Computer Simulation in Chemical Physics (NATO Science Series C pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Springer

作者:Allen, M. P.; Tildesley, D. J.;

出品人:

页数:532

译者:

出版时间:1993-04-30

价格:USD 399.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780792322832

丛书系列:

图书标签:

化学物理
计算机模拟
分子动力学
蒙特卡洛方法
统计力学
物质科学
计算化学
NATO科学系列
物理学
模拟方法

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具体描述

"Computer Simulation in Chemical Physics" contains the proceedings of a NATO Advanced Study Institute held at CORISA, Alghero, Sardinia, in September 1992. In the years that have elapsed since the field was last summarised there have been a number of advances which have significantly expanded the scope of the methods. Good examples are the Car-Parrinello method, which allows the study of materials with itinerant electrons; the Gibbs technique for the direct simulation of liquid vapour phase equilibria; the transfer of scaling concepts from simulations of spin models to more complex systems; and the development of the configurational-biased Monte-Carlo methods for studying dense polymers. The field has also been stimulated by an enormous increase in available computing power and the provision of recent software. All these developments, and more, are discussed in an accessible way here, making the text suitable reading for graduate students and research scientists in both academic and industrial settings.

现代计算化学与材料科学的基石：基于第一性原理的模拟方法一、导论：从微观到宏观的计算桥梁在理解和设计新型化学物质、先进功能材料以及复杂物理体系的过程中，实验手段固然不可或缺，但其局限性也日益显现——尤其是在探究极端条件下的原子级动力学、高能态过程以及瞬态结构时。计算化学与材料科学正是在这样的背景下崛起，成为现代科学研究中不可替代的强大工具。本书旨在系统、深入地剖析支撑现代计算模拟的理论框架和实用算法，重点聚焦于量子力学基础上的第一性原理（Ab Initio）方法。我们将探讨如何利用牛顿定律之外的更深层次的物理原理，即量子力学，来精确描述电子与原子核之间的相互作用，从而预测物质的宏观性质。本书的结构设计旨在为初学者提供坚实的理论基础，并为有经验的研究人员提供深入的算法细节和应用案例。我们相信，对底层理论的透彻理解是高效、可靠地应用计算工具的前提。二、量子力学基础：薛定谔方程的统治地位一切基于第一性原理的模拟都源于薛定谔方程。本章将首先回顾波恩-奥本海默（Born-Oppenheimer, BO）近似的物理意义和数学推导，这一近似将原子核运动与电子运动解耦，是所有电子结构计算的基石。我们将详细讨论如何利用精确求解（或近似求解）定态薛定谔方程来获取系统的基态能量和波函数。自洽场（Self-Consistent Field, SCF）理论：详细阐述了哈特里-福克（Hartree-Fock, HF）方法的基本思想，包括其优点（清晰的物理图像）和固有缺陷（完全忽略了电子间的关联效应）。我们将剖析Fock算符的构建过程，并对迭代求解过程中的收敛性问题进行技术性讨论。电子关联的引入：这是现代计算化学区别于早期方法的关键。我们将全面介绍处理电子关联的各种先进技术：微扰理论（Møller-Plesset, MPn）：重点解析MP2的二阶修正及其计算成本。耦合簇（Coupled Cluster, CC）理论：作为目前精度最高的“黄金标准”方法之一，我们将深入探讨指数算符的结构、截断阶数（CCSD, CCSDT）的物理意义，以及如何处理非精度限制下的CCSD(T)计算。三、密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）的精细解析 DFT因其在计算成本和精度之间达成的出色平衡，已成为应用最广泛的电子结构方法。本章将深入探讨DFT的理论核心。霍恩贝格-科恩（Hohenberg-Kohn, HK）定理：论述了系统基态能量完全由基态电子密度唯一确定的基本原理。科恩-沈（Kohn-Sham, KS）方程：详细解释了如何通过引入KS轨道来构建一个“人为的”、可解的单电子薛定谔方程组。交换关联泛函的谱系：泛函的选择直接决定了计算的准确性。我们将系统地分类和比较各类泛函的结构和适用性：局域密度近似（LDA）与广义梯度近似（GGA）：讨论其对键能和结构预测的局限性。后-GGA（meta-GGA）方法：如TPSS和SCAN，探讨引入动能密度或拉普拉斯量如何改善性能。混合泛函（Hybrid Functionals）：如B3LYP和PBE0，分析它们如何通过混合HF交换来提高对能隙和键能的描述能力。长程修正与自相互作用误差（SIE）：针对范德华（van der Waals, vdW）力和半导体问题，介绍如vdW-DF、rVV10以及Range-Separated Hybrids等前沿修正技术。四、周期性系统与固体物理的模拟对于晶体、表面和界面等周期性材料，传统的分子计算方法需要进行重大调整。晶体结构与布里渊区：介绍倒易空间（Reciprocal Space）的概念，特别是布里渊区（Brillouin Zone）的采样方法，如Monkhorst-Pack方案。平面波基组与赝势（Pseudopotentials）：讨论平面波基组在描述电子波函数方面的优势，以及如何使用高效的投影缀加波（PAW）或超软赝势（USPP）来处理实心原子核的强库仑势，显著降低计算量。电子态密度（DOS）与能带结构：解释如何通过计算Kohn-Sham特征值，绘制出材料的能带图，识别导体、半导体和绝缘体，并计算有效质量。五、扩展应用：动力学、激发态与超快过程静态的能量优化无法满足所有需求。本章将目光投向材料随时间演化的模拟。分子动力学（Molecular Dynamics, MD）：基于力场的MD：简要回顾经典MD的原理和势能函数的构建。从头算分子动力学（AIMD/Car-Parrinello MD）：详细描述如何将DFT与时间演化方程（如高精度Verlet算法或CP方法的迭代）相结合，实现对温度、压力下结构弛豫和相变的直接模拟。激发态计算：模拟光吸收、荧光和光催化过程需要超越基态电子结构的理论。时间依赖性密度泛函理论（TD-DFT）：介绍其基本方程和对激发态能量的预测能力，同时指出其在描述高能量激发态时的挑战。 Bethe-Salpeter方程（BSE）：作为一种更精确的描述激子的方法，分析其与TD-DFT的关系和计算成本。六、计算实践与误差分析理论的强大必须通过严格的实践来验证。本章侧重于计算的实际操作和结果的可靠性评估。收敛性与网格精度：讨论能量收敛标准（电子和离子步）、能量对基组尺寸（平面波截断能，k点密度）的依赖性，并强调对计算参数的系统性扫描。不确定度量化（Uncertainty Quantification）：介绍如何通过比较不同级别的方法（如HF vs. CCSD(T) vs. DFT）和不同泛函的结果，对模拟预测的可靠范围进行科学评估。并行计算策略：探讨现代高通量计算（HPC）环境中，如何利用MPI和OpenMP等技术，实现电子结构计算在数千个核心上的高效并行化，特别是涉及昂贵矩阵对角化步骤的优化策略。本书结构清晰，理论阐述严谨，旨在提供一套完整的、从基础理论到前沿应用的计算化学模拟知识体系，使用户能够自信地设计、执行和解释复杂的量子化学与材料科学模拟项目。