Хурсан - Лекции по квантовой механике и квантовой химии / 01Intro

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

С. Л. Хурсан

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА И КВАНТОВАЯ ХИМИЯ

Конспекты лекций

Уфа 2005

2

УДК 530.145 + 541.1 ББК 17.8

Печатается по решению кафедры физической химии и химической экологии Башкирского государственного университета, протокол № 4 от 29 ноября 2005 г.

Рецензент:

Доктор химических наук, профессор кафедры физики УГНТУ Валерий Владимирович Кузнецов

Хурсан Сергей Леонидович

Квантовая механика и квантовая химия. Конспекты лекций. – Уфа: ЧП Раянов, 2005. – 164 с.

Настоящее учебное пособие аккумулирует опыт восьмилетнего преподавания одноименного общего курса на химическом факультете Башкирского государственного университета. В краткой форме изложены основные понятия и математический аппарат квантовой механики. Основной акцент сделан на изложение методов ССП МО ЛКАО, подходов к учету коррелированного движения электронов. Уделяется внимание вычислительным аспектам квантовохимических расчетов. Учебное пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений химического профиля, аспирантов и научных работников, использующих квантовохимические методы исследования химических реакций.

© Хурсан С. Л., 2005

3

Введение

Современные тенденции развития человеческого общества таковы, что все большее и большее место во всех без исключения областях деятельности человека занимают новые информационное технологии, компьютерные средства получения и обработки информации, математические подходы к решению многих практических задач. Химия не только не является исключением, но и представляет собой пример стремительной экспансии математических методов в эту, казалось бы, сугубо экспериментальную дисциплину. Удивительный прогресс компьютерных технологий позволяет сейчас рассчитывать не только отдельные соединения, но и моделировать протекание химических реакций. Квантовая химия как наука, дающая математический инструмент к познанию химической природы вещества, уже давно перестала быть «кабинетной» дисциплиной и заняла достойное место в арсенале современных хи- миков-исследователей.

В сложившейся ситуации многие книги по квантовой химии устаревают практически в момент своего выхода из типографий. Однако самым печальным является то, что в нынешних экономических условиях количество новых изданий научного направления, учебных пособий для студентов и аспирантов ВУЗов сильно сократилось. Библиотечные фонды изнашиваются и морально устаревают. Столкнувшись с такой ситуацией в процессе преподавания курса «Квантовая механика и квантовая химия» для студентов химического и общеинженерного факультетов БашГУ, я решил издать конспекты лекций этого курса.

Общий курс «Квантовая механика и квантовая химия», как видно из названия, состоит из двух частей, первая из которых – квантовая механика – является необходимым теоретическим фундаментом для понимания и квалифицированного усвоения материала курса квантовой химии. К сожалению, представления о движении микрочастиц, используемые в квантовой механике, коренным образом отличающиеся от таковых в классическом представле-

4

нии. Это вызывает определенную трудность у студентов, особенно, при самостоятельном изучении этой дисциплины. Предлагаемые ниже конспекты лекций, надеюсь, позволят облегчить понимание ключевых вопросов квантовой механики. Здесь, однако, следует подчеркнуть, что автор не рассматривает настоящее издание как охватывающее все разделы квантовой механики. Напротив, ниже представлены лишь отдельные вопросы, имеющие первостепенное значение для усвоения фундаментальных понятий этой науки. Автор лишь хотел облегчить работу студентам, которые, записывая за преподавателем конспект лекции, зачастую не в состоянии осмыслить написанное. Имея данное издание и обязательно посещая лекции, студент будет иметь время для вдумчивой работы по рассматриваемой на лекции теме, а не заниматься переписыванием.

Раздел «Квантовая химия» представлен в данном издании лишь несколькими лекциями. С одной стороны, квантовая химия давно является самостоятельной дисциплиной, для изложения только основных положений которой необходим гораздо больший объем, чем один раздел небольшой книги. В то же время, некоторые вопросы квантовой химии плавно перетекают из предшествующей дисциплины, являясь, по существу, частными случаями общих квантово-механических проблем. Поэтому в данном издании рассмотрены основные результаты квантово-механического описания движения электронов в поле нескольких ядер и связанные с этим проблемы: понятие о поверхности потенциальной энергии, учет электронной корреляции, аппроксимация атомных орбиталей с помощью различных базисных наборов и т.д. Еще раз подчеркну, что данное пособие ни в коем случае нельзя рассматривать как единственный литературный источник при изучении квантовой механики и квантовой химии. Список рекомендуемой литературы приведен в конце издания. В сочетании же с другими учебниками и монографиями «Конспекты лекций…», надеюсь, окажутся полезными для студентов.

Профессор БашГУ С. Л. Хурсан