《量子化学计算方法》课程教学大纲
第一部分课程基本信息
课程名称 |
量子化学计算方法 |
英文名称 |
Quantum Chemical Methods |
课程编号 |
S5190312 |
适应专业(领域) |
物理化学 |
开课学期 |
第 2学期 |
预修课程 |
量子化学 |
课程性质 |
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结构化学 |
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学时/学分 |
36学时/2学分 |
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考核方式 |
开卷笔试或课程论文 |
开课单位 |
研究生部 |
课程负责人 |
姓名 |
职称 |
学历/学位 |
边江鱼 |
副教授 |
研究生/博士 |
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课程负责人所在学院（部门） |
化学学院 |
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课程负责人联系方式 |
0431-86168210 |
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第二部分课程概述
近几十年来，随着计算机硬件和软件水平的迅速发展，计算化学得到了飞速发展，已成为理论化学的重要分支，主要通过量子化学方法、分子力学方法以及分子动力学模拟来解决与化学相关的问题。目前，计算化学已广泛应用于化学及相关交叉学科的各个领域，迅速成为定量预测分子的结构、性质以及反应性能的有力工具。通过《量子化学计算方法》，可直接对各研究体系进行可与实验对比的计算机模拟，得出实验无法得到的资料，架起了理论化学和实验化学之间的桥梁，因此该技术应用领域十分广泛。
《量子化学计算方法》为继《结构化学》、《量子化学》之后，为物理化学专业硕士研究生开设的一门方向课，采用授课与上机演习相结合的教学方法，使学生在较短时间内掌握当今国际流行的常用计算软件（Gaussian）的原理、使用方法及技巧，着重培养同学们解决化学实际问题的能力。要求同学们通过本课程的学习，能对计算化学的原理和方法有一个初步的了解，并能够在化学合成、反应机理、生物、材料等各个领域中得到应用。共2学分36个学时，在每学年第二学期讲授。
第三部分课程主要教学内容
专题一 绪 言
本专题重点和难点：计算机模拟常用方法
一、分子模拟的历史和发展现状。
二、计算机模拟常用方法。
本专题主要思考题：简述计算机模拟常用方法及其研究对象。
专题二、Gaussian功能和计算原理介绍
本专题重点和难点：计算原理及硬件和内存的设置
一、功能介绍
二、计算原理
（一）概述
（二）分子力学方法
（三） 电子结构理论
三、安装和对软硬件的要求
（一）软硬件要求
（二）安装及硬盘、内存设置方案
本专题主要思考题：软件安装及应用时对软硬件有什么样的要求？
专题三 高斯输入文件的创建和程序运行
本专题重点和难点：高斯输入文件的创建及输入、输出的解释，输入软件的使用。
一、创建输入文件的目的
二、常用的创建高斯输入文件的方法
（一）利用晶体文件产生输入文件
（二）利用Gview，Chem3D（包括Chemdraw）和Hyperchem绘图软件产生输入文件
三、构建分子中的注意事项
四、怎样构建Z－坐标
五、关于输出的解释及练习
六、Linux系统下的输入
本专题主要思考题：乙烷分子构型的构建及Linux系统下的输入
专题四 优化计算和频率计算
本专题重点和难点：分子的优化，势能面，极小值的寻找；分子的频率，强度，简正模式
一、优化目的
（一）对分子性质的研究是从优化开始的
（二）高斯中所用到的一些术语的介绍（势能面、确定最小值、收敛标准）
（三）优化相关问题的讨论
二、频率计算
（一）预测红外和拉曼光谱
（二）输入格式和结果解释
（三）频率和强度
（四）矫正因子和零点能
（五）简正模式，热力学
（六）极化率和超极化率
（七）表征稳定点
本专题主要思考题：乙烯醇异构体的频率分析
专题五 单点能计算
本专题重点和难点：分子结构和输出结果中的信息分析
一、简要介绍
（一） 能量计算设置
路径，计算的名称，分子结构，多步计算
（二）输出文件中的信息
标准几何坐标，能量，分子轨道和轨道能级，电荷分布，偶极矩和多极矩
本专题主要思考题：计算乙烯和甲醛的分子轨道，寻找 HOMO 和LUMO 能级，并分析能级的组成情况
专题六 基组
本专题重点和难点：不同基组的区别及对不同计算对象基组的选取
一、基组介绍
二、基组的设置与选择
三、练习实践
本专题主要思考题：采用 HF 方法，STO-3G，6-31G(d)，6-31++G(d，p)基组优化N，N 二甲基甲酰胺的结构，做频率分析。
专题七 理论模型的选择
本专题重点和难点：选择合适的理论模型
一、使用半经验方法
二、电子相关和后SCF方法
（一）Hartree-Fock理论的限制
（二）MPn方法
三、耦合簇（CC）和二次结构相关方法
（一）密度泛函方法
本专题主要思考题：比较各种方法的优点及局限性。
专题八 高精度能量模型
本专题重点和难点：热化学的预测及高精度能量模型相对精确性
一、高精度能量模型简介
二、预测热化学
原子化能，电子亲和势，离子化能，质子亲和能
三、理论模型的评价及相对精确性
本专题主要思考题：高精度计算臭氧的氯化解离
专题九 研究化学反应和反应性
本专题重点和难点：势能面的扫描和反应路径分析
一、预测电子密度，计算反应焓变
二、研究势能面及势能面扫描
三、反应路径分析（运行IRC）
四、势能面研究实例
五、等构反应
本专题主要思考题：Si+SiH4的势能面研究
本专题重点和难点：激发态优化和频率分析
一、运行激发态计算
二、激发态优化和频率分析
本专题主要思考题：甲醛的激发态优化
专题十一 溶液中的计算
本专题重点和难点：SCRF计算
一、反应场模型
二、运行SCRF计算
本专题主要思考题：二氯乙烷旋转异构体的能量差异
第四部分主要教学参考资料
一、建议教材
James B. Foresman，Aeleen Frisch.，《Exploring Chemistry with Electronic Structure Method》(Second Edithion)，Gaussian，Inc，USA，1996年
二、主要参考书
1．Daan Frenkel，《Understanding Molecular Simulation》（分子模拟入门）(第2版)，世界图书出版公司(英语) 平装，2010年8月
2．陈敏伯，《计算化学—从理论化学到分子模拟》（第一版），科学出版社，2009年3月
3．林梦海，量子化学计算方法与应用（第一版），科学出版社，2004年5月
第五部分教学进度表
教学周 |
专题名称 |
主要内容 |
授课方式 |
学时分配 |
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理论学时 |
实践（实验）学时 |
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第一周 |
专题一 |
绪 言 |
课堂讲授 |
2 2 |
|
第二周 |
专题二 |
au Gaussian功能和计算原理介绍 |
课堂讲授 |
2 |
|
第三周 |
专题三 |
高斯输入文件的创建和程序运行 |
课堂讲授 |
2 |
|
第四周 |
专题三 |
高斯输入文件的创建和程序运行 |
课堂讲授 |
2 |
|
第五周 |
专题三 |
高斯输入文件的创建和程序运行 |
课堂讲授 |
2 |
|
第六周 |
专题四 |
优化计算和频率计算 |
课堂讲授 |
2 |
|
第七周 |
专题四 |
优化计算和频率计算 |
课堂讲授 |
2 |
|
第八周 |
专题五 |
单点能计算 |
课堂讲授 |
2 |
|
第九周 |
专题六 |
基组 |
课堂讲授 |
2 |
|
第十周 |
专题七 |
理论模型的选择 |
课堂讲授 |
2 |
|
第十一周 |
专题七 |
理论模型的选择 |
课堂讲授 |
2 |
|
第十二周 |
专题八 |
高精度能量模型 |
课堂讲授 |
2 |
|
第十三周 |
专题九 |
研究化学反应和反应性 |
课堂讲授 |
2 |
|
第十四周 |
专题九 |
研究化学反应和反应性 |
课堂讲授 |
2 |
|
第十五周 |
专题十 |
激发态计算 |
课堂讲授 |
2 |
|
第十六周 |
专题十 |
激发态计算 |
课堂讲授 |
2 |
|
第十七周 |
专题十一 |
溶液中的计算 |
课堂讲授 |
2 |
|
第十八周 |
|
机动 |
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2 |
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学院主管领导审核签字：
年 月 日
