偶极矩，非线性光学特性以及红外光谱等性质。MOPAC 7以前的版本为免费软件，自MOPAC 7开始转为商业软件，目前最新版本为MOPAC2007。
MOLCAS[8]：是一套包含各种量子化学计算方法的软件，可以进行分子结构计算，键能，化学反应的能垒，激发能（包括自旋-轨道耦合），振动分辨吸收光谱，以及各种分子特性的计算，并且可以产生分子间的作用力，用于分子动力学的计算。目前最新版本为MOLCAS 6.4。
其他量子化学计算软件目前，除了上面提到的几版著名量子化学计算软件之外，还有大量商业和免费的量子化学计算软件，其中绝大部分是从事量子化学或计算化学研究的实验室自行开发的，此外，一些著名的大型化学软件如HyperChem、Chem3D、Sybyl等，也包含有量子化学计算包。

量子化学计算软件
计算化学
波恩-奥本海默近似
密度泛函理论
多体微扰理论
Hartree-Fock方程

外部链接
1. Ø. Burrau, Kgl. Danske Videnskab. Selskab, Mat. Fys. Medd., 7, 14 (1927)
2. W. Heitler and F. London, Z. Physik., 44, 455 (1927)