クライアント · Quantum Metropolis · 量子化学

摂動理論と計算のモンテカルロ法に基づくソフトウェア。研究室での作業、研究、産業、教育システムのためのツール。物理学、化学、工学への応用。

クライアント

International Atomic Energy Agency - Austria

National Institute of Science & Technology - Japan

Bureau Veritas - Holand

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Università degli Studi di Bari - Italy

Universidad Complutense de Madrid - Spain

University of Southampton - UK

Universität F.H. Joanneum - Austria

UNIGRANRIO - Universidade do Grande Rio - Brazil

Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo - Mexico

Campus Gustavo Galindo Velasco - Ecuador

University of Malta - Malta

Escuela Superior Politécnica del Litoral - Ecuador

Universidade Católica de Brasília - Brazil

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Universidad Autónoma de Occidente - Colombia

Universidade Federal de Pernambuco - Brazil

Università degli Studi Gabriele D’Annunzio - Italy

University of Crete - Grecia

Fundação de Apoio à Pesquisa - Brazil

ARPA - Agenzia Regionale per la Protezione dell'Ambiente - Italy

University of Nis - Serbia

Universidad Juárez Autónoma de Tabasco - Mexico

Universidad Nacional de Federico Villarreal - Perú

Sana'a University - Yemen

University of Tehran – Irán

Polska Akademia Nauk - Polish Academy of Sciences - Polonia

Secretaría de Minería de la Nación - Argentina

ARPA - Agenzia Regionale per la Protezione dell'Ambiente - Italy

United Kingdom Environment Agency - UK

Exxon Mobil Corp. - USA

King Mongkut University of Technology Thonburi - Tailandia

Universidad Nacional de Educación a Distancia - UNED - Spain

Universidad Pupular Autónoma del Estado de Puebla - Mexico

Universidad Europea Miguel de Cervantes - Spain

Universidad Privada Antenor Orrego - Perú

Universidad Politécnica de Valencia - Spain

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Universidad Politécnica de Sevilla - Spain

University of Klaipeda - Lithuania

Universidad Michoacán de San Nicolás de Hidalgo - Mexico

Universidad de Murcia - Spain

Kuwait University - Kuwait

Universidad de Guanajuato - Mexico

Universidad de Granada - Spain

Universidade de São Paulo - Brazil

Gobierno de Canarias - Spain

Universidad de Antofagasta - Chile

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General Electric Co. - USA

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AT&T Inc. - USA

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Siemens AG - Germany

Petróleo Brasileiro S.A. - Brazil

E.ON AG - Germany

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BASF AG - Germany

Electricité de France S.A. - France

Japan Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. - Japan

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Repsol YPF, S.A. - Spain

Toshiba Corp. - Japan

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Kuwait Petroleum Corporation - Kuwait

Petroliam Nasional Berhad - Malaysa

Saint-Gobain SA - France

United Technologies Corp. - USA

Indian Oil Corporation - India

The Dow Chemical Company - USA

European Aeronautic Defence and Space Company EADS N.V. - Holand

Universidad Pública de Navarra - Spain

PTT Public Company Limited - Thailand

ENEL S.p.A - Italy

Veolia Environnement SA - France

Nippon Oil Corporation - Japan

Caterpillar Inc. - USA

SoThe Tokyo Electric Power Co., Inc. - Japan

Bunge Limited - USA

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Sojitz Corporation - Japan

Bouygues - France

Mitsubishi Corporation - Japan

Telecom Italia - Italy

Lockheed Martin - USA

Mitsui & Co. - Japan

Sunoco - USA

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Gaz de France - France

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Escuela Superior Politécnica del Litoral - Ecuador

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Universidad de Cuenca - Ecuador

Universidad de Oviedo - Spain

Università degli Studi di Napoli Federico II - Italy

Qatar University - Qatar

Universidad Católica Madre y Maestra - República Dominicana

Universidad Pontificia de Comillas - Spain

Royal Scientific Society - Jordania

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Universidad de Castilla La Mancha - Spain

Universidad Autónoma de Ciudad Juárez - Mexico

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Universidad Católica de Santa Fe - Argentina

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University of Ankara - Turkey

Universitat Jaume I - Spain

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Universidad del País Vasco - Spain

University of Thessaly - Greece

Universidad del País Vasco - Spain

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Universidad de Córdoba - Spain

Universidad de Magallanes - Chile

Universidad de Burgos - Spain

King Abdul Aziz University - Saudí Arabia

Universidad de Alcalá de Henares - Spain

Universidad Tecnológica de Panamá

Universidad Laica Eloy Alfaro - Ecuador

Consejo Superior de Investigaciones Científicas - Spain

Universidad de Cotopaxi - Ecuador

Fundación Universidad de Las Palmas de Gran Canaria - Spain

量子化学

量子化学は、量子力学と場の量子論が適用される理論化学の一分野です。物質の基本的な挙動を分子スケールで数学的に記述します。量子化学の応用は、光学的、電気的、磁気的、機械的特性、さらには化学反応性、酸化還元特性などに関する原子と分子の挙動の研究ですが、拡張固体材料と固体材料の両方がも研究した。表面。

量子化学の研究は、分子物理学、原子物理学、物理化学などの科学分野と強く活発な関係があり、この点での貢献は物理学者と化学者の両方からもたらされます。ドイツの科学者であるヴァルター・ハイトラーとフリッツ・ロンドン (ハイトラーとロンドンはしばしば物理学者と見なされますが) によって行われた計算は、しばしば量子化学における最初の計算とみなされます。 Heitler と London の方法は、アメリカの化学者 John C. Slater と Linus Pauling によって改良され、原子価結合理論 (Heitler-London-Slater-Pauling (HLSP) 理論とも呼ばれる) になりました。、原子のペア間の相互作用に特に注意が払われているため、原子間の結合の古典的なスキームと密接に関連しています。

Friedrich Hund と Robert S. Mulliken は、別の方法である分子軌道理論を開発しました。この方法では、電子は分子全体で非局在化された数学関数によって記述されます。 Hund-Mulliken (または分子軌道) 法は、化学者にとって直感的ではありません。ただし、特性の予測に関しては、原子価結合法よりも強力であることが証明されているため、近年使用されているのは実質的に唯一のものです。

Chemical dynamics

さらなるステップは、分子の運動を研究するために完全分子ハミルトニアンでシュレディンガー方程式を解くことかもしれません。シュレディンガー方程式の直接解は、半古典近似半古典分子動力学内、および古典力学分子動力学 (MD) の枠組み内で、量子分子動力学と呼ばれます。モンテカルロ法や混合量子古典力学などを使用した統計的近似も可能です。

Adiabatic chemical dynamics

断熱力学では、原子間相互作用は、表面ポテンシャルエネルギーと呼ばれるスカラーポテンシャルによって表されます。これは、1927 年にボルンとオッペンハイマーによって導入されたボルンオッペンハイマー近似です。化学におけるこの先駆的な応用は、1927 年にライスとラムスペルガーによって、1928 年にカッセルによって行われ、1952 年にマーカスによって RRKM 理論で一般化されました。遷移状態理論は、1935 年にアイリングによって開発されました。これらの方法により、ポテンシャル表面のいくつかの特徴から、単分子の反応速度を簡単に見積もることができます。

Non-adiabatic chemical dynamics

非断熱ダイナミクスは、いくつかの結合されたポテンシャルエネルギー面 (分子の異なる量子状態に対応する) 間の相互作用を取ることで構成されます。結合項は振電結合と呼ばれます。この分野の先駆的な研究は、1930 年代に Stueckelberg、Landau、および Zener によって、現在 Landau-Zener 遷移として知られているものに関する研究で行われました。回避された交差点付近の可能性。スピン禁止反応は、非断熱反応の一種であり、反応物から生成物に移行するときに少なくとも 1 つのスピン状態の変化が発生します。

Methods in electronic structure

(分子の場合のように) n 体の量子問題を扱う最も基本的な方法は、量子化学ではフル CI (interaction ofconfigurations) 法と呼ばれ、システムの状態を合計として計算することで構成されます。すべての可能な状態の。この方法は、粒子の数に応じて指数関数的に増加する計算能力を必要とするため、電子の数が非常に少ない分子にのみ適用できます。これが、量子の出現以来、記述力を失うことなく計算可能である代替方法が求められてきた理由です。

Valencia link

量子化学の数学的基礎は 1926 年に Erwin Schrödinger によって仮定されましたが、量子化学における最初の実際の計算は、1927 年にドイツの物理学者 Walter Heitler と Fritz London によって水素分子 ( H2) で行われたと一般に認められています。 Heitler と London が使用した手法は、理論物理学者の John C. Slater と理論化学者の Linus Pauling (どちらもアメリカ人) によって拡張され、いわゆる Bond-Valence 法または VB 法 (英語の Valence-Bond に由来) になりました。この方法では、原子間の相互作用を形成する電子のペアに特別な注意が払われます。そのため、「ルイス構造と呼ぶ」で使用されているような分子結合の古典的な図と非常によく似ています。その後の改良により、GVB (Generalized Valence-Bond) 法または一般化された原子価結合法が生まれました。

Molecular orbital

この問題に対する別のアプローチは、1929 年にフリードリッヒフントとロバート S. マリケンによって開発されました。この理論では、電子は分子全体で非局在化された数学関数 (波動関数) によって記述されます。このアプローチである分子軌道法は、VB 法よりも直感的ではありませんが、分子分光法などの特定の分野でははるかに予測可能であることが判明しています。電子構造のこのビジョンは、Hartree-Fok やその後の改良など、さまざまな方法の概念的基礎となっています。

Hartree-Fock

1927 年、量子力学の出現からわずか 1 年後、イギリスの数学者ダグラスレイナーハートリーは、量子力学の方程式を化学問題に適用するための近似法を導入しました。彼が Self-Consistent Field (self-consistent field) と呼んだこの手順は、数回修正および再定式化され、最終的に 1935 年に Hartree-Fock 法が生まれ、現在は量子化学の基礎と見なされています。しかし、この方法は、1950 年代に電子計算機が登場するまで、科学界の関心を引くことはありませんでした。これは、最も単純なシステムでも多数の計算が必要になるためです。この方法は、Moller-Plesset 法や結合クラスター法など、ポストハートリーフォックと呼ばれる一連のより洗練された方法の基礎でもあります。

Moller-Plesset

コンピューターの出現により、量子化学の分野が爆発的に発展し、1 秒あたり数千回の計算を実行できるコンピューターの助けを借りてのみ適用可能な方法が使用され、計算化学が生まれました。コンピューターはますます強力になり、以前に開発された方法を適用できるようになりましたが、実用的ではありませんでした。これらの 1 つは、1934 年に定式化され、今日一般的に使用されている Moller-Plesset 摂動理論でした。

Coupled Cluster

1950 年代に、核物理学者のフリッツコースターとヘルマンクンメルは、結合クラスターと呼ばれる新しい計算方法を開発しましたが、1960 年代にイジーチジェクとヨーゼフパルドゥスが原子内の電子相関を扱う方法を再定式化するまで、それは核物理計算でのみ使用されていました。と分子。この方法は、その種類のいずれにおいても、1990 年代以降、低分子または中分子を処理するために間違いなく最も使用されてきました。

Theory of the density functional

電子ガスのトーマスフェルミモデルは、1927 年に L H トーマスとエンリコフェルミによって独自に開発されました。このモデルは密度が一定の電子ガスに対しては良い結果をもたらしましたが、分子の場合のように、密度が大きく変化する場合には惨めに失敗しました。その後、1964 年に、Hohenberg と Walter Kohn は、Hartree-Fock 理論の根底にある最小化原理が電子密度の観点からも表現できることを証明しました。翌年、Walter Kohn と Lu Jeu Sham は、Hatree-Fock の方程式と同等の方程式を初めて導入しましたが、波動関数の代わりに密度で表現しました。 DFT (英語の密度汎関数理論から) と呼ばれるこの新しい方法は、固体物理学でのみ使用され、90 年代に理論が新たに改良され、より良い相関と交換ポテンシャルにより、化学系の処理に十分正確であると見なされるようになりました。今日では、計算コストが低いため、最も広く使用されている方法の 1 つであり、特定の高分子であっても、中規模および大規模なシステムに適しています。ただし、DFT 法は場合によっては惨めに失敗することがあるため、選択する際には注意が必要です。

化学動力学の方法

量子化学のもう 1 つの関心分野は、化学動力学です。化学動力学は、エレクトロニクスだけでなく、温度に応じて全分子ハミルトニアンでシュレディンガー方程式を解くことから成ります。 Això のおかげで、原子や分子の経時変化を計算して見ることができます。この方程式の直接解は量子分子動力学を生じさせ、核運動を分離して古典的に扱う部分解（ボルン・オッペンハイマー近似）は半古典分子動力学と古典分子動力学への核運動の実際の解につながります。モンテカルロ法に基づく、純粋に統計的な焦点もあります。

断熱化学動力学

ボルン・オッペンハイマー近似とも関連する断熱形式では、原子相互作用は原子核と電子密度の間の相互作用ポテンシャルにのみ依存し、原子核系相互作用ポテンシャルにつながります。温度の関数としての原子核の動きは、簡単なシステムの場合のポテンシャルエネルギーの表面の研究に還元することができます。これらの表面は、遷移状態の理論の形式で化学反応性の研究を可能にします。

非断熱分子動力学

非断熱分子動力学は、通常、異なるポテンシャルエネルギー面 (SEP) 間の相互作用の計算による、核運動と電子運動の間の相互作用の研究で構成されます。これらの相互作用は、s'anomena vibrònic カップリングを通じて生成されます。非断熱分子動力学は、分子が写真の吸収後に再構築される複雑な光化学反応の研究を可能にします。

基礎

量子化学の基礎は波動モデルです。このモデルでは、電子に囲まれた重くて正に帯電した小さな原子核 (点と見なされることが多い) によって原子が形成されます。原子の古いボーアモデルとは異なり、波動モデルは電子を電子雲として記述し、それらの位置は離散粒子ではなく確率密度として表されます。このモデルの強みは、その高い予測力に基づいており、周期表の元素の類似点と相違点、それらの色、それらが形成する化合物の相対的な安定性、およびそれらができなかった一連の反応と化合物を説明することができます古典的に説明します。このモデルは、粒子が干渉や屈折などの波に関連する古典的な特性を示すため、波モデルと呼ばれます。波と粒子の二重性を参照してください。

量子化学の問題を解決する最初のステップは、通常、シュレディンガー方程式 (またはディラック方程式と呼ばれる類似の相対論的方程式) を分子電子ハミルトニアンで解くことです。この手順は、分子の電子構造の決定と呼ばれます。システムの電子構造は、その化学的性質のほとんどを意味します。

そのため、ほとんどの場合、原子核と電子を別々に扱い、前者を古典方程式で、後者を量子方程式で扱う、ボルンオッペンハイマー近似と呼ばれるものが使用されます。

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