Чтение онлайн

на главную - закладки

Жанры

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи
Шрифт:

(4.13)

и нормирована на число электронов N:

(4.14)

Часто используют бесспиновую матрицу плотности

(4.15)

где проведено интегрирование (или суммирование) по спиновой переменной .

Отметим теперь некоторые используемые в дальнейшем математические свойства редуцированных матриц плотности.

Вследствие антисимметричности N-электронной функции (или ) относительно перестановок электронных переменных

(4.16)

k-частичные

матрицы плотности при
антисимметричны в левой и правой группах аргументов, разделенных вертикальной чертой:

(4.17a)

(4.17б)

Из определения k следует также, что

(4.18)

Учитывая сказанное на с.102 об интегральном представлении операторов

, мы можем утверждать, что матрица плотности является ядром некоторого эрмитового оператора k– частичной плотности вероятности k:

He следует думать, однако, что этот оператор соответствует некоторой наблюдаемой физической величине. Его роль в квантовой теории состоит в том, что он характеризует состояние N– электронной системы в той мере, в какой это необходимо для определения ожидаемого значения любой физической величины, представленной суммой k– электронных операторов. При этом последние не зависят от состояния рассматриваемой многоэлектронной системы. Среднее значение оператора

для некоторого k– электронного состояния определяет заселенность этого состояния. Собственные функции
оператора
называются функциями "естественных" k-частичных состояний, а собственные значения — естественными заселенностями n(k). Функции
определяющие одночастичные состояния с заселенностями
называются естественными спин-орбиталями и удовлетворяют уравнению

(4.20)

Бесспиновые (r), удовлетворяющие аналогичному уравнению на собственные значения матрицы плотности (r|r') называются "естественными" орбиталями.

В качестве примера рассмотрим молекулу водорода Н2. Естественные молекулярные орбитали для этой молекулы определяются исключительно из соображений симметрии (если их ищут в виде линейной комбинации двух атомных 1s-орбиталей) и классифицируются на симметричную (g) и антисимметричную (u) МО:

В то же время естественные заселенности связывающего (g) и разрыхляющего (u) одноэлектронных состояний зависят от способа построения полной двухэлектронной функции молекулы Н2 из одноэлектронных (табл. 3).

Таблица 3. Естественные заселенности в молекуле H2 [35]

Матрицу плотности (r|r'), как и матрицы

плотности более высокого порядка, можно представить через "естественные" заселенности и соответствующие естественные функции в виде естественного разложения:

(4.21)

Такое представление матрицы плотности обобщает приведенное выше выражение (4.6) для одноэлектронной матрицы плотности "чистого" состояния одного электрона с определенной -функцией. В случае многоэлектронной системы отдельному электрону уже нельзя сопоставить какую-либо функцию (r). Состояние электрона в многоэлектронной системе является "смешанным" и описывается одноэлектронной матрицей плотности (r|r') или набором функций (r) и соответствующих им "чистых" состояний. При этом вероятность пребывания электрона в состоянии, определяемом функцией , характеризуется естественной заселенностью n.

Вследствие антисимметричности многоэлектронной функции (x1,...,xN) относительно перестановок

естественные заселенности орбиталей лежат в пределах 0<=n<=2, т. е. каждое бесспиновое состояние может быть занято не более чем двумя электронами, причем этим двум электронам сопоставляются спин-орбитали с разными спиновыми множителями, а именно (r) и (r). Нормировка одноэлектронной матрицы плотности на число электронов в системе (N) означает, что сумма всех естественных заселенностей равна N.

Многоэлектронные функции (x1,...,xN) содержат очень большую информацию, значительная часть которой, как правило, не представляет физического интереса. Дело в том, что операторы, соответствующие наблюдаемым физическим величинам, являются суммами одно- и двухчастичных операторов

(4.22)

Каждый из операторов

i действует только на одну переменную (xj), и каждый из операторов
ij действует только на две переменные (хi и хj. Поэтому при вычислении ожидаемых значений одноэлектронные физические величины определяются исключительно одноэлектронной, а дьухэлектронныефизические величины — двухэлектронной матрицей плотности. Последняя заключает в себе фактически всю необходимую информацию о состоянии многоэлектронной системы.

Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что использование формализма матрицы плотности в. квантовохимических расчетах должно существенно упрощать их физическую и химическую интерпретацию.

Наиболее полное и строгое изложение метода матрицы плотности в теории молекул дано в монографии М. М. Местечки на [17].

Канонические и локализованные молекулярные орбитали

Молекулярные орбитали fiопределяются обычно как собственные функции некоторого одноэлектронного гамильтониана

:

(4.23)

В качестве

должен использоваться в принципе оператор Хартри-Фока (фокиан), оптимальным образом учитывающий согласованное взаимодействие электронов в молекуле (см. гл. 3). Этот оператор часто аппроксимируется полуэмпирическими модельными одноэлектронными гамильтонианами. В любом случае предполагается, что симметрия гамильтониана
соответствует симметрии молекулы. При этом собственные функции гамильтониана, инвариантного относительно преобразований некоторой точечной группы симметрии, должны преобразовываться по неприводимым представлениям этой группы. Молекулярные орбитали, обладающие такими свойствами симметрии и определяемые как собственные функции одноэлектронного гамильтониана, называются каноническими молекулярными орбиталями. Уже из свойств симметрии канонических МО ясно, что их нельзя сопоставить отдельным химическим связям в молекуле. Канонические МО существенно делокализованы и не отражают экспериментально подтверждаемые аддитивность и транс-ферабельность (т. е. переносимость из одной, в другую родственную молекулу) многих молекулярных свойств.

Поделиться:
Популярные книги

Кодекс Охотника. Книга XVI

Винокуров Юрий
16. Кодекс Охотника
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Кодекс Охотника. Книга XVI

Законы Рода. Том 6

Flow Ascold
6. Граф Берестьев
Фантастика:
юмористическое фэнтези
аниме
5.00
рейтинг книги
Законы Рода. Том 6

На границе империй. Том 10. Часть 1

INDIGO
Вселенная EVE Online
Фантастика:
космическая фантастика
попаданцы
5.00
рейтинг книги
На границе империй. Том 10. Часть 1

Черный Маг Императора 9

Герда Александр
9. Черный маг императора
Фантастика:
юмористическое фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Черный Маг Императора 9

Пожиратели миров 2

Кири Кирико
2. Сердце реальности
Фантастика:
боевая фантастика
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Пожиратели миров 2

Аромат невинности

Вудворт Франциска
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
эро литература
9.23
рейтинг книги
Аромат невинности

Доктора вызывали? или Трудовые будни попаданки

Марей Соня
Фантастика:
юмористическая фантастика
попаданцы
5.00
рейтинг книги
Доктора вызывали? или Трудовые будни попаданки

Подаренная чёрному дракону

Лунёва Мария
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
7.07
рейтинг книги
Подаренная чёрному дракону

Князь

Шмаков Алексей Семенович
5. Светлая Тьма
Фантастика:
юмористическое фэнтези
городское фэнтези
аниме
сказочная фантастика
5.00
рейтинг книги
Князь

Идеальный мир для Лекаря 21

Сапфир Олег
21. Лекарь
Фантастика:
фэнтези
юмористическое фэнтези
аниме
5.00
рейтинг книги
Идеальный мир для Лекаря 21

Я – Стрела. Трилогия

Суббота Светлана
Я - Стрела
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
эро литература
6.82
рейтинг книги
Я – Стрела. Трилогия

Законы Рода. Том 4

Flow Ascold
4. Граф Берестьев
Фантастика:
юмористическое фэнтези
аниме
5.00
рейтинг книги
Законы Рода. Том 4

Последний рейд

Сай Ярослав
5. Медорфенов
Фантастика:
фэнтези
аниме
5.00
рейтинг книги
Последний рейд

Помещица Бедная Лиза

Шах Ольга
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
6.40
рейтинг книги
Помещица Бедная Лиза