中国石油大学（华东）：《近代物理实验》课程教学资源（讲义）实验6-1甲烷分子振动光谱的CPMD模拟（PPT）

实验6-1甲烷分子振动光谱 的CPMD模拟 中国石油大学（华东）理学院 《近代物理实验》教学组 实验6-1甲烷分子振动光谱的CPMD模拟

实验6-1 甲烷分子振动光谱 的CPMD模拟 中国石油大学（华东）理学院 《近代物理实验》教学组 实验6-1 甲烷分子振动光谱的CPMD模拟

提要 ·分子动力学简介 ·实验目的 ·预习要求 ·实验原理 ·第一性原理计算的理论基础 ·从头算分子动力学方法(CPMD) ·实验器材 ·实验内容 ·注意事项 ·思考与讨论 实验6-1甲统分子振动光谱的CPMD模拟

提要 • 分子动力学简介 • 实验目的 • 预习要求 • 实验原理 • 第一性原理计算的理论基础 • 从头算分子动力学方法（CPMD） • 实验器材 • 实验内容 • 注意事项 • 思考与讨论 实验6-1 甲烷分子振动光谱的CPMD模拟

分子动力学简介 ·分子动力学：是一套分子模拟方法，是依靠计算机来模拟分子、原子体系的运动，是一种 多体模拟方法。通过对分子、原子在一定时间内运动状态的模拟，从而以动态观点考察系 统随时间演化的行为。 ·通常，分子、原子的轨迹是通过数值求解牛顿运动方程得到，势能（力）通常可以由分子 间相互作用势能函数、分子力学力场、从头算给出。 ·从头算分子动力学：又称为第一原理分子动力学，是对分子作经典与量子混合处理的一种 方法，它把原子核视为经典粒子而把电子仍作为量子对象，实质是一种平均场理论。 ·1985年R.Car和M.Parrinello重新优化了该理论，提出了cPMD方法，极大地提高了 这一方法的应用能力和使用范围，因而受到普遍的重视。 实验6-1甲统分子振动光谱的CPMD模拟

分子动力学简介 • 分子动力学：是一套分子模拟方法，是依靠计算机来模拟分子、原子体系的运动，是一种 多体模拟方法。通过对分子、原子在一定时间内运动状态的模拟，从而以动态观点考察系 统随时间演化的行为。 • 通常，分子、原子的轨迹是通过数值求解牛顿运动方程得到，势能（力）通常可以由分子 间相互作用势能函数、分子力学力场、从头算给出。 • 从头算分子动力学：又称为第一原理分子动力学，是对分子作经典与量子混合处理的一种 方法，它把原子核视为经典粒子而把电子仍作为量子对象，实质是一种平均场理论。 • 1985年R.Car 和M. Parrinello 重新优化了该理论，提出了CPMD方法，极大地提高了 这一方法的应用能力和使用范围，因而受到普遍的重视。 实验6-1 甲烷分子振动光谱的CPMD模拟

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实验目的 1.学习一种从头计算分子动力学的模拟方法。 2.学习简单分子的构建方法。 3.掌握分子动力学模拟数据的可视化方法。 实验6-1甲烷分子振动光谱的CPMD模拟

实验目的 1. 学习一种从头计算分子动力学的模拟方法。 2. 学习简单分子的构建方法。 3. 掌握分子动力学模拟数据的可视化方法。 实验6-1 甲烷分子振动光谱的CPMD模拟

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提要 • 分子动力学简介 • 实验目的 • 预习要求 • 实验原理 • 第一性原理计算的理论基础 • 从头算分子动力学方法（CPMD） • 实验器材 • 实验内容 • 注意事项 • 思考与讨论 实验6-1 甲烷分子振动光谱的CPMD模拟

预习要求 1.什么是第一性原理？什么是密度泛函理论？ 2.什么是BO绝热近似？ 3.在结构优化之前原子坐标是否需要优化？为什么？ 4. 实验之前需要学习简单的Linux命令（如cd、ls、mkdir、touch等）， CPMD程序的cpmd.x、furiour.x、traj2 atoms.x等命令，以及并行运算 的mpirun命令。 5.学习可视化处理软件VMD、Gnuplot的使用方法。 实验6-1甲统分子振动光谱的CPMD模拟

预习要求 1. 什么是第一性原理？什么是密度泛函理论？ 2. 什么是BO绝热近似？ 3. 在结构优化之前原子坐标是否需要优化？为什么？ 4. 实验之前需要学习简单的Linux命令（如cd、ls、mkdir、touch等）， CPMD程序的cpmd.x、furiour.x、traj2atoms.x等命令，以及并行运算 的mpirun命令。 5. 学习可视化处理软件VMD、Gnuplot的使用方法。 实验6-1 甲烷分子振动光谱的CPMD模拟

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提要 • 分子动力学简介 • 实验目的 • 预习要求 • 实验原理 • 第一性原理计算的理论基础 • 从头算分子动力学方法（CPMD） • 实验器材 • 实验内容 • 注意事项 • 思考与讨论 实验6-1 甲烷分子振动光谱的CPMD模拟

实验原理一一第一性原理计算的理论基础 ·第一性原理计算对离子间的相互作用力处理： 1.离子可以看作经典粒子来处理： 2.系统满足B0绝热近似，即电子的量子行为与离子的经典行为相对独立。 ·对于一个多原子系统，应用BO绝热近似后，就成一个多电子的非均匀电子气，系 统的哈密顿量可以简化为 H=-】 式中等号右边第一项为电子动能，第二项为电子间的势能，第三项为电子与离子间 的相互作用势能。 实验6-1甲统分子振动光谱的CPMD模拟

实验原理——第一性原理计算的理论基础 • 第一性原理计算对离子间的相互作用力处理： 1. 离子可以看作经典粒子来处理； 2. 系统满足BO绝热近似，即电子的量子行为与离子的经典行为相对独立 。 • 对于一个多原子系统，应用BO绝热近似后，就成一个多电子的非均匀电子气，系 统的哈密顿量可以简化为 式中等号右边第一项为电子动能，第二项为电子间的势能，第三项为电子与离子间 的相互作用势能。 实验6-1 甲烷分子振动光谱的CPMD模拟

实验原理一一第一性原理计算的理论基础 ·密度泛函理论(DFT):1965年由霍思贝格和科思等建立的DFT为处理非均匀多电子系 统的基态性质提供了可行的办法，提出2条基本假定： 1.系统的基态波函数是基态电子密度P0(T)的唯一泛函，任何一个基态可观察量都是基态电子 密度的一个泛函，基中外势Vxt(r）的贡献可以由电子密度p(r)表达。 2. 在电子总数不变的情况下，系统的基态能量E0是能量泛函E[(r)]的最小值，对应的电子 密度P(r)为该系统的基态电子密度po(r)。 ·系统的电子密度可表示为： o(r)=业(r)|2dr 式中，平(r)为电子波函数。 实验6-1甲统分子振动光谱的CPMD模拟

实验原理——第一性原理计算的理论基础 • 密度泛函理论(DFT)：1965年由霍思贝格和科思等建立的DFT为处理非均匀多电子系 统的基态性质提供了可行的办法，提出2条基本假定： 1. 系统的基态波函数是基态电子密度 的唯一泛函，任何一个基态可观察量都是基态电子 密度的一个泛函，基中外势 的贡献可以由电子密度 表达。 2. 在电子总数不变的情况下，系统的基态能量 是能量泛函 的最小值，对应的电子 密度 为该系统的基态电子密度 。 • 系统的电子密度可表示为： 实验6-1 甲烷分子振动光谱的CPMD模拟