Файл: Татевский В.М. Классическая теория строения молекул и квантовая механика.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 258

Скачиваний: 2

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

только

на математической

интуиции.

Если некоторые (хотя бы

качественные) соображения

о свойствах функции

ф

могут

быть

сделаны на основании исследования уравнений,

которым

они

должны

удовлетворять, или

из общих

физических

соображений,

то они могут быть учтены при выборе функций х-

 

 

 

Мы остановимся только

на одном вопросе — на

вопросе о том,

в каких областях пространства вокруг ядер функции % должны иметь наибольшие по модулю значения или вообще достаточно большие значения, чтобы по возможности лучше были апроксимированы функции ф методом Ритца. Иными словами, как целе­ сообразно центрировать функции %.

Решить этот вопрос строго и однозначно математически на осно­ вании исследования свойств уравнений, определяющих функции ф, очень трудно. Поэтому, вообще говоря, для конкретной молекулы можно пробовать использовать набор функций х> центрированных в любых точках пространства вблизи от ядер (порядка атомных размеров), например вдоль линий, соединяющих пары ядер атомов молекулы, связанных химическими связями (с точки зрения клас­ сической теории строения), если предполагается определенная фор­ мула химического строения молекулы.

Однако из общих физических соображений можно предполагать, что полная функция W, описывающая какое-либо электронное со­

стояние молекулы, должна быть такова, что

квадрат ее модуля

1 F*4f должен иметь большие значения

для

таких

конфигураций

электронов, когда они распределены в

непосредственной близости

от ядер (не обязательно точно в месте

нахождения

ядер). Иными

словами, при значениях координат электронов, близких к коорди­

натам ядер, можно предположить, что

должно

иметь относи­

тельно большие значения.

 

 

Квадрат модуля Ч*, т.е. ЧГ Г , дает

вероятность

определенного

распределения электронов в пространстве, а поскольку электроны

находятся

в

поле ядер,

вероятность их

нахождения вблизи ядер

должна быть больше,

чем в областях пространства, более далеких

от ядер. Предполагая

это для функции

можно предполагать это

также и

для

функций

ф, из которых

Ч? конструируется. Отсюда

представляется целесообразным из указанных соображений выби­ рать набор функций х т а к > чтобы каждая функция набора была центрирована на каком-либо ядре. Тогда в набор функций % будут

входить группы функций таких, что каждая функция

определенной

группы, центрирована на одном определенном

ядре *.

 

 

 

* Естественно, можно вводить в

рассмотрение

функции

%

более

общего

вида, например центрированные сразу

на нескольких

ядрах или

на всех

ядрах

(т. е. имеющие отличные от нуля относительно большие значения только в об­ ластях пространства, примыкающих к соответствующим ядрам). Указанный выше способ центрирования функций % является поэтому частным способом, соответ­ ствующим изложенному рассуждению, которое его в какой-то мере объясняет качественно и обосновывает возможность указанного выбора вида функций ф из общих физических соображений.


§ 9. Распределение отрицательного

электрического заряда

в пространстве вокруг ядер в варианте ЛАКО

 

метода молекулярных орбиталей

 

 

Выше было выведено выражение

для

pe(x,y,z)—плотности

отрицательного электрического заряда в пространстве вокруг ядер, создаваемого электронами. Это выражение имеет одинаковую ма­ тематическую форму как в методе Хюккеля *, так и в методе Фока. Именно для четного N

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Ре{х, у,

z) =

- 2 2 « Р І ( * . У . z)q>k(x,y,z)

 

(XXVIII,73)

Отличия в функции ре, полученной в этих двух методах, будут

состоять в том, что функции фй(х, у, z),

полученные

из уравнения

Хюккеля и из уравнения Фока, будут разными.

 

 

 

В варианте ЛКАО

функции

щ(х,у„г)

представляются в виде

линейных комбинаций

некоторых**

заданных

функций

%P(x,y,z)

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

Ч>* -

2

с

Р к Ь

 

 

 

 

 

 

 

P=I

 

 

 

 

 

 

Подставляя ф/, в этой

форме

в выражение для ре

(XXVIII, 73),

получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ре (*> У. *) =

2

Ь (*• У> z)

X, (*• У> 2 ) ( 2

СІкСдЛ

( X X V I I I , 74)

 

P. q

 

 

 

 

\ f t = l

 

/

 

Это выражение для ре(х,у,г) мы используем в одной из следую­ щих глав при рассмотрении вопроса о распределении отрицатель­ ного электрического заряда в пространстве вокруг ядер для разных фрагментов, относящихся к одному и тому же типу и виду, встре­ чающемуся в разных молекулах или в одной молекуле.

Выражение для ріг в приближении Фока—Рузана. Из выраже­ ния для ріг в приближении Фока, приведенном в § 3 гл. XXVIII, и выражения для щ (XXVIII, 60) следует, что в приближении Фока— Рузана ріг будет выражаться формулой

Ріг (*і. Уи Zu х 2 , уъ z2 ) =

 

= 2 2

WP (U X, (1) *; (2) X, (2) -

Хр ( I ) X, (2) х; (2) X, О)]

PpqP„

 

p. q г, s

 

 

 

 

 

 

ГДЄ

 

 

,

 

 

.

'

 

 

 

Ppq ~

2 CpkCqk'

Prs =

2

^rfisl

 

 

 

 

 

к

 

I

 

 

 

* Поскольку

р в (х, у, г)

зависит

только

от

вида приближенной

волновой

функции

Ф, а этот

вид в методах Хюккеля и Хартри одинаков, выражение для

р е (х, у, г)

в методе

Хартри

имеет ту ж е математическую форму, что и в

методе

Хюккеля. Отличие состоит в конкретном виде функций фА (х, у, г) в методах Хюк­ келя, Хартри и Фока.

** Естественно, что при использовании одного и того ж е набора функций %Р коэффициенты СРк, апроксимирующие функции Ф А , полученные как решения - уравнения Хюккеля, будут отличаться от коэффициентов С» А, апроксимирующих функции ф*, полученные как решения уравнений Фока.



ГЛАВА XXIX

МЕТОД ВАЛЕНТНЫХ СХЕМ

§1. Общая характеристика метода

В методе валентных схем приближенная волновая функция для основного электронного состояния системы, содержащей N элек­ тронов, обычно определяется следующим образом. Рассмотрим для простоты только случай четного числа электронов. Прежде всего

выбирается

набор

заранее

заданных известных

функций

%Р(Х, у, Z),

зависящих каждая только от трех пространственных ко-

ординат: %\{х,у, г),

%N(x, у, z).

 

 

 

 

 

 

Каждая

из этих функций умножается на спиновую функцию г| (о),

т.е. а (а)

или

Р(а), и

составляются

все возможные

определители

вида:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ф А

=

-£=r

І Чі ( 0

г) Хі ( 2 ) ^2 (а2) Ъ

(2)

• • • Л * (<*2) %N

(2)

і

(XXIX, I)

 

 

Ут

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где в качестве

функции г) (а)

в любом

столбце может

быть

постав­

лена либо а(о),

либо

Р(о).

 

 

 

 

 

 

 

При заданных функциях %, очевидно, можно составить 2N

таких

определителей *.

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку функции Хр заранее заданы, то функции tyh, по­ строенные каждая совершенно определенным образом из функций Хр, также заранее заданы.

В принципе семейство функций Ф, из которого выбирается оптимальная приближенная функция основного состояния моле­ кулы, может быть определено как совокупность функций, представ­

ляющих каждая некоторую линейную

комбинацию функций %

 

 

2N

 

 

 

 

Ф = 2 С А

 

(XXIX, 2)

 

 

й=1

 

 

 

* Здесь мы изложим только такой вариант метода валентных схем, в котором

все

функции хь

• •. XN различны. Можно рассматривать

и такие определители

типа

(XXIX, 1),

в которых в некоторых парах

столбцов,

отличающихся спино­

выми функциями, стоят одинаковые координатные функции. Этого более общего варианта метода валентных схем мы рассматривать не будем.


Все возможные вариации коэффициентов С\ в этой линейной

комбинации определяют

семейство функций, из которого

выби­

рается приближенная волновая функция основного состояния.

Семейство

функций

Ф,

определенное на

функциях

tyk по

(XXIX, 2), по

существу,

есть

семейство функций,

рассматриваемое

в линейном варианте вариационного метода Ритца. Поэтому по­

строение приближенной функции

Ф

вида (XXIX, 2), в

принципе,

представляет собой непосредственное

применение линейного ва­

рианта прямого вариационного

метода

Ритца для' нахождения

функции Ф, приближенно

апроксимирующей истинную

функцию

ф 0 основного электронного

состояния

молекулы.

 

Из вариационного условия

(XXVII, 17)

 

 

б

j "

Ф ' Я Ф dv da =

О

(XXIX, 3)

и условия нормированности

функции Ф

 

 

 

J Ф*Ф dvda

= l

'

(XXIX, 4)

могут быть определены значения коэффициентов Си функции Ф, удовлетворяющей этим условиям. Путь решения этой задачи, в принципе, вполне аналогичен решению уравнения Хюккеля прямым вариационным методом Ритца.

Именно, если ввести обозначения

Hkl

=

|

%H^t dv da

(XXIX, 5)

и

 

 

 

 

SH

=

j

dv da

(XXIX, 6)

и учесть, что функции % нормированы, т. е.

s f t f e = \ ^ k d v d a = \

(XXIX, 7)

то лучшие значения коэффициентов Ck в выражении (XXIX, 2) определяются из п = 2N уравнений

и - е) С, + и + eS1 2 ) С 2 + . . . +

(Я,„ -

е5,„) Сп = О

 

(XXIX, 8)

( # „ , - eS n l ) С, + . . . + Пп - е) Сп

= О

 

Эта система п однородных уравнений имеет решения, отличные от нуля только если определитель системы равен нулю, т. е. если

Нц — г

Hl2 — e S 1 2 . . . H m — eSln

(XXIX, 9)

 

 

= 0

fni — £Sr a i

• • • Нпп

є

 

Последнее уравнение определяет п значений е т , которые ему удов­ летворяют

Є ї , в 2

е т > . . . . е „

(XXIX, 10)