Позволяет ли квантовая механика моделировать химические реакции в программном обеспечении?

Я разработчик программного обеспечения, заинтересованный в изучении квантовой механики для моделирования химии. Я знаю, что это очень сложная тема, поэтому я считаю это долгосрочной целью «когда-нибудь/может быть», и я не уверен, что это вообще возможно.

Я прослушал несколько видеолекций на вводных курсах QM, таких как видеоролики Сасскинда и Бранта Карлсона на YouTube , и содержание до сих пор кажется далеким от вычислительной «химии» таких вещей, как форма электронной орбиты или энергия связи.

Можно ли смоделировать эволюцию во времени чего-то «простого», например, сталкивающихся и реагирующих молекул в: 2 ЧАС 2 + О 2 2 ЧАС 2 О ? Я имею в виду моделирование из первых принципов - чистая квантовая механика без каких-либо оценок типа "представь, что этот атом - масса на пружине" и т.д.

Если возможно, каков примерный план курсов колледжа, необходимых для перехода из точки А в точку Б — от введения в квантовую механику до понимания, необходимого для написания кода для этой симуляции? (Может быть, дело не столько в физике, сколько в хитрых вычислительных методах оценки решений уравнений?)

У меня нет однозначного ответа, просто наблюдение, которое ЧАС 2 О с точки зрения «чистой КМ», вероятно, можно было бы смоделировать как 13 взаимодействующих различных тел (2 протона и 2 электрона для ЧАС 2 и 1 ядро ​​и 8 электронов для кислорода) ... когда вы получаете 2 из них, это 26 тел, на которые вы смотрите. Решение уравнения Шредингера для 26 (связанных) тел одновременно даже численно мне кажется очень сложным.
Люди делают это, но, как мне кажется, обычно только для подходов по некоторым направлениям симметрии. Это достаточно сложно. Сделать полную квантовую химию для всех возможных подходов (не только прямых линий) - я сомневаюсь, что это делается.
Я нашел лекции Сасскинда (и соответствующую книгу amazon.com/Quantum-Mechanics-Theoretical-Leonard-Susskind/dp/… ) полезным введением в QM. Более подробное рассмотрение математики дает Шуллер youtube.com/playlist?list=PLPH7f_7ZlzxQVx5jRjbfRGEzWY_upS5K6 .
Окончательный ответ - Ландау, том III, но это не «колледжный» учебник. И только нескольких первых глав будет недостаточно. Вам понадобится полное рассмотрение теории рассеяния в продвинутых главах, чтобы рассчитать такие вещи, как столкновение 2H2+02→2H20, исходя из первых принципов.

Ответы (3)

Да, это возможно. Работа с чистой квантовой механикой означает, что вам нужно будет решить уравнение Шредингера для многих тел, которое не имеет точного решения, поэтому некоторые приближения должны быть выполнены численно. Различные подходы к решению этих уравнений породили разные численные методы, и некоторые методы более эффективны для решения конкретных задач, таких как упомянутый вами.

Вы можете поискать термины: Ab initio, методы первых принципов, вычислительная химия, теория функционала плотности. Я даже видел несколько специальных курсов на YouTube.

Некоторые популярные программы, используемые в этой области: Gaussian, VASP, GAMESS, DMol, Quantum Espresso.

Да, это возможно — я изучал это в бакалавриате. Я бы сказал, что предпосылками являются, вероятно, несколько семестров квантовой механики — достаточно, чтобы изучить такие понятия, как приближения Борна-Оппенгеймера, теория возмущений и теория углового момента. Курс, специально посвященный атомной и молекулярной физике, также не помешал бы.

Как вы говорите, и как указывается в комментарии, вычислительные требования для точного решения уравнения Шредингера даже для чего-то сравнительно простого могут быть огромными. При попытке решить эту проблему требуется много вычислительных усилий, и для чего-то столь же большого, как то, что вы предлагаете, я сомневаюсь, что вы увидите лечение «точное из первых принципов»; приближения, вероятно, входят в него. (Моя числовая работа в старшей школе занимала несколько дней для таких реакций, как F + H2.)

Ключевое слово — «реактивное рассеяние» — процесс столкновения двух молекул с последующим возникновением другой конфигурации. Это похоже на приличный обзорный документ, если вы можете получить к нему доступ.

Другие ответы касаются уже существующего программного обеспечения и касаются того, сколько времени могут занять «чистые» вычисления ab inito (из первых принципов). Примечание: для интересных систем используются суперкомпьютеры (моя группа, как доступ к одному, рекомендовала бы)

Наиболее важные классы, которые нужно пройти, если вы хотите написать свой собственный код (я предполагаю, что вы знаете, как кодировать):

Линейная алгебра — 99% всей квантовой химии — это матричная математика.

Физическая химия - убедитесь, что вы понимаете основные концепции

Квантовая физика/химия — любой из них определенно окажется на расстоянии крика от способности кодировать — но основное внимание будет уделяться точному ответу, который мы получаем для водорода, а не кодированию современных методов.

Если вам нужен курс, который на самом деле научит вас кодировать современные методы, вам, вероятно, придется пойти в школу, которая является специализированным центром квантовой химии, или физический факультет, который разветвляется на химию.

Примеры названий занятий: «Продвинутая квантовая химия», «За пределами Хартри-Фока» или «Парные кластерные методы».

Если вам интересно поиграть с пакетом квантовой химии, вы можете скачать его с github: Psi4 — написан на C++ и python с интерфейсом python для ввода.