Korelační energie. Celkovou elektronovou energii molekuly lze experimentálně určit ze vztahu. E vib. = E at. = 39,856, E d



Podobné dokumenty
11 Kvantová teorie molekul

Tepelná kapacita = T. Ē = 1 2 hν + hν. 1 = 1 e x. ln dx. Einsteinův výpočet (1907): Soustava N nezávislých oscilátorů se stejnou vlastní frekvencí má

Operátory a maticové elementy

ESR, spinový hamiltonián a spektra

Energie elektrického pole

CHYBY MĚŘENÍ. uvádíme ve tvaru x = x ± δ.

ANALÝZA VZTAHU DVOU SPOJITÝCH VELIČIN

Kinetika spalovacích reakcí

POROVNÁNÍ MEZI SKUPINAMI

í I Průchod a rozptyl záření gama ve vrstvách materiálu Prof. Ing. J. Šeda, DrSc. KDAIZ - PJPI

Fyzika biopolymerů. Elektrostatické interakce makromolekul ve vodných roztocích. Vodné roztoky. Elektrostatická Poissonova rovnice.

u (x i ) U i 1 2U i +U i+1 h 2. Na hranicích oblasti jsou uzlové hodnoty dány okrajovými podmínkami bud přímo

Numerická matematika 1. t = D u. x 2 (1) tato rovnice určuje chování funkce u(t, x), která závisí na dvou proměnných. První

Q N v místě r. Zobecnění Coulombova zákona Q 3 Q 4 Q 1 Q 2

9 PŘEDNÁŠKA 9: Heisenbergovy relace neurčitosti, důsledky. Tunelový jev. Shrnutí probrané látky, příprava na zkoušku.

MODELOVÁNÍ A SIMULACE

Lambertův-Beerův zákon

ÚVOD DO KVANTOVÉ CHEMIE

Atomové a molekulové orbitaly Ion molekuly vodíku. Molekula vodíku Heitler-Londonovou metodou. Metoda LCAO. Báze atomových orbitalů.

6. Demonstrační simulační projekt generátory vstupních proudů simulačního modelu

9. Měření kinetiky dohasínání fluorescence ve frekvenční doméně

Monte Carlo metody Josef Pelikán CGG MFF UK Praha.

POTENCIÁL ELEKTRICKÉHO POLE ELEKTRICKÉ NAPĚTÍ

Molekulová vibrace dvojatomové molekuly. Disociační křivka dvojatomové molekuly

FYZIKA I. Pohybová rovnice. Prof. RNDr. Vilém Mádr, CSc. Prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D. Doc. Ing. Irena Hlaváčová, Ph.D. Mgr. Art.

Hamiltonián popisující atom vodíku ve vnějším magnetickém poli:

Teorie chemické vazby a molekulární geometrie Molekulární geometrie VSEPR

Úvod do magnetizmu pevných látek

KOMPLEXNÍ ČÍSLA. Algebraický tvar komplexního čísla

MOŽNOSTI PREDIKCE DYNAMICKÉHO CHOVÁNÍ LOPAT OBĚŽNÝCH KOL KAPLANOVÝCH A DÉRIAZOVÝCH TURBÍN.

Ivana Linkeová SPECIÁLNÍ PŘÍPADY NURBS REPREZENTACE. 2 NURBS reprezentace křivek

Druhé kvantování. Slaterův determinant = χ χ

3 VYBRANÉ MODELY NÁHODNÝCH VELIČIN. 3.1 Náhodná veličina

Spojité regulátory - 1 -

Ab initio výpočty v chemii a biochemii

Příprava ke státním maturitám 2011, vyšší úroveň obtížnosti materiál stažen z

KOMPLEXNÍ ČÍSLA. Algebraický tvar komplexního čísla

27 Systémy s více vstupy a výstupy

KINETICKÁ TEORIE PLYNŮ

Spinový moment hybnosti /magnetický moment, interakce s magnetickým polem

2. Definice pravděpodobnosti

ANALÝZA RIZIKA A JEHO CITLIVOSTI V INVESTIČNÍM PROCESU

TEORIE PROCESŮ PŘI VÝROBĚ ŽELEZA A OCELI Část II Teorie ocelářských pochodů studijní opora

Regresní a korelační analýza

PODKLADY PRO PRAKTICKÝ SEMINÁŘ PRO UČITELE VOŠ. Logaritmické veličiny používané pro popis přenosových řetězců. Ing. Bc. Ivan Pravda, Ph.D.

Čísla a aritmetika. Řádová čárka = místo, které odděluje celou část čísla od zlomkové.

Atom vodíku. Nejjednodušší soustava: p + e Řešitelná exaktně. Kulová symetrie. Potenciální energie mezi p + e. e =

SIMULACE. Numerické řešení obyčejných diferenciálních rovnic. Měřicí a řídicí technika magisterské studium FTOP - přednášky ZS 2009/10

Vícekriteriální rozhodování. Typy kritérií

OSTRAVSKÁ UNIVERZITA V OSTRAVĚ TERMODYNAMIKA A STATISTICKÁ FYZIKA DALIBOR DVOŘÁK

2.POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Měřený předmětem jsou v tomto případě polovodičové diody, jejich údaje jsou uvedeny v tabulce:

ANALÝZA RIZIKA A CITLIVOSTI JAKO SOUČÁST STUDIE PROVEDITELNOSTI 1. ČÁST

ALGORITMUS SILOVÉ METODY

Neparametrické metody

9. cvičení 4ST201. Obsah: Jednoduchá lineární regrese Vícenásobná lineární regrese Korelační analýza. Jednoduchá lineární regrese

Výslednice, rovnováha silové soustavy.

Účinnost spalovacích zařízení

11 Tachogram jízdy kolejových vozidel

1. Spektrální rozklad samoadjungovaných operátorů 1.1. Motivace Vlastní čísla a vlastní vektory symetrické matice 1 1 A = 1 2.

Látkové množství. 6, atomů C. Přípravný kurz Chemie 07. n = N. Doporučená literatura. Látkové množství n. Avogadrova konstanta N A

Dynamika soustav hmotných bodů

Statistická šetření a zpracování dat.

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2018/2019

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

0.1 Úvod do lineární algebry

Literatura: Kapitola 5 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

POLYMERNÍ BETONY Jiří Minster Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR, v. v. i.

Určení tlouštky folie metodou konvergentního elektronového svazku (TEM)-studijní text.

ANOVA. Analýza rozptylu při jednoduchém třídění. Jana Vránová, 3.lékařská fakulta UK, Praha

17 Vlastnosti molekul

12 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

radiační ochrana Státní úřad pro jadernou bezpečnost

VYUŽITÍ STECHIOMETRICKÝCH VZTAHŮ PŘI POČÍTAČOVÉM MODELOVÁNÍ OHNIŠŤ

Nekovalentní interakce

Od kvantové mechaniky k chemii

Mechatronické systémy s elektronicky komutovanými motory

Rovnováha soustavy hmotných bodů, princip virtuální práce

Přednášky část 4 Analýza provozních zatížení a hypotézy kumulace poškození, příklady. Milan Růžička

Nekovalentní interakce

katedra technických zařízení budov, fakulta stavební ČVUT TZ 31: Vzduchotechnika, cvičení č.1: Větrání stájových objektů vypracoval: Adamovský Daniel

Agregace vzájemné spojování destabilizovaných částic ve větší celky, případně jejich adheze na povrchu jiných materiálů

Vícefázové reaktory. Probublávaný reaktor plyn kapalina katalyzátor. Zuzana Tomešová

ZAHRADA FOTOELEKTRONOVÁ SPEKTROSKOPIE VE TŘETÍM TISÍCILETÍ ZDENĚK BASTL. Obsah. 2. Metody fotoelektronové spektroskopie

Teoretické modely diskrétních náhodných veličin

Lokace odbavovacího centra nákladní pokladny pro víkendový provoz

Nerovnovážná termodynamika

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

MĚRENÍ V ELEKTROTECHNICE

1 Mnohočleny a algebraické rovnice

v cenových hladinách. 2

2.6. Koncentrace elektronů a děr

2.5. MATICOVÉ ŘEŠENÍ SOUSTAV LINEÁRNÍCH ROVNIC

Hartreeho-Fockova metoda (HF)

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Zkouškový test z fyzikální a koloidní chemie

REAKCE POPTÁVKY DOMÁCNOSTÍ PO ENERGII NA ZVYŠOVÁNÍ ENERGETICKÉ ÚČINNOSTI: TEORIE A JEJÍ DŮSLEDKY PRO KONSTRUKCI EMPIRICKY OVĚŘITELNÝCH MODELŮ

Vnitřní energie. Teplo. Tepelná výměna.

Chemické repetitorium. Václav Pelouch

Osově namáhaný prut základní veličiny

Dále budeme předpokládat, že daný Markovův řetězec je homogenní. p i1 i 2

Transkript:

Korelační energe Referenční stavy Energ molekul a atomů lze vyjádřt vzhledem k různým referenčním stavům. V kvantové mechance za referenční stav s nulovou energí bereme stav odpovídající nenteragujícím elementárním částcím, kdy je nterakční potencál v mnohačástcové Schrödngerově rovnc roven nule. To vede k tomu, že ve výrazu pro energ molekuly jsou zahrnuty relatvně velké nterakční energe vntřních elektronů atomů s jádry, jejchž příspěvek k chemcké vazbě mez atomy je zanedbatelný. Důsledkem tohoto je, že př porovnávání energe zolovaných atomů a molekuly odečítáme dvě velm blízká velká čísla a musíme proto počítat celkové energe s vysokou relatvní přesností řádu 0-7 a vyšší. Referenčním stavem s nulovou energí pro molekuly jsou navzájem nenteragující protony a elektrony. Složky celkové energe Celková energe atomu je z expermentálního hledska dána součtem příslušných onzačních potencálů. Celkovou elektronovou energ molekuly lze expermentálně určt ze vztahu E=E at (E at E vb E ) E vb =E at E d E vb, () kde E at je součet celkových energí atomů, E d = E at E vb E je dsocační energe molekuly a E vb je energe nulových kmtů. E d lze expermentálně určt z reakčních tepel a E vb z frekvence nulových kmtů ( E vb = /2 ħ ω, kde se sčítá přes stupně volnost molekuly). Například pro metan CH 4 máme: E= 40,524, E at = 39,856, E d =0,625 a E vb =0,043. Pro čpavek NH 3 : E= 56,578, E at = 56,098, E d =0,447 a E vb =0,033. Pro molekuly obsahující atomy s vyšším atomovým čísly Z je E d vzhledem k E relatvně mnohem menší. Chemcky zajímavé procesy se tedy odehrávají na poměrně velm úzkém ntervalu celkových energí získaných řešením příslušné Schrödngerovy rovnce. Z teoretckého hledska lze celkovou energ v Born-Oppenhemerově aproxmac rozložt na tř část: E E RL =E HFL (E HFL E NRL ) (E NRL E RL )=E HFL E kor E rel, (2) kde E RL označuje celkovou relatvstckou energ, E NRL je celková nerelatvstcká energe a E HFL je energe v tzv. Hartreeho-Fockově lmtě, odpovídající přesnému řešení Hartree-Fockových rovnc. E kor =E HFL E NRL je tzv. korelační energe a E rel =E NRL E RL je relatvstcká korekce k energ.

Tabulka : Velkost jednotlvých složek energe pro několk atomů. Relatvstcké korekce jsou důsledkem relatvstckých efektů, které ovlvňují stav elektronů př pohybu okolo jader. Je zřejmé, že velkost relatvstckých korekcí stoupá rychle se Z. Relatvstcké korekce jsou velké zejména pro vntřní elektrony, které se pohybují blízko jader rychlostm, blížícím se u těžkých atomů rychlostí světla (pro základní s stav vodíku podobného atomu platí pro střední rychlost v 2 / 2 =Z e ' 2 /ħ Zc/37 ). Valenční elektrony přspívají k relatvstckým korekcím jen málo. Z tohoto důvodu lze s dost dobrou přesností vypočítat E rel molekuly jako součet relatvstckých korekcí pro atomy. V případě korelačních energí je stuace podstatně složtější a představuje jeden z hlavních problémů kvantové cheme. V Hartree-Fockových rovncích se bere v potaz pouze statcká korelace. Opustíme-l jednodetermnantové přblížení k vlnové funkc, respektujeme dynamckou korelac mez elektrony. Velkost korelační energe souvsí s počtem elektronových párů a jejch prostorovým uspořádáním. Korelační energe atomu vodíku je nulová, neboť jeden elektron nemá s čím být korelován. Z tabulky vdíme, že korelační energe roste s velkostí Z. Kromě závslost na Z závsí korelační energe také na tom, jak jsou elektrony na hladnách uspořádány (tj. na elektronové konfgurac). Například, vzrůst korelační energe př přechodu od He k L nebo od Ne k Na je malý, neboť elektron, který přbude je nepárový a je na energetcky podstatně vyšší hladně. Vzrůst korelační energe od L k Be (nebo od Na k Mg) je větší, protože se vytvářejí nové elektronové páry. Hartreeho-Fockovy lmty dosáhneme přesně vzato jen pro úplnou nekonečnou báz AO. Př reálných výpočtech se této lmtě podle varačního prncpu blížíme shora. Praktcky se odhad této lmty provádí postupným zvětšováním báze a extrapolací. Jako další příklad uvedeme molekulu CO, kde celkovou energ lze z expermentálního a teoretckého hledska získat následujícím způsobem. 2

Vdíme, že velkost korelační energe je v tomto případě větší než dsocační energe. Podobně, velkost relatvstcké korekce k energ je větší než energe nulových kmtů. Pokud nám jde o absolutní hodnotu energí, nelze se zřejmě spokojt s vyřešením Hartree-Fockových rovnc. Pokud nám však jde pouze o relatvní změny celkové energe, lze se v případech, kdy se korelační energe přílš nemění, omezt na řešení Hartree-Fockových rovnc. To nastává v případech kdy jsou splněny následující podmínky. Počet elektronových párů zůstává zachován. Zůstává přblžně zachováno prostorové uspořádání sousedních elektronových párů. V případech kdy se mění korelace mez elektrony (např. př exctac, dsocac) je nutné korelační energ započítat a jít za Hartree-Fockovo přblížení. Původ korelační energe Jednoelektronová hustota (hustota pravděpodobnost nalézt lbovolný z elektronů v místě r ; obecněj vzato dagonální element matce hustoty. řádu) normovaná na počet částc N se dostane jako střední hodnota operátoru N ρ(r)= δ(r r ), (3) = počítaná s pomocí mnohaelektronové vlnové funkce Ψ (r,..., r N ). Podobně lze zavést dvouelektronovou hustotu pravděpodobnost (dagonální element matce hustoty druhého řádu) jako střední hodnotu operátoru N ρ(r,r ' )= δ(r r )δ(r ' r j ) (4) < j normovanou na počet párů částc N (N )/ 2. V případě Hartreeho metody dostaneme pro střední hodnoty těchto operátorů a ρ(r)= ψ (r) 2 (5) ρ(r,r ' )= ψ (r) 2 ψ j (r ') 2. (6) < j V souladu s předpokládaným tvarem mnohačástcové vlnové funkce není vzájemný pohyb dvou elektronů, navzdory jejch coulombovské repulz, vůbec korelován. Dvoučástcová hustota ρ(r, r ' ) ja dána prostým součny odpovídajících jednoelektronových hustot, jako by šlo o nezávslé částce. Pravděpodobnost nalézt dva elektrony v témže místě je nenulová ρ(r, r ' ) 0. (7) 3

Pro Hartree-Fockovu metodu s vlnovou funkcí Ψ (r,..., r N )= N! P ϵ P P { ψ (r )χ (σ z )... ψ N (r N )χ N (σ zn )} (8) dostaneme analogcky a ρ(r)= ψ (r) 2 (9) ρ(r, r ' )= [ ψ (r) 2 ψ j (r ') 2 δ (σ z, σ z j )ψ * (r)ψ j (r) ψ * j (r' )ψ (r ' )]. (0) < j Z (0) vdíme, že v Hartree-Fockově metodě je korelován pohyb elektronů s paralelním spnem a že pro paralelní spny ψ (r) 2 ψ j (r' ) 2 δ(σ z,σ z j )ψ * (r)ψ j (r)ψ j * (r ' )ψ (r ' )=0. () To odpovídá exstenc tzv. Fermho díry pro elektrony s paralelním spnem. Tento výsledek je důsledkem antsymetre vlnové funkce, tj. respektování statcké korelace. Nejsou-l spny elektronů paralelní, dostaneme stejný výsledek jako u Hartreeho metody, tzn. že v takovém případě není pohyb elektronů korelován. Zanedbání dynamcké korelace elektronů je závažným nedostatkem, který je v rozporu s exstencí coulombovské repulze elektronů, která jejch vzájemný pohyb koreluje bez ohledu na jejch spn. Přblížení elektronů není energetcky výhodné, což vede k exstenc tzv. coulombovské díry okolo elektronů. Ta musí být v přesném výpočtu respektována. Přímé započtení korelace Přímý způsob jak zahrnout korelac do vlnové funkce je zahrnout explctně do vlnové funkce závslost na vzájemné vzdálenost elektronů r j. Například pro dva elektrony můžeme vzít dvouelektronovou vlnovou funkc ve tvaru ψ=ψ HF f (r 2 ), (2) kde ψ HF je Hartree-Fockova vlnová funkce a f (r 2 ) vyjadřuje závslost na r 2. Pro mnohaelektronové systémy je takový postup nepraktcký a používají se jné metody. Møllerova-Plessetova metoda Møllerova-Plessetova metoda je poruchová metoda k započtení korelační energe, přčemž výchozí aproxmací je řešení Hartree-Fockových rovnc. Celkový elektronový hamltonán s napíšeme ve tvaru 4

H = h + 2 j r j, (3) kde h (r )= 2 Δ A Z A r r A (4) je jednoelektronová část hamltonánu. Podobně, hamltonán odpovídající Hartree-Fockovým rovncím zapíšeme ve tvaru H HF = (h +v ), (5) kde formální záps v (r )= ψ j(r ' ) 2 j r r ' d r ' zahrnuje coulombovské operátory. j δ(σ z, σ j z ) ψ j(r ) ψ * j(r ' )ψ (r ') d r ' (6) ψ (r ) r r ' Vlnovou funkc v nultém přblížení položíme rovnu Hartree-Fockově vlnové funkc ψ 0 =ψ HF. (7) Hamltonán v nultém přblížení zvolíme v takovém tvaru, aby celková energe v nultém přblížení byla rovna Hartree-Fockově energ H 0 = (h +v ) ψ 0 2 j r j ψ 0. (8) Druhý člen, který představuje střední hodnotu coulombovské nterakce elektronů, odečítáme proto, že v součtu jednoelektronových energí, na který vede první člen rovnce (8), je tato nterakce započtena dvakrát. Pro energ v nultém přblížení tedy platí E 0 = ψ 0 (h +v ) ψ 0 ψ 0 2 j Pro korekc k energ v prvním přblížení máme kde r j ψ 0 =E HF. (9) Δ E () = ψ 0 W ψ 0, (20) W = 2 j r v + ψ 0 j 2 j r j ψ 0, (2) 5

Je zřejmé, že neboť H =H 0 +W. (22) Δ E () =0, (23) E 0 +Δ E ( ) = ψ 0 H 0 +W ψ 0 = E HF = E 0. (24) Pro korekc k energ v druhém přblížení dostáváme ψ Δ E (2) = 0 W ψ n 2, (25) n 0 E 0 E n kde E n a ψ n označuje energ a vlnovou funkc exctovaných Hartree-Fockových stavů. Je-l E 0 energe základního stavu, platí E n E 0 <0 a tedy Δ E (2) <0. V druhém řádu teore poruch Møllerovy-Plessetovy metody (označované jako MP2) tedy vždy dochází ke snížení celkové energe základního stavu. Vzhledem k tomu, že W je dvoučástcový a předpokládáme ortonormaltu jednočástcových funkcí ψ (r), mohou se ve vzorc (25) uplatnt jen monoexctované a bexctované konfgurace ψ n. Monoexctované konfgurace ψ n ale dávají nulové příspěvky vzhledem k tomu, že ψ 0 W ψ n = ψ 0 H ψ n ψ 0 H 0 ψ n =0. (26) První člen na pravé straně je rove nule díky Brllounově větě a druhý člen je nulový díky ortonormaltě ψ (r). Do druhého řádu Møllerovy-Plessetovy poruchové metody tedy přspívají jen bexctované konfgurace. Další metody započtení korelační energe Mez další důležté metody započtení korelační energe patří Metoda konfgurační nterakce a Metoda vázaných klastrů. Ty sou však součástí jných otázek vz. otázky Metoda konfgurační nterakce a otázka Přehled ab nto a sememprckých metod Lteratura [] L. Skála: Kvantová teore molekul, Karolnum, Praha, 994 6