Hóa học lượng tử tính toán: Ngành khoa học của thế kỷ 21

Hóa học lượng tử được sinh ra từ sự toán hóa ngành hóa học bằng cơ học lượng tử (CHLT). Việc áp dụng các phương pháp tính toán vào các vấn đề hóa học dựa trên cơ sở những tiên đề chính của CHLT, mà nội dung chính của chúng có thể được tóm tắt như sau: (i) hàm sóng Ψ(x) của một hạt cơ bản (hay một hệ các hạt cơ bản) chứa đựng mọi thông tin cần biết liên quan đến hệ đó (trong không gian một chiều). Ý nghĩa vật lý của hàm số sóng được diễn...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hóa học lượng tử tính toán: Ngành khoa học của thế kỷ 21Hóa học lượng tử tính toán: Ngành khoa học của thế kỷ 21 Hóa học lượng tử được sinh ra từ sự toán hóa ngành hóa họcbằng cơ học lượng tử (CHLT). Việc áp dụng các phương pháptính toán vào các vấn đề hóa học dựa trên cơ sở những tiên đềchính của CHLT, mà nội dung chính của chúng có thể được tómtắt như sau:(i) hàm sóng Ψ(x) của một hạt cơ bản (hay một hệ các hạt cơbản) chứa đựng mọi thông tin cần biết liên quan đến hệ đó(trong không gian một chiều). Ý nghĩa vật lý của hàm số sóngđược diễn tả thông qua bình phương của hàm số sóng,|Ψ(x)(x)|2.dx, đại lượng này cho biết xác xuất tìm thấy hệ lượngtử trong khoảng không gian (x, x+dx) được xác định bởi hàmsóng đó;(ii) mọi tính chất quan sát được, hay đại lượng vật lý đo được,của hệ đều có thể xác định được từ Ψ(x) thông qua một toán tửtương ứng;(iii) cho một tính chất hay đại lượng g, một toán tử Ĝ tương ứngđược định nghĩa; áp dụng toán tử Ĝ trên Ψ(x) dẫn đến phươngtrình trị số riêng Ĝ.Ψ(x) = g.Ψ(x), và khi giải phương trình này,các trị số riêng g được xác định. Sau khi được chuẩn hóa, tanhận được giá trị trung bình cho trị số riêng g trên.Vào năm 1926, Schrödinger triển khai toán tử cho năng lượng E,được gọi là Hamiltonian Ĥ, và thành lập phương trình riêngmang tên ông:iĤ Ψ(x) = E Ψ(x) (1)Trong hóa học, đại lượng quan trọng nhất là năng lượng E củamột nguyên tử, phân tử hay siêu phân tử (gồm những nhânnguyên tử và electron), và sự thay đổi năng lượng dọc theo tọađộ của phản ứng hóa học. Người làm hóa học cần có các thôngtin này để hiểu diễn biến và cơ chế của phản ứng hóa học dựatrên những nguyên lý của nhiệt động lực học và động học, và đểcó thể kiểm soát hay thay đổi được chúng. Cung cấp thông tinvề năng lượng của một hệ phân tử ở mọi trọng thái electron haythể loại là một mục đích chính của việc áp dụng những nguyênlý CHLT vào hóa học. Từ đó đến nay, khởi đi từ những năm đầucủa thập niên 1930, lịch sử của HLT là một chuỗi dài và liên tụcnhững cố gắng lớn của nhiều nhà khoa học trong nhiều ngànhkhoa học (hóa, toán, vật lý, tin học) nhằm tìm cách giải phươngtrình (1) để xây dựng hàm số sóng Ψ(x) cho các hệ phân tử. Phảinói là những “cố gắng lớn” bởi vì toán tử Ĥ cho một phân tử baogồm động năng và thế năng của các nhân và electron, cộng vớinăng lượng tương tác giữa chúng dẫn đến những tích phân đatâm phức tạp. Những tích phân này, nhất là các tích phân trongthế năng tương tác đẩy giữa các electron, dẫn đến việc không thểgiải được chính xác phương trình (1) bằng các phương pháptoán giải tích cho những hệ đa điện tử.Song việc áp dụng phương trình Schrödinger đã không bị dừnglại mà đã từng bước phát triển, đặt nền móng cho ngành HLT vàgóp phần mở rộng cơ sở lý thuyết cho hóa học hiện đại. Nhữngthành tựu của HLT trong 60 năm qua luôn dựa vào những bướcđi trên hai chân. Ngay từ những ngày đầu cho đến nay, hướng đichính là phát triển các phương pháp tính thích hợp để xây dựngnên những hàm số sóng (mà về tính chất là những hàm số sónggần đúng), so sánh kết quả với thực nghiệm và tìm cách pháttriển lý thuyết để cải thiện. Một mặt, với mỗi phương pháp mớiđược đề nghị, năng lượng và những tính chất hóa học khác tínhđược từ hàm sóng đã được áp dụng vào các phân tử cụ thể đểhiểu những thông tin và giải thích các hiện tượng hóa học cơ bảnnhận được từ thực nghiệm. Mục đích cuối cùng là vượt qua kếtquả từ các con tính trên các phân tử riêng lẽ để tìm những môhình và khái niệm chung. Mặt khác, việc cải thiện chất lượngcủa Ψ(x) và E luôn được tiếp tục bằng các phương pháp tínhtoán hoàn thiện hơn (thường được gọi là “phương pháp caohơn”) với những con tính luôn phức tạp hơn nhiều lần, để đạtđược những trị số có độ chính xác cao hơn so với thực nghiệm. ...