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2024年2月20日发(作者：images是什么意思啊)
化学通报 2010年第3期・235・知识介绍电子定域函数(ELF)理论方法简介———一种描述化学键的新模型郑世钧 李晓艳1132 默丽欣(1河北师范大学化学与材料科学学院计算量子化学研究所 石家庄 050016;2河北师范大学汇华学院 石家庄 050091)摘 要 电子定域函数理论可以清晰和定量化描述理论化学研究的基本对象———化学键,已在原子、分子及固体体系中得到广泛应用。本文系统介绍了电子定域函数(ELF)理论方法的基本物理思想;对ELF函数的一些特点如数值稳定性、ELF与分子中的原子理论(AIM理论)方法的异同及ELF的拓扑分析进行了说明;对电子定域函数在研究原子壳层结构、化学键的性质、孤对电子的位置、反应过程化学键的断裂和生成等方面的应用进行了介绍。关键词 电子密度拓扑分析 电子定域函数 化学键IntroductiontoElectronLocalizationFunction(ELF)———ANewChemicalBondModelZhengShijun,LiXiaoyan2113,MoLixin2(1InstituteofComputationalQuantumChemistry,CollegeofChemistryandMaterialScience,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050016;CollegeofHuihua,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050091)Abstract TheElectronLocalizationFunction(ELF)whichcangiveaclearandquantitativedescriptiononthebasicchemicalconcept–thechemicalbondhistheoryandsomecharactersofELF,suchasthenumericalstability,theanalogilicationsofELFinthestudiesofatomicelectronstructure,thenaturalofchemicalbond,thelonepairregion,thebreakageandformads Topologicalanalysisofelectrondensity,ELF,ChemicalBond化学家通过应用量子力学可以获得与实验对照的可观测量的数值并帮助加深对化学基本概念的理[1]解。电子定域函数(ELF)的引入旨在帮助人们理解从实验总结的电子定域的概念。借助ELF和分子[2]中的原子理论(AIM)的理论方法,可以给出对化学最基础概念———化学键的更加定量、更加合理、更加清晰的描述,为分子结构以及化学反应中化学键断裂和生成的理论研究提供新的理论模型。AIM和ELF理论方法的应用,近年来在国际理论化学界很活跃。鉴于人们对AIM理论方法已经比较熟悉,本文在Fuentealba等方法。[3]的综述基础上,结合笔者研究组的部分工作,向国内化学研究者主要介绍ELF理论1 ELF的物理思想 定域电子对是ELF理论中的一个最基本概念,它是指在一个给定的空间区域内,一对自旋相反的国家自然科学基金项目(20801017,20771033)、河北省自然科学基金项目(B2008000138)、河北省教育厅项目(B2009137)和河北师范大学博士基金项目(L2008B06)资助2008206229收稿,2009210215接受© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
・236・化学通报 2010年第3期 电子同时出现的几率较高,而它们与区域外的电子的交换几率较小。根据Pauli原理,当一个电子在空间运动时,一个费米空穴总是伴随其运动,形成一个密度分布函数。对于一个给定自旋的电子,其费米空穴密度的主对角元r1=r2应当等于在这点给定自旋的电子总密度。同理,对于一个给定的r1(参考电子的位置),围绕电子的费米空穴r2的积分,相当于移去一个自旋相同的电子。因此,费米空穴密度是描述参考电子的电荷空间离域化。正如Bader所述:“一个电子在空间运动总伴随着费米空穴在一起,如果费米空穴是定域的,电子就是定域的”。由于电子的静电排斥作用,这种定域效应是不完美的。根据Pauli原理,具有相同自旋的电子的运动比不同自旋电子的运动具有更强的相关性,这就是电子相关。为了讨论这种相关性,Becke和Edgecombe引入动能密度Dσ。Dσ是非负的,它越小,参考电子在r处定域越显著,即发现定域电子或定域电子对的几率越高。但是,D值接近0到什么程度时才能认为电子是定域的?为此,他们提出0[1]:利用均匀电子气作为一个参考体系(其动能密度为Dσ),同时为-10了计算方便,把函数归一化,使得其数值在0～1之间。这样就定义电子定域函数ELF=(1+χσ),其中χ根据定义,0≤ELF≤1,ELF值越接近1的区域,电子定域的几率越高;接近1/2的区域,σ=Dσ/Dσ。电子具有自由电子的属性。人们可以通过计算得到电子密度来计算ELF;也可以借助实验获得的电子密度来计算ELF。目前已有从X衍射数据获得的电子密度近似计算ELF的工作[4]。2 关于ELF的几点说明211 ELF的数值稳定性ELF的一个重要特点就是数值的稳定性[5],它与电子密度和分子轨道计算的理论级别没有直接关[5]系。ELF几乎不依赖于方法(HF、B3LYP等)和计算基组。Zurcher等采用B3LYP、HF、AM1等不同方33法并采用不同基组(用很大的基组如62311++G以及很小的基组如STO23G基组)计算了H2O分子的ELF等值面,计算结果表明,图形的描述对所有情况都是定性一致的。ELF的稳定性可以理解为总电子密度的定性属性,并独立于计算级别。当然,电子密度以及在密度基础上的其它期望值的计算结果可以不同,但是它们的极大、极小位置,特别是关键点的位置几乎都是相同的。可以证明,对于不同计算等级,函数是拓扑不变的。212 ELF与AIM理论方法的异同Bader的AIM模型全部基于电子密度性质。密度的最大和最小值定义为特定原子的空间体积。这样的分子中的原子不是球形,而是在原子间具有扩展到整个空间的明确边界。通过电子密度的22Laplacian量(
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