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计算化学

计算化学

计算化学是理论化学的一个分支。 1，利用计算机程序解量子化学方程来计算物质的性质（如能量，偶极距，振动频率等），用以解释一些具体的化学问题。这是一个计算机科学与化学的交叉学科。 2，利用计算机程序做分子动力学模拟。 Category:化学

参见


- 化学
- 量子力学
- 量子化学
- 统计力学
- 分子力学
- 分子力场
- 分子动力学
- Monte Carlo方法 ja:計算化学 th:เคมีการคำนวณ

能量

能量是物理学中描写一个系统或一个过程的一个量。一个系统的能量可以被定义为从一个被定义的零能量的状态转换为该系统现状的功的总和。一个系统到底有多少能量在物理中并不是一个确定的值，它随着对这个系统的描写而变换。 举一个例子而言，我们观察一个质量为1kg的固体的能量：
- 假如我们在研究经典力学而只对它的动能感兴趣的话，那么它的能量就是我们要将它从静止加速到它现有速度所加的功的总和。
- 假如我们在研究热学而只对它的内能感兴趣的话，那么它的能量就是我们要将它从绝对零度加热到它现有温度所加的功的总和。
- 假如我们在研究物理化学而只对它所含有的化学能感兴趣的话，那么它的能量就是我们在合成这个固体时对它的原料加入的功的总和。
- 假如我们在研究原子物理而只对它所含的原子能感兴趣的话，那么它的能量就是我们从原子能为零的状态对它做功、使它达到现在状态的功的总和。 当然我们也可以用反过来的方法来定义这个固体所含的能量，举两个例子：
- 该固体的内能是将它冷却到绝对零度所释放出来的功的总和。
- 该固体的原子能是将它所含的所有的原子能全部释放出来的功的总和。 等等。 可见，能量虽然是一个非常常用和非常基础的物理概念，但同时也是一个非常抽象和非常难定义的物理概念。事实上，物理学家一直到19世纪中才真正理解能量这个概念。在此之前能量常常被与力、动量等概念相混。有一段时间里，物理学家使用过一个称为“活力”的、与能量非常相似的概念，其意思是一种使物体活泼起来（动起来、热起来）的力。英语中的能量一词energy是两个希腊词的组合：εν是“在……之中”的意思，εργοs是“功、劳动”的意思。加在一起 en-ergi 就是“加进去的功”的意思。 在物理学中，能量是最基础的一个概念之一，从开门的经典力学到宇宙学、相对论和量子力学，能量总是一个中心的概念。 一般在常用语中或在科普读物中能量是指一个系统能够释放出来的、或者可以从中获得的、可以相当于做一定量的功。比如说1千克汽油含12千瓦小时能量的话，那么是指假如将1千克的汽油中的化学能全部施放出来的话可以做12kWh的功。 能量在物理中的符号一般是E，其国际单位是焦耳J。除焦尔外常用的还有千瓦小时kWh和卡cal： 
1J=0.2388cal=3.6
 - 10^6kWh
除此之外在物理中，尤其在原子物理和粒子物理中还常使用电子伏： 1 eV = 1.602 176 462(63) · 10-19 J

能量与质量

爱因斯坦发现，能量和质量是可以互换的： 
E = mc^2
换一种说法，功可以按上述公式被转化为质量的改变量。

能量守恒

能量守恒定律，也称质能守恒定律或热力学第一定律，是物理学中最基本的定律之一。它指出：在一个封闭的系统中能量既不会增加也不会减少。 虽然在物理学中不存在数学中公理的概念，但能量守恒定律可以被看作是物理学中（也许唯一的）一条公理。从20世纪中开始能量守恒定律没有被质疑过。沃尔夫冈·泡利在讨论β衰变时宁可相信世界上有一种当时物理学家还无法测量的粒子的存在而不愿放弃能量守恒定律。20年后中微子的发现证实他的信任是正确的。 从另一个观点上来看，能量守恒定律也可以被看作是物理学中被实验最常被验证的一个定律。事实上，所有的物理实验，从中学生的第一个实验到粒子加速器、天文观察都不断地证实能量守恒定律的正确性。

有关的物理量

以下是一些其他与能量有关的或与能量相似的物理量：
- 功
- 内能
- 熵
- 焓
- 力
- 动量

常见的能量形式


- 机械能
- 内能
- 电能
- 化学能
- 原子能
- 光能 Category:物理量 Category:经典力学 ja:エネルギー ko:에너지 ms:Tenaga simple:Energy th:พลังงาน

化学

化学研究物质的性质、组成、结构和变化的科学。中国古代在陶瓷、染色、酿造、造纸、火药等化学工艺方面成就杰出。 化學的早期歷史主要都是與金屬的提取和處理有關。2000年前，人類己廣泛使用金，銀，汞(水銀)，銅，鐵和青銅。 中国古代的炼丹术，西方古代的炼金术，就部分含有化学的雏形，并对近代化学的形成、发展有重大意义。 1800年裏(公元前300-1500年)，煉金術士的主要興趣是將一些便宜的金屬轉化成黃金。跟着的一百年是醫療化學的世紀,因為那時候化學家主要的工作是製造藥物。 古化學家收集了很多不同物質的資料。但是化學的發展到了16世紀還是很慢。在17世紀出現了好幾位大化學家，其中之一是罗伯特·波义耳，他被尊崇為化學之父。 在這之後，很多新發現一個接着一個的出現。到了1850年，化學己與現在所熟知的甚為相似。 当前的化学已从改造天然物质、仿制天然物质向设计功能物质方向迈进。在分子水平上设计制造具有直接功能（如：分辨功能、记忆功能）的材料已不是空想。

学科分类


- 无机化学
  - 元素化学
  - 无机合成化学
  - 配位化学
    - 配位聚合物化学
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  - 生物无机化学
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  - 天然有机化学
  - 有机合成化学
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- 化学家 Category:化学Category:自然科学 als:Chemie ja:化学 ko:화학 ms:Kimia simple:Chemistry th:เคมี

Category:化学

化学是研究物质的性质、组成、结构和变化的自然科学。 参看Wikipedia:化学首页。 Category:自然科学 als:Kategorie:Chemie ja:Category:化学 ko:분류:화학 ms:Category:Kimia th:Category:เคมี

化学

化学研究物质的性质、组成、结构和变化的科学。中国古代在陶瓷、染色、酿造、造纸、火药等化学工艺方面成就杰出。 化學的早期歷史主要都是與金屬的提取和處理有關。2000年前，人類己廣泛使用金，銀，汞(水銀)，銅，鐵和青銅。 中国古代的炼丹术，西方古代的炼金术，就部分含有化学的雏形，并对近代化学的形成、发展有重大意义。 1800年裏(公元前300-1500年)，煉金術士的主要興趣是將一些便宜的金屬轉化成黃金。跟着的一百年是醫療化學的世紀,因為那時候化學家主要的工作是製造藥物。 古化學家收集了很多不同物質的資料。但是化學的發展到了16世紀還是很慢。在17世紀出現了好幾位大化學家，其中之一是罗伯特·波义耳，他被尊崇為化學之父。 在這之後，很多新發現一個接着一個的出現。到了1850年，化學己與現在所熟知的甚為相似。 当前的化学已从改造天然物质、仿制天然物质向设计功能物质方向迈进。在分子水平上设计制造具有直接功能（如：分辨功能、记忆功能）的材料已不是空想。

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量子化学

量子化学，应用量子力学的规律和方法来处理和研究化学问题的一门学科。将量子理论应用于原子体系还是分子体系是区分量子物理与量子化学的分界线，目前认为最早的量子化学计算是物理学家海特勒和伦敦在1927年对氢气分子的计算，是他们开创了量子化学这一交叉学科。经过近八十年发展之后，量子化学已经成为化学家们广泛应用的一种理论方法。

量子化学发展史

1926年和1927年，物理学家海森堡和薛定谔各自发表了物理学史上著名的测不准原理和薛定谔方程，标志着量子力学的诞生，在那之后，展现在物理学家面前的是一个完全不同于经典物理学的新世界，同时也为化学家提供了认识物质化学结构的新理论工具。1927年物理学家海特勒和伦敦将量子力学处理原子结构的方法应用于氢气分子，成功地定量阐释了两个中性原子形成化学键的过程，他们的成功标志着量子力学与化学的交叉学科——量子化学的诞生。 在海特勒和伦敦之后，化学家们也开始应用量子力学理论，并且在两位物理学家对氢气分子研究的基础上建立了三套阐释分子结构的理论。莱纳斯·鲍林在最早的氢分子模型基础上发展了价键理论，并且因为这一理论获得了1954年度的诺贝尔化学奖；1928年，物理化学家密勒根提出了最早的分子轨道理论，1931年，休克发展了密勒根的分子轨道理论，并将其应用于对苯分子共轭体系的处理；贝特于1931年提出了配位场理论并将其应用于过渡金属元素在配位场中能级裂分状况的理论研究，后来，配位场理论与分子轨道理论相结合发展出了现代配位场理论。价键理论、分子轨道理论以及配位场理论是量子化学描述分子结构的三大基础理论。早期，由于计算手段非常有限，计算量相对较小，且较为直观的价键理论在量子化学研究领域占据着主导地位，1950年代之后，随着计算机的出现和飞速发展，巨量计算已经是可以轻松完成的任务，分子轨道理论的优势在这样的背景下凸现出来，逐渐取代了价键理论的位置，目前在化学键理论中占主导地位。 1928年哈特里(D·R·Hartree)提出了Hartree方程，方程将每一个电子都看成是在其余的电子所提供的平均势场中运动的，通过迭代法借出每一个电子的运动方程。1930年，哈特里的学生福克（B·A·Fock）和斯莱特（J·C·Slater）分别提出了考虑泡利原理的自洽场迭代方程，称为Hartree-Fock方程，进一步完善了由哈特里发展的Hartree方程。为了求解Hartree-Fock方程，1951年罗特汉(C·C·J·Roothaan)进一步提出将方程中的分子轨道用组成分子的原子轨道线性展开，发展出了著名的RHF方程，这个方程以及在这个方程基础上进一步发展的方法是现代量子化学处理问题的根本方法。 虽然量子力学以及量子化学的基本理论早在1930年代就已经基本成型，但是所涉及的多体薛定谔方程形式非常复杂，至今仍然没有精确解法，而即便是近似解，所需要的计算量也是惊人的，例如：一个拥有100个电子的小分子体系，在求解RHF方程的过程中仅仅双电子积分一项就有1亿个之巨。这样的计算显然是人力所不能完成的，因而在此后的数十年中，量子化学进展缓慢，甚至为从事实验的化学家所排斥。1953年美国的帕里瑟、帕尔和英国的約翰波普使用手摇计算器分别独立地实现了对氮气分子的RHF自洽场计算，虽然整个计算过程耗时整整两年，但是这一成功向试验化学家证明了量子化学理论确实可以准确地描述分子的结构和性质，并且为量子化学打开了计算机时代的大门，因而这一计算结果有着划时代的意义。 1952年日本化学家福井谦一提出了前线轨道理论，1965年美国有机化学家伍德瓦尔德(R·B·Woodward)和量子化学家霍夫曼(R·Hoffmann)联手提出了有机反应中的分子轨道对称性守恒理论。福井、伍德瓦尔德和霍夫曼的理论使用简单的模型，以简单分子轨道理论为基础，回避那些高深的数学运算而以一种直观的形式将量子化学理论应用于对化学反应的定性处理，通过他们的理论，实验化学家得以直观地窥探分子轨道波函数等抽象概念。福井和霍夫曼凭借他们这一贡献获得了1981年度的诺贝尔化学奖。 在计算方法方面，随着计算机的发展，量子化学计算方法也飞速发展，在1960年代至今的数十年内，涌现出了组态相互作用方法、多体微扰理论、密度泛函分析以及数量众多形式不一的旨在减少计算量的半经验计算方法，由于量子化学家们的工作，现在已经有大量商用量子化学计算软件出现，其中很多都能够在普通PC机上实现化学精度的量化计算，昔日神秘的量子化学理论，已经成为化学家常用的理论工具。 約翰波普 與 沃爾特科恩分別因為發展首個普及的量力化學軟件(Gaussian)和提出密度函理論 (Density Functional Theory) 而獲得1998年诺贝尔化学奖。

量子化学理论方法


- 分子轨道理论：分子体系中的电子用统一的波函数来描述，这种统一的波函数类似于原子体系中的原子轨道，被称作分子轨道，分子轨道理论是目前应用最为广泛的量子化学理论方法。
  - HF自洽场方法：用迭代法解HF方程，是其他高级分子轨道理论方法的基础
  - CI方法：即组态相互作用方法，是一种考虑了组态间相互作用的理论方法，用HFSCF方法计算获得的多电子体系基态波函数和各级激发态波函数为基组展开体系波函数，但是计算量巨大，应用较不广泛，在实际应用中场采用截断CI方法，如DCI、SDCI等方法
  - MP方法：即多体微扰方法，将多电子体系电子间的相互作用看做是体系哈密顿算子的微扰项，应用MP微扰理论进行处理，一级微扰可以达到HFSCF方法的精度水平，二级微扰可以达到甚至超过DCI方法的精度水平，但计算量远远小于DCI
  - 多组态自洽场方法：将HF方程的求解方法用于多电子基函数展开的电子波函数中，本质上是CI方法的一个变种。
  - 半经验计算方法：在计算过程中根据实验数据，将一些波函数积分用经验常数替代，可以上千倍地减少计算量，采用的经验常数不同，半经验算法的应用范围也不同，应用时需要根据研究体系的具体情况进行选择。
- 价键理论方法
- 密度泛函理论方法：当分子体系各原子核空间位置确定后，电子密度在空间中的分布也确定，可以将体系的能量表示为电子密度的泛函，密度泛函分析变分法求出能量最低时的电子密度分布和体系能量。

量子化学研究内容

分子结构

通过计算不同分子结构的体系能量，量子化学方法可以找到分子势能面上的最低点，从而确定分子在某一电子态的稳定构型

化学反应

化学反应的过程可以看做分子体系在势能面上滑动的过程，通过量子化学的计算，可以找到势能面上的“驻点”：处于最低点的反应物和产物以及处于鞍点的过渡态，对比所有可能的反应途径极其相对应的反应活化能，可以找到最有可能的反应途径。由于化学反应的计算涉及分子体系电子态的激发、电子转移等过程，因而在计算方法上与基态分子结构有很大不同，且是目前较有挑战性的研究领域之一

分子性质

量子化学计算可以获得分子体系的电子波函数，通过这些电子波函数可以求算偶极矩、极化率等分子性质的计算，但是由于数学方法的局限，量子化学计算方法只能从上方逼近真实的分子体系能量，是一种 近似计算，虽然能量的计算可以获得较好的结果，但是获得的电子波 函数 质量却很差，因而分子性质计算的精度远远不及分子体系能量的计算。另一方面改进量子化学计算方法以获得质量更好的电子波函数也是量子化学家目前面临的挑战之一。

量子化学计算软件

诺贝尔化学奖
- Gaussian:量子化学领域最著名和应用最广泛的软件之一，由密度泛函分析理论的提出者量子化学家約翰波普的实验室开发，可以应用从头计算方法、半经验计算方法等进行分子能量和结构；过渡态能量和结构；化学键及反应能量；分子轨道；偶极矩；多极矩；红外光谱和拉曼光谱，核磁共振，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径等分子相关计算。可以运行在Windows、Linux、Unix操作系统中运行，目前最新版本为Gaussian 03。但由於Gaussian Inc. (Gaussian的發展者)排斥其他軟件發展者的行為，而引來不少批評；其行為包括逐原開發者約翰波普離開Gaussian Inc. (因而成為學術界其中一件為人齒冷的事件）；禁止其他開發者(包括約翰波普)使用Gaussian. （引發起 Banned By Gaussian 運動 [http://www.bannedbygaussian.org/]) 和禁止任何使用者發表比較Gaussian與其他量子化學軟件效能的報告等。
- Gamess-US[http://www.msg.ameslab.gov/GAMESS/GAMESS.html]: 由於免費與開放源碼，成為除Gaussian以外，最廣泛應用的量子化學軟件，目前由Iowa State Uinversity的 Mark Gorden 教授的研究組主理。
- Q-Chem[http://www.q-chem.com]:由一群隨約翰波普離開Gaussian Inc. 的學者創立的一個商業量子化學軟件。
- Spartan[http://www.wavefun.com]:提供一個十分優良的圖形介面作量子化學計算，尤其適合非從事量子化學研究的學者使用。此軟件中有很大部的電子相關方法的計算程序實源自Q-Chem，所以當使用到該些計算方法而作出報告時，應同時於文獻參考中引述Spartan與Ｑ-Chem。
- MOLPRO：应用广泛的量子化学计算软件，软件长于高精度计算，用多参考CI，耦合簇等方法处理电子相关问题能够对较大的分子体系进行准确的从头计算。
- MOPAC：应用最广泛的半经验量子化学计算软件，能够以AM1，AM1-d，PM3，MNDO，MNDO-d，MINDO/3等半经验计算方法计算分子体系的自由能，活化能，反应路径，偶极矩，非线性光学特性以及红外光谱等性质。MOPAC 7以前的版本为免费软件，自MOPAC 7开始转为商业软件，目前最新版本为MOPAC2002 V1.5
- MOLCAS：是一套包含各种量子化学计算方法的软件，可以进行分子结构计算，键能，化学反应的能垒，激发能（包括自旋-轨道耦合），振动分辨吸收光谱，以及各种分子特性的计算，并且可以产生分子间的作用力，用于分子动力学的计算。目前最新版本为MOLCAS 6.0
- 其他量子化学计算软件目前，除了上面提到的几版著名量子化学计算软件之外，还有大量商业和免费的量子化学计算软件，其中绝大部分是从事量子化学或计算化学研究的实验室自行开发的，此外，一些著名的大型化学软件如HyperChem、Chem3D、Sybyl等，也包含有量子化学计算包

参见

计算化学 波恩-奥本海默近似 密度泛函理论 多体微扰理论 Hartree-Fock方程 Category:物理化学

外部链接


- [http://www.quantumchemistry.net/index.asp 量子化学网]
- [http://www.chembay.com.cn/support/articles/articles_1.html 化学不再是纯实验科学](出自[http://www.chembay.com.cn 凯鹏视算技术有限公司网站]) 量子化学 ja:量子化学

分子力学

分子力场根据量子力学的波恩-奥本海默近似，一个分子的能量可以近似看作构成分子的各个原子的空间坐标的函数，简单地讲就是分子的能量随分子构型的变化而变化，而描述这种分子能量和分子结构之间关系的就是分子力场函数。分子力场函数为来自实验结果的经验公式，可以讲对分子能量的模拟比较粗糙，但是相比于精确的量子力学从头计算方法，分子力场方法的计算量要小数十倍，而且在适当的范围内，分子力场方法的计算精度与量子化学计算相差无几，因此对大分子复杂体系而言，分子力场方法是一套行之有效的方法。以分子力场为基础的分子力学计算方法在分子动力学、蒙特卡罗方法、分子对接等分子模拟方法中有着广泛的应用。

构成

一般而言，分子力场函数由以下几个部分构成：
- 键伸缩能：构成分子的各个化学键在键轴方向上的伸缩运动所引起的能量变化
- 键角弯曲能：键角变化引起的分子能量变化
- 二面角扭曲能：单键旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量变化
- 非键相互作用：包括范德华力、静电相互作用等与能量有关的非键相互作用
- 交叉能量项：上述作用之间耦合引起的能量变化 构成一套力场函数体系需要有一套联系分子能量和构型的函数，还需要给出各种不同原子在不同成键状况下的物理参数，比如正常的键长、键角、二面角等，这些力场参数多来自实验或者量子化学计算。

常用力场函数和分类

不同的分子力场会选取不同的函数形式来描述上述能量与体系构型之间的关系。到目前，不同的科研团队设计了很多适用于不同体系的力场函数，根据他们选择的函数和力场参数，可以分为以下几类
- 传统力场
  - AMBER力场：由Kollman课题组开发的力场，是目前使用比较广泛的一种力场，适合处理生物大分子。
  - CHARMM力场：由Karplus课题组开发，对小分子体系到溶剂化的大分子体系都有很好的拟合。
  - CVFF力场：CVFF力场是一个可以用于无机体系计算的力场
  - MMX力场：MMX力场包括MM2和MM3，是目前应用最为广泛的一种力场，主要针对有机小分子
- 第二代力场
- :第二代的势能函数形式比传统力场要更加复杂，涉及的力场参数更多，计算量也更大，当然也相应地更加准确。
  - CFF力场CFF力场是一个力场家族，包括了CFF91、PCFF、CFF95等很多力场，可以进行从有机小分子、生物大分子到分子筛等诸多体系的计算
  - COMPASS力场由MSI公司开发的力场，擅长进行高分子体系的计算
  - MMF94力场Hagler开发的力场，是目前最准确的力场之一
- 通用力场
- :通用力场也叫基于规则的力场，它所应用的力场参数是基于原子性质计算所得，用户可以通过自主设定一系列分子作为训练集来生成合用的力场参数
  - ESFF力场MSI公司开发的力场，可以进行有机、无机分子的计算
  - UFF力场可以计算周期表上所有元素的参数
  - Dreiding力场适用于有机小分子、大分子、主族元素的计算

参见

计算化学 量子化学 分子模拟 category:计算化学 category:化学

分子力场

分子力场根据量子力学的波恩-奥本海默近似，一个分子的能量可以近似看作构成分子的各个原子的空间坐标的函数，简单地讲就是分子的能量随分子构型的变化而变化，而描述这种分子能量和分子结构之间关系的就是分子力场函数。分子力场函数为来自实验结果的经验公式，可以讲对分子能量的模拟比较粗糙，但是相比于精确的量子力学从头计算方法，分子力场方法的计算量要小数十倍，而且在适当的范围内，分子力场方法的计算精度与量子化学计算相差无几，因此对大分子复杂体系而言，分子力场方法是一套行之有效的方法。以分子力场为基础的分子力学计算方法在分子动力学、蒙特卡罗方法、分子对接等分子模拟方法中有着广泛的应用。

构成

一般而言，分子力场函数由以下几个部分构成：
- 键伸缩能：构成分子的各个化学键在键轴方向上的伸缩运动所引起的能量变化
- 键角弯曲能：键角变化引起的分子能量变化
- 二面角扭曲能：单键旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量变化
- 非键相互作用：包括范德华力、静电相互作用等与能量有关的非键相互作用
- 交叉能量项：上述作用之间耦合引起的能量变化 构成一套力场函数体系需要有一套联系分子能量和构型的函数，还需要给出各种不同原子在不同成键状况下的物理参数，比如正常的键长、键角、二面角等，这些力场参数多来自实验或者量子化学计算。

常用力场函数和分类

不同的分子力场会选取不同的函数形式来描述上述能量与体系构型之间的关系。到目前，不同的科研团队设计了很多适用于不同体系的力场函数，根据他们选择的函数和力场参数，可以分为以下几类
- 传统力场
  - AMBER力场：由Kollman课题组开发的力场，是目前使用比较广泛的一种力场，适合处理生物大分子。
  - CHARMM力场：由Karplus课题组开发，对小分子体系到溶剂化的大分子体系都有很好的拟合。
  - CVFF力场：CVFF力场是一个可以用于无机体系计算的力场
  - MMX力场：MMX力场包括MM2和MM3，是目前应用最为广泛的一种力场，主要针对有机小分子
- 第二代力场
- :第二代的势能函数形式比传统力场要更加复杂，涉及的力场参数更多，计算量也更大，当然也相应地更加准确。
  - CFF力场CFF力场是一个力场家族，包括了CFF91、PCFF、CFF95等很多力场，可以进行从有机小分子、生物大分子到分子筛等诸多体系的计算
  - COMPASS力场由MSI公司开发的力场，擅长进行高分子体系的计算
  - MMF94力场Hagler开发的力场，是目前最准确的力场之一
- 通用力场
- :通用力场也叫基于规则的力场，它所应用的力场参数是基于原子性质计算所得，用户可以通过自主设定一系列分子作为训练集来生成合用的力场参数
  - ESFF力场MSI公司开发的力场，可以进行有机、无机分子的计算
  - UFF力场可以计算周期表上所有元素的参数
  - Dreiding力场适用于有机小分子、大分子、主族元素的计算

参见

计算化学 量子化学 分子模拟 category:计算化学 category:化学

分子动力学

分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。

分子動力学简史


- 1957年：基于刚球势的分子動力学法（Alder and Wainwright）
- 1964年：質点系への拡張(Rahman)
- 1971年：剛体系への拡張(Rahman and Stillinger)
- 1977年：约束动力学方法（Rychaert等）
- 1980年：恒压条件下的动力学方法（Andersenの方法、Parrinello-Rahman法）
- 1983年：非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon)
- 1984年：恒温条件下的动力学方法（能勢‐フーバーの方法）
- 1985年：第一原理分子動力学法（→カー・パリネロ法）
- 1991年：巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit)

基本步骤


- 确定起始构型 :进行分子动力学模拟的第一步是确定起始构型， 一个能量较低的起始 构型 是进行 分 子模拟 的基础 ，一般分子的起始构型主要来自实验数据或量子化学计算。 :在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度，这一速度是根据波尔兹曼分布随机生成的，由于速度的分布符合波尔兹曼统计，因此在这个阶段，体系的温度是恒定的。另外，在随机生成各个原子的运动速度之后须 进 行调整，使得体系总体在各个方向上的动量之和为零，即保证体系没有平动位移。
- 进入平衡相 :由上 一步 确定的分子组建平衡相，在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。
- 进入生产相 :进入生产相之后体系中的分子和分子中的原子开始根据初始速度运动，可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞，这时就根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互作用势来对各个粒子的运动轨迹进行 计算 ，在这个过程中，体系总能量不变，但分子内部势能和动能不断相互转化，从而 体系的 温度也不断变化，在整个过程中，体系会遍历势能面上的各个点，计算的样本正是在这个过程中抽取的。 +
- 计算结果 :用抽样所得体系的各个状态计算当时体系的势能，进而计算构型积分。

作用势与动 力学 计算

作用势的选择与动力学计算的关系极为密切，选择不同的作用势，体系的势能面会有不同的形状，动力学计算所得的分子运动 和 分子内部运动的轨迹也会不同，进而影响到抽样的结果和抽样结果的势能计算，最初的分子动力学计算采用比较简单的刚球势，现在更多地采用Lennard-Jones势，后者能够更好的与粒子间相互作用拟合。

时间步长与约束动力学

分子动力学计算的基本思想是赋予分子体系初始运动状态之后利用分子的自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算，时间步长就是抽样的间隔，因而时间步长的选取对动力学模拟非常重要。太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞，体系数据溢出；太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力，因此一般选取的时间步长为体系各个自由度中最短运动周期的十分之一。 但是通常情况下，体系各自由度中运动周期最短的是各个化学键的振动，而这种运动对计算某些 宏观性质 并不产生影响，因此就产生了屏蔽分子内部振动或其他无关运动的约束动力学，约束动力学可以有效地增长分子动力学模拟的时间步长，提高搜索相空间的能力。

应用

分子动力学的计算过程给定了体系的总能量，因此适用于对 微正则系综的模拟计算，另外由于分子动力学计算过程始终是时间的函数，因此一些与时间有关的宏观量如扩散系数的模拟必须应用分子动力学。 另外，在实际应用中，经常把分子动力学方法和蒙特卡罗法联合使用。

参见

计算化学 分子模拟 category: 计算化学 category:化学 Category:分子物理学 ja:分子動力学法

Meise

Geografio > Eŭropo > Belgio > Flandrio > Flandra Brabanto > Meise ---- Meise (nederlande:[MEJS']) estas komunumo en Belgio. Ekde 1977, la komunumo Wolvertem apartenas al Meise, la ĉefa komunumo. (nederlande)

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