Программа дисциплины опд. Ф. 07 Квантовая механика и квантовая химия для студентов специальности 020101 «Химия» направления подготовки 020100 «Химия»
| Вид материала | Программа дисциплины |
- Программа дисциплины опд. Ф. 01 Неорганическая химия для студентов специальности 020101, 373.27kb.
- Программа дисциплины опд ф. 12. Методика преподавания химии для студентов специальности, 140.35kb.
- Программа дисциплины опд. Ф. 11 Строение вещества для студентов направления 020100, 122.63kb.
- Программа дисциплины опд. В. 2 Современные проблемы химии для студентов специальности, 75.46kb.
- Программа дисциплины дс методы разделения и концентрирования Форма обучения: дневная, 179.32kb.
- Рабочая программа по дисциплине «Спектральные методы анализа» для специальности 020101, 175.88kb.
- Рабочая программа дисциплина ‹‹Неорганическая химия›› опд. Ф. 02 Специальность 020101, 343.5kb.
- Утверждаю, 65.11kb.
- Рабочая программа по дисциплине «Физической химия» (ч. 1 «Химическая термодинамика»), 212.45kb.
- Рабочая программа по дисциплине «органическая химия» для направления 020100-Химия (цикл, 697.58kb.
Федеральное агентство по образованию
ОБНИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
(ИАТЭ)
| | УТВЕРЖДАЮ |
| | Проректор по учебной работе ___________________ С.Б. Бурухин |
| | “______”____________ 200__ г. |
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ОПД.Ф.07
Квантовая механика и квантовая химия
для студентов специальности 020101 «Химия»
направления подготовки 020100 «Химия»
Форма обучения: очная
Объем дисциплины и виды учебной работы по очной форме в соответствии с учебным планом
| Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | |||
| | | 7 | | | |
| Общая трудоемкость дисциплины | 99 | | | | |
| Аудиторные занятия | 51 | 51 | | | |
| Лекции | 34 | 34 | | | |
| Практические занятия и семинары | 17 | 17 | | | |
| Лабораторные работы | | - | | | |
| Курсовой проект (работа) | | - | | | |
| Самостоятельная работа | 48 | 48 | | | |
| Расчетно-графические работы | | - | | | |
| Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | | Экз. | | | |
Обнинск 2007
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 020100 «Химия».
Программу составил:
___________________ Ф.И. Карманов, доцент, к. ф.-м. н., доцент
Программа рассмотрена на заседании кафедры общей и специальной химии
(протокол № _61 от 15.10.2007 г.)
Заведующий кафедрой
общей и специальной химии
___________________ В.К. Милинчук
“__19__”_____10________ 2007 г.
СОГЛАСОВАНО
| Начальник Учебно – методического управления ___________________ Ю.Д. Соколова | Декан факультета естественных наук ___________________ Н.Б. Эпштейн “____”_____________ 200__ г. |
1. Цели и задачи дисциплины
Дисциплина предназначена для подготовки специалистов по специальности 020101 «Химия» направления 020100 «Химия».
Дисциплина «Квантовая механика и квантовая химия» читается после курсов «Общей физики» и «Общей химии» и является начальным введением в основной раздел современной теоретической химии.
Данная дисциплина представляет собой важную часть полноценного образования химика из-за ее фундаментального значения в формировании широты взглядов и кругозора будущего специалиста. Знание ее необходимо для успешной работы в области современной техники и химической технологии.
Для успешного усвоения курса необходимы знания:
- общей физики в объеме общего курса (оптика и атомная физика),
- общей химии, физической химии, строения вещества,
- математического анализа (дифференциальное и интегральное исчисления, функции комплексной переменной, ряды и интегралы Фурье),
- дифференциальных уравнений с частными производными;
- аналитической геометрии и высшей алгебры (векторная алгебра, аналитическая геометрия кривых и поверхностей, линейные преобразования).
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате изучения дисциплины студент должен
знать:
- основы квантовой механики;
- основные квантовые характеристики атомов и молекул;
- методы приближенного решения задач квантовой химии;
уметь:
- решать простейшие задачи квантовой механики атомов и молекул;
- анализировать качественное поведение и динамику химических реакций;
- строить математические модели атомов и молекул;
иметь навыки:
- по планированию и проведению типовых расчетов с помощью программных комплексов для квантово-химических вычислений;
- по анализу и обработке результатов расчета квантовых характеристик атомов и молекул;
- качественного анализа возможных механизмов химических реакций на основе квантово-химического моделирования.
3. Содержание дисциплины
3.1. Лекции
1. Введение - 1 час.
1.1 Предмет квантовой механики молекулярных систем и квантовой химии. Основные этапы развития квантовой теории. Главные тенденции в развитии квантовой химии как основного теоретического фундамента современной химической науки.
2. Основы квантовой механики – 13 часов.
2.1 Основные постулаты квантовой механики. Квантовые состояния и волновые функции; основные свойства волновых функций. Операторы физических величин (наблюдаемых); средние значения и дисперсии наблюдаемых. Плотность вероятности распределения частиц в пространстве.
Математический аппарат квантовой механики. Эрмитовы операторы, их собственные функции и собственные значения. Вырождение. Матричное представление операторов. Разложение по собственным функциям эрмитова оператора. Коммутационные соотношения.
Операторы координат, импульсов, моментов импульса, кинетической и потенциальной энергии. Оператор Гамильтона (гамильтониан). Соотношения неопределенностей. Физический смысл и простейшие оценки на их основе.
Эволюция состояний и уравнение Шредингера. Стационарное уравнение Шредингера. Дискретный и непрерывный спектры. Уравнение непрерывности.
2.2 Простейшие примеры применения квантовой механики. Одномерные задачи: спектр, качественные особенности волновых функций. Задачи о прямоугольном потенциальном ящике, потенциальном барьере и гармоническом осцилляторе.
2.3 Теория момента импульса. Основные следствия коммутационных соотношений для компонент момента импульса. Правила сложения моментов импульса. Жесткий ротатор.
2.4 Задача об атоме водорода. Разделение переменных. Водородоподобные орбитали, графическое представление их радиальных и угловых частей. Вырождение одноэлектронных состояний как следствие симметрии центрального поля.
2.5 Приближенные методы решения квантовомеханических задач. Теория возмущений для стационарных состояний в отсутствие и при наличии вырождения. Вариационный принцип квантовой механики и вариационный метод. Метод Ритца.
2.6 Молекула в постоянных электрическом и магнитном полях. Дипольный электрический и магнитный моменты системы частиц. Снятие вырождения под влиянием постоянного электрического или магнитного поля (эффекты Штарка и Зеемана.)
Спин элементарных частиц и связанный с ним магнитный момент. Операторы спина и коммутационные соотношения. Спин-орбитальное взаимодействие и его проявления.
2.7 Квантовая система в переменном электромагнитном поле. Временная теория возмущений. Переходы под влиянием излучения и правила отбора. Коэффициенты Эйнштейна.
Системы тождественных частиц: фермионы и бозоны. Антисимметричность волновой функции для системы электронов. Представление волновой функции системы электронов в виде определителя.
3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И МЕТОДЫ КВАНТОВОЙ ХИМИИ –20 час.
3.1. Уравнение Шредингера для атомов и молекул. Разделение электронного и ядерного движений. Адиабатическое приближение. Электронные, колебательные и вращательные состояния молекул.
Поверхность потенциальной энергии. Роль представлений о поверхности потенциальной энергии в современной структурной теории химии. Равновесная конфигурация и конформации молекул. Малые колебания ядер вблизи положения равновесия. Колебания с большими амплитудами. Вращение системы ядер как целого.
Электронное волновое уравнение. Электронная плотность и ее изменения при переходе от разделенных атомов к молекуле. Теорема Геллмана-Фейнмана.
3.2 Построение приближенных решений электронного волнового уравнения на основе вариационного принципа. Одноэлектронное приближение. Метод Хартри - Фока (самосогласованного поля, ССП). Уравнения, определяющие орбитали. Орбитальные энергии и их связь с полной электронной энергией. Теорема Купманса и фотоэлектронные спектры. Пределы применимости метода Хартри - Фока.
3.3 Понятие о методе конфигурационного взаимодействия. Метод валентных схем. Электронное строение атомов. Электронные конфигурации и термы атомов. Сложение моментов для атомов. Правила Хунда. Электронное строение атомов и периодическая система элементов Д.И. Менделеева.
3.4 Представление молекулярных орбиталей (МО) в виде линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО). Наиболее распространенные типы базисов атомных орбиталей: орбитали слэтеровского и гауссова типа. Метод ССП МО ЛКАО.
3.5 Представление о методах функционала электронной плотности.
3.6 Учет симметрии ядерной конфигурации при рассмотрении электронной задачи. Элементы и операции симметрии. Точечные группы симметрии. Представления точечных групп, неприводимые представления и таблицы характеров.
Симметрия и свойства молекул. Классификация электронных состояний молекул и классификация молекулярных орбиталей по симметрии. σ- и π-орбитали. π-электрон-ное приближение. Орбитали симметрии и эквивалентные орбитали.
3.7 Связывающие и разрыхляющие орбитали. Локализованные молекулярные орбитали, натуральные связывающие орбитали и классические представления о химической связи. Групповые орбитали. Переносимость орбиталей фрагментов молекул. Связевые орбитали и орбитали неподеленных пар. Гибридизация и гибридные орбитали в базисе атомных s-, p- и d-орбиталей.
3.8 Полуэмпирические методы квантовой химии. Методы, использующие нулевое дифференциальное перекрывание. Расширенный метод Хюккеля. Метод Хюккеля для π-электронных систем. Возможности и ограничения применения полуэмпирических методов квантовой химии.
3.9 Межмолекулярное взаимодействие и его описание в квантовой химии. Ориентационная и индукционная составляющие. Дисперсионное взаимодействие. Ван-дер-ваальсовые комплексы. Водородная связь. Нежесткие молекулы. Электронно-колебательное взаимодействие. Эффекты Яна - Теллера.
3.10 Современное программное обеспечение квантово-химических расчетов. Наиболее распространенные программные комплексы (MOPAC, GAUSSIAN, Hyper Chem, Material Studio и др.).
3.2. Практические и семинарские занятия
| Разделы | Наименование темы | Литература | Часы |
| 1 | Нахождение собственных значений и собственных функций операторов квантовой механики. | [4,5,8,10] | 2 |
| 2 | Задачи об одномерных и трехмерных потенциальных ящиках с прямоугольными потенциалами и стенками различной высоты. Прямоугольные потенциальные барьеры. | [4,5,8,10,14] | 2 |
| 3 | Атом водорода. Выделение центра масс, переход к сферической системе координат. Форма атомных орбиталей. | [4,5,8,10] | 2 |
| 4 | Молекулы H2+ и H2. Простейшие подходы к построению волновых функций и потенциальных кривых на основе методов молекулярных орбиталей и валентных схем. | [4,5,10] | 2 |
| 5 | Уравнения метода Хартри - Фока для атома гелия и простейших молекул, например LiH. | [1,3,4] | 2 |
| 6 | Метод Хюккеля. Простейшие примеры расчетов. Заряды на атомах, порядки связей. Граничные орбитали. Правило Лонге-Хиггинса. | [4,10,14,15] | 2 |
| 7 | Точечные группы симметрии. Неприводимые представления на примере групп типа C2v, C3v и т.п. Характеры представлений. Учет симметрии при классификации орбиталей. σ- и  -орбитали. Гибридные и эквивалентные орбитали. Корреляционные диаграммы. | [4,5,10] | 2 |
| 8 | Квантово-химическое описание элементарного акта химических реакций. Путь реакции и координата реакции на потенциальной поверхности. Переходное состояние. Симметрия реагентов, переходного состояния и продуктов реакции. | [4,5,16] | 2 |
| 9 | Знакомство с программным комплексом Hyper Chem 7.1 | [12] | 2 |
3.3. Лабораторный практикум
Не предусмотрен.
3.4. Курсовые проекты (работы)
Не предусмотрены.
3.5. Формы текущего контроля
| Раздел | Форма контроля | Неделя |
| Лекции 1-16 | Обсуждение и прием работ на семинарских занятиях | 1-17 |
3.6. Самостоятельная работа
1. Методы решения квантово-химических задач в пакете MathCAD. Потенциальные ямы и барьеры конечной высоты и ширины [14, с. 3-45].
2. Квантовый гармонический осциллятор [3, c.119; 8, c.26; 15, c.13].
3. Электронное строение атомов. Электронные конфигурации и термы атомов. Сложение моментов для атомов. Правила Хунда. Электронное строение атомов и периодическая система элементов Д.И. Менделеева [4, c.81; 5, c.108].
4. Гибридизация и гибридные орбитали в базисе атомных s-, p-орбиталей [15, c.33].
5. Метод ССП МО ЛКАО [4, c. 108; 5, c.276].
6. Качественный анализ геометрического строения малых многоатомных молекул на основе метода МО. Диаграммы Уолша. [4, c.370].
4.1. Рекомендуемая литература
4.1.1. Основная литература
1. Мессиа А. Квантовая механика. М.: Наука, т.1,2. 1979. ( 3 экз. и в электр. форме).
2. Соколов А.А., Тернов И.М., Жуковский В.Ч. Квантовая механика. М.: Наука, 1979.
3. Давыдов А.С. Квантовая механика. М.: Наука, 1973. (20 экз.)
4. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теория строения молекул. Ростов-на-Дону, «Феникс», 1997. 560с. (в электронной форме).
5. Степанов Н.Ф. Квантовая механика и квантовая химия: Учебное пособие. М.: Изд-во МГУ, 2001. 519с. (10 экз. и в электронной форме).
6. Грибов Л.А., Муштакова С.П. Квантовая химия. М. Гардарики, 1999, 309с. (15 экз. и в электронной форме).
4.1.2. Дополнительная литература
7. Флюгге Э. Задачи по квантовой механике. М.: Наука, 1974. (в электронной форме).
8. Балашов В.В., Долинов В.К. Курс квантовой механики. М.: Изд-во МГУ, 1982. 280с.
9. Ландау Л.Д. Квантовая механика. М.: Наука, 1974. (в электронной форме).
10. Симкин Б.Я., Клецкий М.Е., Глуховцев М.Н. Задачи по теории строения молекул. Ростов-на-Дону, «Феникс», 1997, 272с.
11. Бальхаузен К. Введение в теорию поля лигандов. М., Мир, 1964.
12. Соловьев М.Е., Соловьев М.М. Компьютерная химия. М. СОЛОН-пресс, 2005, 535с.
13. Jensen F. Introduction to Computational Chemistry. John Wiley&Sons, 1999, 399c.
14. Карманов Ф.И., Резниченко Д.А. Методические указания к выполнению компьютерных лабораторных работ по курсу «Вычислительные методы в квантовой физике».
Обнинск, 2004, 48с. (40 экз. и в электронной форме).
15. Карманов Ф.И., Евдокимов А.Н. Компьютерный практикум по курсу «Квантовая механика и квантовая химия». Обнинск, 2007, 84с. (40 экз. и в электронной форме).
16. Карманов Ф.И., Суворов А.А. Численное решение дифференциальных уравнений в пакете MathCAD. Обнинск, 2007, 80с. (40 экз.), (в электронной форме).
4.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
Компьютерные презентации и демонстрации.
5. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Не предусмотрены