Кіріспе
Кванттық физикадағы әдіс. Компьютерлік физика мен химияда Хартри-Фок (HF) әдісі – тұрақ күйдегі кванттық көп дене жүйесінің толқын функциясы мен энергиясын анықтау үшін жуықтау әдісі. Хартри-Фок әдісі жүйедегі нақты N денелік толқын функциясы бір ғана Слэйтер детерминантымен (бөлшектер фермион болған жағдайда) немесе N спин орбиталдарының бір ғана тұрақтысымен (бозон болған жағдайда) жуықталады деп жиі болжайды. Вариациялық әдісті қолдану арқылы N спин орбиталдары үшін N жұпталған теңдеулер жиынтығын алуға болады. Бұл теңдеулердің шешімі жүйенің Хартри-Фок толқын функциясы мен энергиясын береді. Хартри-Фок жуықтауы – орташа өріс теориясының бір мысалы, онда тәртіп параметріндегі жоғары тәртіптің ауытқуларын елемеу өзара әрекеттесу терминдерін квадраттық терминдермен ауыстыруға мүмкіндік береді, дәл шешілетін гамильтондарды алуға болады. Әсіресе ескі әдебиетте Хартри-Фок әдісі өзіндік жүйелі өріс әдісі (SCF) деп аталады. Қазір Хартри теңдеуі деп аталатын Шредингер теңдеуінің жуықтама шешімі ретінде шығарып, Хартри зарядты бөлуден есептелген соңғы өрісті болжамды бастапқы өріске «өздігінен сәйкес» болуын талап етті. Осылайша, шешімнің өзіндік сәйкестігі талап етілді. Сызықтық емес Хартри-Фок теңдеулерінің шешімдері де әр бөлшектің барлық басқа бөлшектер жасаған орташа өріске (төмендегі Фок операторын қараңыз) ұшырағандай әрекет етеді, сондықтан терминология жалғасты. Теңдеулер жалпыға бірдей қайталау әдісі арқылы шешіледі, бірақ тұрақты нүктелік қайталау алгоритмі әрқашан да жиналмайды. Бұл шешім схемасы жалғыз мүмкін емес және Хартри-Фок әдісінің негізгі ерекшелігі емес. Хартри-Фок әдісі атомдар, молекулалар, наноқұрылымдар және қатты денелер үшін Шредингер теңдеуін шешуде кеңінен қолданылады, бірақ ядролық физикада да кеңінен қолданылады. (Ядролық құрылым теориясында қолдану мәселесін талқылау үшін Хартри-Фок-Боголюбов әдісін қараңыз). Атомдық құрылым теориясында есептеулер көптеген қозған энергия деңгейлері бар спектр үшін болуы мүмкін, сондықтан атомдар үшін Хартри-Фок әдісі толқын функциясы жақсы анықталған кванттық сандары бар бір конфигурациялық күй функциясы деп санайды және энергия деңгейі міндетті түрде негізгі күй емес. Атомдар мен молекулалар үшін Хартри-Фок шешімі көптеген электрондық жүйені дәл сипаттау әдістерінің басым көпшілігінің негізгі бастау нүктесі болып табылады. Бұл мақаланың қалған бөлігі атомды арнайы жағдай ретінде молекулаларға арналған электрондық құрылым теориясындағы қосымшаларға назар аударады. Бұл жерде тек қана шектелген Хартри-Фок әдісі талқыланады, онда атом немесе молекула барлық орбиталдары (атомдық немесе молекулалық) екі еселенген жабық қабық жүйесі болып табылады. Электрондардың кейбірдері жұптаспаған ашық қабық жүйелерін шектеусіз ашық қабық немесе шектеусіз Хартри-Фок әдісімен қарастыруға болады.
In computational physics and chemistry, the Hartree–Fock (HF) method is a method of approximation for the determination of the wave function and the energy of a quantum many body system in a stationary state. The Hartree–Fock method often assumes that the exact N body wave function of the system can be approximated by a single Slater determinant (in the case where the particles are fermions) or by a single permanent (in the case of bosons) of N spin orbitals. By invoking the variational method, one can derive a set of N coupled equations for the N spin orbitals. A solution of these equations yields the Hartree–Fock wave function and energy of the system. Hartree–Fock approximation is an instance of mean field theory, where neglecting higher order fluctuations in order parameter allows replacing interaction terms with quadratic terms, obtaining exactly solvable Hamiltonians. Especially in the older literature, the Hartree–Fock method is also called the self consistent field method (SCF). In deriving what is now called the Hartree equation as an approximate solution of the Schrödinger equation, Hartree required the final field as computed from the charge distribution to be "self consistent" with the assumed initial field. Thus, self consistency was a requirement of the solution. The solutions to the non linear Hartree–Fock equations also behave as if each particle is subjected to the mean field created by all other particles (see the Fock operator below), and hence the terminology continued. The equations are almost universally solved by means of an iterative method, although the fixed point iteration algorithm does not always converge. This solution scheme is not the only one possible and is not an essential feature of the Hartree–Fock method. The Hartree–Fock method finds its typical application in the solution of the Schrödinger equation for atoms, molecules, nanostructures and solids but it has also found widespread use in nuclear physics. (See Hartree–Fock–Bogoliubov method for a discussion of its application in nuclear structure theory). In atomic structure theory, calculations may be for a spectrum with many excited energy levels, and consequently, the Hartree–Fock method for atoms assumes the wave function is a single configuration state function with well defined quantum numbers and that the energy level is not necessarily the ground state. For both atoms and molecules, the Hartree–Fock solution is the central starting point for most methods that describe the many electron system more accurately. The rest of this article will focus on applications in electronic structure theory suitable for molecules with the atom as a special case. The discussion here is only for the restricted Hartree–Fock method, where the atom or molecule is a closed shell system with all orbitals (atomic or molecular) doubly occupied. Open shell systems, where some of the electrons are not paired, can be dealt with by either the restricted open shell or the unrestricted Hartree–Fock methods.
Ертедегі жартылай эмпирикалық әдістер
Хартри-Фок әдісінің бастауы 1920 жылдардың соңына, 1926 жылы Шредингер теңдеуінің ашылуынан кейін көп ұзамай саяхаттайды. Дуглас Хартридің әдістері Бордың ескі кванттық теориясында орналасқан 1920 жылдардың басындағы жартылай эмпирикалық әдістермен (Э. Фьюс, Р. Б. Линдсей және өзінің еңбектерімен) басшылыққа алынды. Бордың атом моделінде, негізгі кванттық саны n болатын күйдің энергиясы атомдық бірліктерде былай беріледі. Атомдық спектрлерден байқауынша, көп электронды атомдардың энергия деңгейлері Бор формуласының өңделген түрін қолдану арқылы жақсы сипатталады. Кванттық ақау d-ны эмпирикалық параметр ретінде енгізу арқылы, кез келген атомның энергия деңгейлері формуласымен жақсы жуықталады, яғни рентген сәулелену аймағында байқалатын өту деңгейлерін жеткілікті дәл қайта жасай алады (мысалы, Мозли заңындағы эмпирикалық талқылау мен туындылуын қараңыз). Кванттық ақаудың нөлден өзгеше болуы электрондардың өзара тебілуіне байланысты деп есептелді, бұл оқшауланған сутек атомында жоқ. Бұл тебілу ядролық зарядтың ішінара қорғалуына әкелді. Бұл ертедегі зерттеушілер кейіннен тәжірибелік деректерді жақсырақ қайта шығару ниетімен қосымша эмпирикалық параметрлерді қамтитын басқа потенциалдарды енгізді.
Хартри әдісі
1927 жылы Д. Р. Хартри атомдар мен иондардың шамамен толқындық функцияларын және энергияларын есептеу үшін өзіндік сәйкес өріс әдісі деп атаған процедураны енгізді. Хартри эмпирикалық параметрлерді жоюға және көп денелі уақыттан тәуелсіз Шредингер теңдеуін негізгі физикалық принциптерден, яғни ab initio-дан шешуге ұмтылды. Оның алғашқы ұсынған шешім әдісі Хартри әдісі немесе Хартри көбейтіндісі деп аталды. Дегенмен, Хартридің көптеген замандастары Хартри әдісінің физикалық негіздемесін түсінбеді: көптеген адамдарға ол эмпирикалық элементтерді қамтитын сияқты көрінді, ал оның көп денелі Шредингер теңдеуінің шешімімен байланысы белгісіз болды. Алайда, 1928 жылы Дж. К. Слейтер және Дж. А. Гаунт тәуелсіз түрде Хартри әдісін теориялық тұрғыдан дұрыс негіздеуге болатынын көрсетті, бір бөлшектік функциялардың көбейтіндісі ретінде сынамалық толқындық функцияға (ansatz) вариациялық принципті қолдану арқылы. 1930 жылы Слейтер және В. А. Фок тәуелсіз түрде Хартри әдісі толқындық функцияның антисимметрия принципін сақтамайтынын көрсетті. Хартри әдісінің ескі формулировкасында Паулидің тыйым салу принципі қолданылды, ол екі электронның бірдей кванттық күйде болуына тыйым салады. Алайда, бұл кванттық статистиканы ескермеу арқасында толық емес екені дәлелденді.
Хартри Фолк
Хартри әдісіндегі антисимметрияның жоқтығына шешім, 1926 жылы Хайзенберг пен Дирак алғаш рет қолданған бір бөлшектік орбитальдардың детерминанты – Слэйтер детерминантының, дәл шешімнің антисимметриялық қасиетін өте оңай қанағаттандыратыны және демек, вариациялық принципті қолдану үшін қолайлы жуықтама екені көрсетілді. Осылайша, бастапқы Хартри әдісін алмасуын ескермеу арқылы Хартри-Фок әдісіне жуықтама ретінде қарастыруға болады. Фоктің бастапқы әдісі топтық теорияға көп сүйенді және сол кездегі физиктерге түсіну және іске асыру үшін тым абстрактті болды. 1935 жылы Хартри әдісті есептеу мақсатына сәйкес ету үшін қайта қарастырды. Хартри-Фок әдісі физикалық тұрғыдан дәлірек болғанына қарамастан, 1950 жылдары электронды компьютерлер пайда болғанға дейін, Хартридің бастапқы әдісімен және эмпирикалық модельдермен салыстырғанда едәуір көп есептеу талаптары болғандықтан, сирек қолданылды. Бастапқыда Хартри әдісі де, Хартри-Фок әдісі де атомдарға ғана қолданылды, онда жүйенің сфералық симметриясы мәселені қатты жеңілдетуге мүмкіндік берді. Бұл жуықтама әдістер көбінесе орталық өріс жуықтамасымен бірге қолданылды, бұл бірдей қабықтағы электрондардың радиалдық бөлігінің бірдей болуын қамтамасыз етуге және вариациялық шешімді спиндік өзіндік функция ретінде шектеуге мүмкіндік берді. Дегенмен, орташа мөлшердегі атом үшін Хартри-Фок теңдеулерін қолмен есептеу еңбекті талап етті; ал кіші молекулалар 1950 жылға дейін қол жетімді болғаннан әлдеқайда көп есептеу ресурстарын қажет етті.
Хартри Фок алгоритмі
Хартри-Фок әдісі әдетте көпэлектронды атом немесе молекула үшін уақытқа тәуелсіз Шредингер теңдеуін шешу үшін қолданылады, бұл Борн-Оппенгеймер жуықтамасында сипатталғандай. Көптеген электрондық жүйелер үшін табылған аналитикалық шешімдер болмағандықтан (сутек тәрізді атомдар және диэлектронды сутек ионы сияқты бір электрондық жүйелер үшін шешімдер бар), мәселе сандық түрде шешіледі. Хартри-Фок жуықтамасының нәтижесінде туындаған сызықтық емес сипаттамаларға байланысты, теңдеулер итерация сияқты сызықтық емес әдіс арқылы шешіледі, бұл оған "өздігінен дәйекті өріс әдісі" деген ат берді.
Орбитальдардың вариациялық оңтайландыруы
Вариациялық теорема уақыттан тәуелсіз Гамильтон операторы үшін кез келген сынақ толқын функциясының энергиясының күтілім мәні, берілген Гамильтонға сәйкес келетін нақты негізгі күй толқын функциясының энергиясынан кем емес екенін айтады. Осы себепті, Хартри-Фок энергиясы берілген молекуланың нақты негізгі күй энергиясының жоғарғы шегі болып табылады. Хартри-Фок әдісіндегі ең жақсы шешім – Хартри-Фок шегі, яғни, негіздік жиынтық толықтыққа жақындағанда Хартри-Фок энергиясының лимиті. (Басқасы – толық CI лимиті, онда жоғарыда сипатталған Хартри-Фок теориясының соңғы екі жуықтауы толығымен алынып тасталады. Нақты шешім, Борн-Оппенгеймер жуықтауына дейін, екі лимит те қол жеткенде ғана алынады.) Хартри-Фок энергиясы – бір Слэйтер детерминанты үшін минималды энергия. Хартри-Фок әдісінің бастапқы нүктесі – спин-орбитальдар деп аталатын шамамен бір электронды толқын функцияларының жиынтығы. Атомдық орбитальдық есептеулер үшін, бұл әдетте тек бір электроны бар, бірақ тиісті ядролық заряды бар сутек тәрізді атомның орбитальдары болып табылады. Молекулалық орбитальдық немесе кристалдық есептеулер үшін бастапқы шамамен бір электронды толқын функциялары әдетте атомдық орбитальдардың сызықтық комбинациясы (LCAO) болып табылады. Жоғарыдағы орбитальдар басқа электрондардың бар екенін орташа түрде ғана ескереді. Хартри-Фок әдісінде басқа электрондардың әсері орташа өріс теориясы аясында ескеріледі. Орбитальдар тиісті Слэйтер детерминантының энергиясын азайту арқылы оңтайландырылады. Орбитальдардағы вариациялық шарттар жаңа бір электрондық операторға, яғни Фок операторына әкеледі. Минимумда, оккупацияланған орбитальдар бірлік түрлендіру арқылы Фок операторының өзіндік шешімдері болып табылады. Фок операторы – екі мүшеден тұратын бір электронды Гамильтон операторы. Бірінші мүшесі – әрбір электронның кинетикалық энергия операторларының қосындысы, ядроаралық тартылыс энергиясы және ядролық-электрондық Кулон тартымдылық мүшелерінің қосындысы. Екінші мүшесі – орташа өріс теориясы аясындағы электрондар арасындағы Кулондық итергіш күштер; жүйедегі әрбір электрон үшін таза итергіш энергия, ол молекуладағы барлық басқа электрондарды тегіс теріс зарядтың таралуы ретінде қарастыру арқылы есептеледі. Бұл – Хартри-Фок әдісіне тән маңызды жуықтау және жоғарыдағы тізімдегі бесінші жуықтауға тең. Фок операторы сәйкес Фок матрицасын құрастыру үшін қолданылатын орбитальдарға тәуелді болғандықтан, Фок операторының өзіндік функциялары өз кезегінде жаңа орбитальдар болып табылады, оларды жаңа Фок операторын құру үшін пайдалануға болады. Осылайша, Хартри-Фок орбитальдары жалпы электрондық энергияның өзгеруі алдын ала белгіленген шектен төмен түскенше итеративті түрде оңтайландырылады. Осылайша, бір электрондық орбитальдардың жиынтығы есептеледі. Хартри-Фок электрондық толқын функциясы осы орбитальдардан құрылған Слэйтер детерминанты болып табылады. Кванттық механиканың негізгі постулаттарына сәйкес, Хартри-Фок толқын функциясын Хартри-Фок әдісінің аясында және қолданылған жуықтаулар ішінде кез келген қажетті химиялық немесе физикалық қасиетті есептеу үшін пайдалануға болады.
Атомдық орбитальдардың сызықтық комбинациясы
Көбінесе, қазіргі заманғы Хартри-Фок есептеулерінде бір электронды толқындық функциялар атомдық орбитальдардың сызықтық комбинациясы арқылы жуықталады. Бұл атомдық орбитальдар Слейтер типті орбитальдар деп аталады. Сонымен қатар, есептеу уақытын үнемдеу үшін, қолданылатын "атомдық орбитальдар" көбінесе Слейтер типті орбитальдардың орнына, бір немесе бірнеше Гаусс типті орбитальдардың сызықтық комбинациясынан құралған болады. Іс жүзінде әртүрлі негіз жиынтықтары қолданылады, олардың көпшілігі Гаусс функцияларынан тұрады. Кейбір жағдайларда, ортогоналды негіз функциялары жиынтығын алу үшін Грам-Шмидт процесі сияқты ортогоналдау әдісі қолданылады. Теориялық тұрғыдан алғанда, бұл компьютер Roothaan-Hall теңдеулерін шешетін кезде, үсті-үстіне жабысатын матрицаны сәйкестік матрицасына тиімді түрлендіру арқылы есептеу уақытын үнемдеуге мүмкіндік береді. Дегенмен, молекулалық Хартри-Фок есептеулеріне арналған көптеген қазіргі заманғы компьютерлік бағдарламаларда бұл процедура қолданылмайды, себебі ортогоналдаудың жоғары сандық құны және жалпыланған өзіндік мәселені шешуге арналған тиімді, көбінесе сирегірек алгоритмдердің пайда болуына байланысты. Roothaan-Hall теңдеулері осы мәселенің мысалы болып табылады.
Сандық тұрақтылық
Бұл процедурада сандық тұрақтылық мәселесі туындауы мүмкін және осы тұрақсыздықпен күресудің әртүрлі жолдары бар. Ең қарапайым және көбінесе қолданылатын әдістердің бірі – F араластыру немесе демпферлеу. F араластыруда бір электрондық толқындық функция есептелгеннен кейін, ол тікелей қолданылмайды. Оның орнына, сол электрон үшін есептелген толқындық функция мен бұрынғы толқындық функциялардың бір комбинациясы қолданылады, ең көп таралғаны – есептелген және бірден алдыңғы толқындық функцияның қарапайым сызықтық комбинациясы. Хартри атомдық есептеулерде қолданған бір шеберлік – ядролық зарядты арттыру, осылайша барлық электрондарды бір-біріне жақындату. Жүйе тұрақтанғаннан кейін, заряд біртіндеп нақты мәніне дейін төмендетілді. Молекулалық есептеулерде ұқсас тәсіл кейде қолданылады, яғни алдымен оң ионның толқындық функциясы есептеліп, содан кейін осы орбитальдар бейтарап молекула үшін бастапқы нүкте ретінде пайдаланылады. Қазіргі заманғы молекулалық Хартри-Фок компьютерлік бағдарламалары Рутаан-Холл теңдеулерінің жуысуын (конвергенциясын) қамтамасыз ету үшін түрлі әдістерді қолданады.
Кемшіліктері, кеңейтулері және баламалары
"Хартри-Фок алгоритмі" бөлімінде сипатталған бес жеңілдетудің ішінде бесіншісі көбінесе ең маңызды болып табылады. Электрондық корреляцияны ескермеу эксперименттік нәтижелерден үлкен айырмашылықтарға алып келуі мүмкін. Осы кемшілікке қатысты бірнеше тәсілдер жасалған, олар жиынтығында пост-Хартри-Фок әдістері деп аталады, және олар көпэлектронды толқындық функцияға электрондық корреляцияны қосады. Осы әдістердің бірі – Мёллер-Плессет бұзылыс теориясы, корреляцияны Фок операторының бұзылысы ретінде қарастырады. Басқалары нақты көпэлектронды толқындық функцияны Слэйтер детерминанттарының сызықтық комбинациясы түрінде кеңейтеді, мысалы, көпконфигурациялық өзіндік согласостырылған өріс (multi-configurational self-consistent field), конфигурациялық өзара әрекеттесу, квадратикалық конфигурациялық өзара әрекеттесу және толық активті кеңістік SCF (CASSCF). Тағы да басқалары (мысалы, вариациялық кванттық Монте-Карло) Хартри-Фок толқындық функциясын корреляциялық функциямен ("Жастроу" факторымен) көбейту арқылы өзгертеді, бұл термин бірнеше электрондардың функциясы болып табылады және оны тәуелсіз бір бөлшекті функцияларға жіктеуге болмайды. Кейбір жағдайларда қолданылатын Хартри-Фок есептеулеріне балама – тығыздық функционалдық теориясы, ол алмасу және корреляциялық энергияларды, болғанымен шамамен қарастырады. Шындығында, екі әдістің гибридтік есептеулерін қолдану кең таралған – танымал B3LYP схемасы осындай гибридтік функционалдық әдіс болып табылады. Тағы бір мүмкіндік – заманауи валентті байланыс әдістерін пайдалану.
Бағдарламалық жасақтамалар
Hartree–Fock есептеулерін жүзеге асыруға белгілі бағдарламалық пакеттердің тізімін, әсіресе молекулалар мен қатты денелер үшін, кванттық химия және қатты дене физикасы бағдарламалық жасақтамаларының тізімінен көруге болады.