Материал: Боженко Основы квантовой химии
ОПИСАНИЕ И ПРОГРАММА КУРСА
1. Описание курса
Название курса: «Основы квантовой химии».
Цели и задачи курса: Основной целью настоящего курса является ознакомление студентов с основами квантовой химии, включающими ее базовый метод – метод молекулярных орбиталей. Все самые точные методы расчета электронной и геометрической структуры молекул сегодня базируются именно на этом методе. Важной задачей курса является обеспечение понимания студентами теоретических основ метода, лежащего в основе всей современной квантовой или компьютерной химии, и выработка у них отношения к получаемым квантово-химическим результатам, как к машинному эксперименту, равноправному по отношению к любым другим экспериментальным исследованиям. Курс предназначен для обучения студентов в бакалавриате по
специальности Химия. Является обязательным теоретиче-
ским курсом.
Инновационность курса: Состоит в ознакомлении студентов с самой современной областью химии – квантовой химией. Это включает инновационность содержания,
методики преподавания, используемой литературы, и организации самого учебного процесса. Достоинство этой бурно развивающейся области знаний тесно сопряжено с прогрессом вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения. Оно состоит в возможности получения информации, недоступной для традиционных экспериментальных физико-химических методов исследований.
116
Например, изучение детальной электронной и геометрической структуры активированного комплекса в химических реакциях, различных свойств короткоживущих ионов, отнесение полос в спектрах запрещенных переходов и т.д. Понимая это, студенты при дальнейшем обучении всегда смогут использовать квантово-химические расчеты при выполнении бакалаврских дипломных работ и магистерских диссертаций.
Сведения об авторе: Боженко Константин Викторович, доктор химических наук, профессор, профессор кафедры физической и коллоидной химии РУДН.
Структура курса (с указанием количества часов аудиторных / самостоятельной работой на темы):
Темы лекций:
1.Введение в квантовую химию (0,5часа)
2.Классическая механика, ее основные понятия. За-
коны Ньютона. Принцип наименьшего действия. Функция Лагранжа. Уравнения Лагранжа. Канонические уравнения Гамильтона (1,5 часа).
3.Принцип относительности Галилея. Законы сохранения, интегралы движения. Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Центр инерции механической системы. Гармонический осциллятор (классическое решение) (2часа).
4.Квантовая механика. История ее появления. Понятие о корпускулярно-волновом дуализме, гипотеза Луи де Бройля, опыты Дэвиссона и Джермера. Статистическое толкование волн де Бройля (2 часа).
5.Понятие измерения по Н. Бору и роль прибора в квантовой механике. Принцип неопределенности В. Гейзенберга, его физический смысл. Принцип дополнительности Н. Бора (2 часа).
117
6.Волновая функция системы, ее физический смысл. Принцип суперпозиции. Операторы квантовой механики и их основные свойства. Сложение и умножение операторов. Понятие о коммутаторах (2 часа).
7.Уравнение Шредингера, зависящее от времени. Стационарные состояния и стационарное уравнение Шредингера
(2 часа).
8.Момент импульса микрочастицы. Коммутационные соотношения для его компонент и квадрата момента импульса. Спин электрона. Собственные значения квадрата оператора спина и их роль в качестве волновых функций (2 часа).
9.Схемы сложения моментов Рассел–Саундерс и по схеме j-j связи. Квантовый осциллятор. Принципиальное отличие от классического гармонического осциллятора, энергия нулевых колебаний (2 часа).
10.Туннельный эффект, его парадоксальность. Частица в одномерном потенциальном ящике. Движение свободной частицы. Жесткий ротатор (2 часа).
11.Уравнение Шредингера для атома водорода. Принцип Паули (2 часа).
12.Квантовая химия. Приближение Борна-Оппенгей- мера. Вариационный метод и вариационный принцип (2 часа).
13.Одноэлектронное приближение. Волновая функция многоэлектронной системы в одноэлектронном приближении (2 часа)
14.Средняя энергия в одноэлектронном приближении
(2 часа).
15.Уравнения Хартри и Хартри-Фока (2 часа).
16.Уравнения Хартри-Фока для замкнутых оболочек
(2 часа).
17.Линейный вариационный метод. Уравнения Хар- три-Фока-Рутаана (2 часа).
118
Темы семинарских занятий
1.Принцип относительности Галилея, системы координат, задача о кинетической энергии двух масс (2 часа).
2.Первый закон Ньютона и функция Лагранжа, вывод второго закона Ньютона, энергия системы с одной степенью свободы, вращение твердого тела (2 часа).
3.Жесткий ротатор, Ixx для H2CO, волчка, моменты инерции для CO2 , элементы теории групп (2 часа).
4.Вычисление коммутаторов (2 часа).
5.Вычисление коммутаторов (продолжение) (2 часа).
6.Схемы сложения моментов в квантовой механике. Термы Рассел-Саундерс (2 часа).
7.Вычисление термов атомов лития, углерода и кислорода (2 часа).
8.Различные типы атомных базисных функций, используемых в современных квантово-химических программах (2 часа).
Темы коллоквиумов
1.Основы классической и квантовой механики (4 часа).
2.Основы квантовой химии (4 часа).
Описание системы контроля знаний
Контроль знаний состоит из трех этапов:
1.Индивидуальная беседа с каждым студентом по разделам всего теоретического курса во время двух коллоквиумов.
2.Регулярный опрос студентов во время семинарских
занятий.
3.Экзамен.
119
Шкала оценок, итоговые оценки
(методика выставления):
1.20 баллов студенты получают за посещение всех лекций и семинаров.
2.Максимум 15 баллов за ответы на каждом из двух коллоквиумов.
3.Максимум 50 баллов за ответ на экзамене. Итоговая оценка является суммой оценок данных трех
пунктов – max: 10+ 20+20+50=100.
2. Программа курса
Аннотированное содержание курса.
Курс состоит из трех разделов: 1. Основы классической механики. 2. Основы квантовой механики. 3. Основы квантовой химии.
Виды учебной работы
Вид учебной работы |
Всего часов |
|
104 |
Общая трудоемкость дисциплины |
|
Лекции |
32 |
Семинары (С) |
16 |
Коллоквиумы |
8 |
Самостоятельная работа |
32 |
Курсовая работа |
16 |
Вид итогового контроля |
экзамен |
120 |
|