Кіріспе
Кванттық механикадағы теорема. Купманс теоремасы жабық қабықшалы Хартри-Фок теориясында (HF) молекулалық жүйенің бірінші иондалу энергиясы, ең жоғары орналасқан молекулалық орбитальдың (HOMO) орбитальдық энергиясының теріс мәніне тең екенін көрсетеді. Бұл теорема 1934 жылы осы нәтижені жариялаған Тьяллинг Купманс есімімен аталған. Купманс теоремасы, егер ионның орбиталдары бейтарап молекуланың орбиталдарымен сәйкес келеді деп есептелсе, шектелген Хартри-Фок теориясы аясында дәл болады (мұздатылған орбитальдық жуықтау). Осылайша есептелген иондалу энергиялары эксперименттік мәліметтермен сапалық үйлеседі – кіші молекулалардың бірінші иондалу энергиясы көбінесе екі электрон вольттан кем қателікпен есептеледі. Сондықтан, Купманс теоремасының дұрыстығы негізгі Хартри-Фок толқындық функциясының дәлдігімен тығыз байланысты. Қателердің екі негізгі көзі – орбитальдық релаксация, яғни жүйедегі электрон саны өзгерген кезде Фок операторы мен Хартри-Фок орбиталдарының өзгеруі, және электрондық корреляция, яғни көп денелік толқындық функцияның толығымен Хартри-Фок толқындық функциясымен (орбитальдардан құралған жалғыз Слейтер детерминант, олар тиісті өзіндік дәйекті Фок операторының өзіндік функциялары болып табылады) бейнеленуінің дұрыстығы. Эксперименттік мәндермен эмпирикалық салыстырулар және жоғары сапалы ab initio есептеулер көрсеткендей, көп жағдайларда, бірақ әрқашан емес, релаксациялық эффектілерге байланысты энергетикалық түзетулер электрондық корреляцияға байланысты түзетулерді шамамен өтестіреді. Дәл осындай теорема (Янақтың теоремасы) тығыздық функционалдық теориясында (DFT) бар, ол дәл бірінші тік иондалу энергиясы мен электрондық жақындығын HOMO және LUMO энергияларымен байланыстырады, бірақ туындысы мен нақты айғақтары Купманс теоремасынан өзгеше. Купманс теоремасының DFT-дегі қатесі алмасу-корреляциялық энергия функционалы үшін қолданылған жуықтаудың салдары болып табылады, сондықтан HF теориясынан айырмашылығы, жақсы жуықтауларды әзірлеу арқылы жақсартылған нәтижелерге қол жеткізуге болады.
Koopmans' theorem states that in closed shell Hartree–Fock theory (HF), the first ionization energy of a molecular system is equal to the negative of the orbital energy of the highest occupied molecular orbital (HOMO). This theorem is named after Tjalling Koopmans, who published this result in 1934. Koopmans' theorem is exact in the context of restricted Hartree–Fock theory if it is assumed that the orbitals of the ion are identical to those of the neutral molecule (the frozen orbital approximation). Ionization energies calculated this way are in qualitative agreement with experiment – the first ionization energy of small molecules is often calculated with an error of less than two electron volts. Therefore, the validity of Koopmans' theorem is intimately tied to the accuracy of the underlying Hartree–Fock wavefunction. The two main sources of error are orbital relaxation, which refers to the changes in the Fock operator and Hartree–Fock orbitals when changing the number of electrons in the system, and electron correlation, referring to the validity of representing the entire many body wavefunction using the Hartree–Fock wavefunction, i. e. a single Slater determinant composed of orbitals that are the eigenfunctions of the corresponding self consistent Fock operator. Empirical comparisons with experimental values and higher quality ab initio calculations suggest that in many cases, but not all, the energetic corrections due to relaxation effects nearly cancel the corrections due to electron correlation. A similar theorem (Janak's theorem) exists in density functional theory (DFT) for relating the exact first vertical ionization energy and electron affinity to the HOMO and LUMO energies, although both the derivation and the precise statement differ from that of Koopmans' theorem. The error in the DFT counterpart of Koopmans' theorem is a result of the approximation employed for the exchange correlation energy functional so that, unlike in HF theory, there is the possibility of improved results with the development of better approximations.
Жалпылау
Копманс теоремасы бастапқыда шектеулі (жабық қабықшадағы) Хартри-Фок толқындық функцияларынан иондалу энергиясын есептеу үшін формулировкаланған болатын, бірақ кейіннен бұл термин жүйедегі электрон санының өзгеруіне байланысты энергия өзгерістерін орбиталық энергиялар арқылы есептеу әдісі ретінде жалпы мағынаға ие болды.
Негізгі және қозған күйдегі иондар
Купман теоремасы кез келген толған молекулалық орбитальдан электронды алып тастау арқылы оң ион түзетуге қолданылады. Электронды әртүрлі толған молекулалық орбитальдардан алып тастау нәтижесінде ион әртүрлі электрондық күйлерде болады. Бұл күйлердің ең төменгісі негізгі күй болып табылады және көбінесе, бірақ әрқашан емес, HOMO-дан электронды алып тастаудан туындайды. Қалған күйлер – қозған электрондық күйлер. Мысалы, H2O молекуласының электрондық конфигурациясы (1a1)2 (2a1)2 (1b2)2 (3a1)2 (1b1)2, мұндағы a1, b2 және b1 символдары молекулалық симметрияға негізделген орбитальдық белгілер. Купман теоремасы бойынша 1b1 HOMO энергиясы H2O+ ионының негізгі күйінде (1a1)2 (2a1)2 (1b2)2 (3a1)2 (1b1)1 түзілетін иондану энергиясына сәйкес келеді. Екінші ең жоғары MO 3a1 энергиясы қозған күйдегі ионға (1a1)2 (2a1)2 (1b2)2 (3a1)1 (1b1)2 және т.б. сәйкес келеді. Бұл жағдайда ионның электрондық күйлерінің реті орбитальдық энергиялардың ретімен сәйкес келеді. Қозған күйдегі иондану энергиясын фотоэлектрондық спектроскопия арқылы өлшеуге болады. H2O үшін осы орбитальдардың шамамен Хартри-Фок орбитальдық энергиясы (қолтаңбасы өзгертілген) 1a1 559.5, 2a1 36.7, 1b2 19.5, 3a1 15.9 және 1b1 13.8 эВ құрайды. Тиісті иондану энергиялары 539.7, 32.2, 18.5, 14.7 және 12.6 эВ.
Электрондық туыстық үшін
Кейде Купманс теоремасы тиісті жүйелердің ең төменгі бос молекулалық орбитальдарының (LUMO) энергиясы арқылы электрондық жақындығын есептеуге мүмкіндік береді деп айтылады. Алайда, Купманс-тің бастапқы мақаласында HOMO-ға сәйкес келетін Фок операторының өзіндік мәндерінің маңыздылығы туралы басқа ешқандай мәлімдеме жасалмайды. Дегенмен, Купманс-тің бастапқы тұжырымын осы мағынада электрондық жақындықты есептеу үшін жалпылау оңай. Купманс теоремасының осы тұжырымын қолданып электрондық жақындықтарды есептеу, виртуалды (бос) орбитальдардың физикалық интерпретациясы жеткілікті негізделмегендігі және олардың орбитальдық энергиялары есептеуде қолданылатын базистік жиынтықтың таңдауына өте сезімталдығы себепті сынға ұшырады. Базистік жиынтық толық бола түскен сайын, қызығушылық тудыратын молекулаға тікелей қатысы жоқ "молекулалық" орбитальдардың саны арта түседі, сондықтан осы орбитальдарды электрондық жақындықты бағалау үшін қолдануға сақтық таныту қажет. Эксперименттік деректермен және жоғары сапалы есептеулермен салыстыру көрсеткендей, осылайша болжалған электрондық жақындықтардың нәтижелері көбінесе нашар болады.
Ашық қабықты жүйелер үшін
Купманс теоремасы ашық қабықшалы жүйелерге де қолданылады, бірақ орбиталық энергиялар (Рутан теңдеулерінің өзіндік мәндері) 1970 жылдары көрсетілгендей, түзетілуі тиіс. Осы ерте жұмыстарға қарамастан, Купманс теоремасын ашық қабықшалы жүйелерге қолдану әлі де жаңылысқандықтарға себеп болды, мысалы, Купманс теоремасын тек жұпталмаған электронды алып тастау үшін ғана қолдануға болады деп айтылды. Кейіннен Купманс теоремасының РОХФ үшін жарамдылығы қайта қарастырылды және мағыналы орбиталық энергияларды алудың бірнеше тәсілдері жарияланды. Спин жоғары (альфа) және спин төмен (бета) орбиталық энергиялары міндетті түрде бірдей болуы керек емес.
Тығыздық функционалдық теориясындағы қарсы бөлігі
Кохн-Шам (KS) тығыздық функционалдық теориясы (KS DFT) Хартри-Фок теориясына ұқсас, өзінің Купманс теоремасының (кейде DFT Купманс теоремасы деп аталады) нұсқасын қабылдайды. Теорема жүйедегі электрондардың бірінші (вертикалды) иондалу энергиясын тиісті KS HOMO энергиясының теріс мәніне теңестіреді. Жалпы алғанда, бұл қатынас КС жүйесі бүтін сан үшін электронның бүтін емес саны бар нөлдік температуралық жиынтықты сипаттағанда да сақталады. Электрондарды қарастырғанда, шексіз аз артық заряд N электронды жүйенің KS LUMO-сына енеді, бірақ содан кейін нақты KS потенциалы "туынды үздіксіздігі" деп аталатын тұрақтыға секіреді. Вертикалды электрондық жабысқақтық LUMO энергиясы мен туынды үздіксіздігінің қосындысының теріс мәніне дәл тең деп есептеуге болады. Купманс теоремасының Хартри-Фок теориясындағы шамамен алынған статусынан (орбиталық релаксацияны ескермеуге байланысты) айырмашылығы, дәл KS түрлендіруінде теорема орбиталық релаксацияның әсерін қоса алғанда да дәл болады. Осы нақты қатынастың шамамен дәлелі үш кезеңнен тұрады. Біріншіден, кез келген шекті жүйе тығыздықтың асимптотикалық түрін анықтайды, ол келесідей ыдырайды: . Екіншіден, (физикалық өзара әрекеттесетін жүйенің KS жүйесімен бірдей тығыздығы бар болғандықтан) екеуінің де иондалу энергиясы бірдей болуы керек. Соңында, KS потенциалы шексіздікте нөлге тең болғандықтан, KS жүйесінің иондалу энергиясы, анықтамасы бойынша, оның HOMO энергиясының теріс мәніне тең, яғни. Бұл DFT формализміндегі нақты мәлімдемелер болғамен, шамамен алмасу-корреляциялық потенциалдарды қолдану есептелген энергияларды шамамен келтіреді және орбиталық энергиялар көбінесе тиісті иондалу энергияларынан (кейде бірнеше эВ-қа дейін!) өзгеше болады. Тюнингтік процедура DFT шамаларын Купманс теоремасына "сәйкестендіруге" мүмкіндік береді, осылайша нақты қолдануларда оның көптеген болжамдарын жақсартады. Шамамен DFT-да энергия қисықтығының түсінігін пайдалана отырып, Купманс теоремасынан ауытқуды жоғары дәлдікпен бағалауға болады. Бұл нөлдік және бірінші реттік қоздыру энергияларын қамтамасыз етеді.
While these are exact statements in the formalism of DFT, the use of approximate exchange correlation potentials makes the calculated energies approximate and often the orbital energies are very different from the corresponding ionization energies (even by several eV!). A tuning procedure is able to "impose" Koopmans' theorem on DFT approximations, thereby improving many of its related predictions in actual applications. In approximate DFTs one can estimate to high degree of accuracy the deviance from Koopmans' theorem using the concept of energy curvature. It provides excitation energies to zeroth order and .
Көп денелі формализмдердегі орбиталық сурет
Молекулалық орбитальдар және Купман сияқты иондалу немесе электронды қосылу процестерінің суреті, Дайсон орбитальдарын енгізу арқылы көп денелі толқындық функцияларға кеңейтілуі мүмкін. Дайсон орбиталдары – бұл электрондық молекулалық толқындық функция мен иондалған жүйенің электрондық толқындық функциясы (немесе электрон қосылған жүйенің электрондық толқындық функциясы) арасындағы жалпыланған жабысу ретінде анықталады. Хартри-Фок каноникалық орбиталдары – бұл электрондық жүйенің Хартри-Фок толқындық функциясы және электрондық жүйенің Купман жуықтауы үшін есептелген Дайсон орбиталдары. Корреляциялық толқындық функциялар қолданылғанда, Дайсон орбиталдары корреляциялық және орбитальдық релаксациялық әсерлерді қамтиды. Дайсон орбиталдары эксперименттік түрде байқалатын шамаларды есептеу үшін қажетті жүйенің бастапқы және соңғы күйлері туралы барлық ақпаратты қамтиды, мысалы, жалпы және дифференциалдық фотоионизация/фотоалу қималары.
Hartree Fock canonical orbitals are Dyson orbitals computed for the Hartree Fock wavefunction of the electron system and Koopmans approximation of the electron system. When correlated wavefunctions are used, Dyson orbitals include correlation and orbital relaxation effects. Dyson orbitals contain all information about the initial and final states of the system needed to compute experimentally observable quantities, such as total and differential photoionization/phtodetachment cross sections.