4.2. Базисные функции.

Базисные АО можно построить в различной аналитической форме. Достаточно распространены

-слейтеровские АО;

-гауссовы АО.

Распространены и такие методы, где обращения к явному виду базиса избегают.

5. Гамильтониан

Простейшее упрощение молекулярного гамильтониана, непосредственно вытекает из приближения Борна-Оппенгеймера. На первичной стадии расчёта игнорируется движение ядер. Рассматривается исключительно движение электронов в поле неподвижного остова.

В простых вариантах теории МО ЛКАО вводится максимально возможное упрощение, в котором многоэлектронный гамильтониан представляется в виде суммы одноэлектронных гамильтонианов. Возникающие матричные элементы вычисляются лишь частично или параметризуются.

5.1. Эффективный гамильтониан (в простейших расчётах МО ЛКАО).

Считается, что одноэлектронный гамильтониан можно привести к форме, полностью независимой от состояний всех прочих электронов оболочки. Такой гамильтониан называется эффективным одноэлектронным, и он приводит к простейшей одноэлектронной схеме полуэмпирической теории МО ЛКАО. При таком подходе исследование ограничено и не может выйти за пределы набора орбиталей единственной «пробной» частицы, и лишь из их свойств выводятся все доступные электронные свойства молекулы.

Этот подход не является количественно точным, но именно он позволил накопить огромную фундаментальную информацию о качественных признаках химической связи.

Так возникает схема многоэлектронной теории молекулярных состояний. В максимально развитом виде так строится неэмпирическая теория МО ЛКАО. Все неэмпирические методы называются методами ab initio (-с начала) и претендуют на максимальную теоретическую корректность. Объектами всех вычислительных преобразований и источником всей физической информации об электронной оболочке молекулы являются математически достаточно сложные полные многоэлектронные волновые функции, учитывающие принцип Паули.

6. Процедура расчёта МО ЛКАО

Молекула состоит из атомов, которые перечислим, нумеруя в любом порядке, но далее всюду соблюдая принятую нумерацию:

Количество АО у каждого свободного атома не ограничено, и, конечно, наилучшим базисом был бы такой, в котором содержалось максимально возможное количество функций, однако не существует возможности использовать базис бесконечной длины в практических расчётах. Поэтому во всех, даже наиболее совершенных, расчётах используется ограниченное количество базисных функций АО. При выборе базиса используются различные способы ограничения его длины. В более совершенных вариантах теоретических расчётов МО ЛКАО базисные наборы достаточно велики. В более простых приближениях применяют более ограниченные базисные наборы АО.

Наиболее простым и потому распространённым является валентное приближение. Оно состоит в том, для расчёта электронного строения молекулы используют базис, включающий от каждого атома только АО внешнего оптического слоя. Главное квантовое число всех этих АО одно и то же, но при необходимости базис можно расширить за счёт включения и АО близлежащих подуровней с соседними значениями главного квантового числа. Рассчитываемая часть спектра МО заселяется оптическими электронами, находящимися на внешних валентных АО атомов.

У каждого атома в нейтральном зарядовом состоянии число электронов равно его порядковому номеру в Системе Менделеева. В начале расчёта атомы нумеруются. Все внутренние АО, уровни которых лежат ниже оптических АО, считаются атомными, т.е. их вид считается таким же, как и в свободном атоме, и это недалеко от истины. Набор АО последовательно нумеруется.

Согласно математической схеме квантовой механики по Дираку, всякая волновая функция представляется двумя неразрывно связанными образами-«компонентами»: бра- и кет-векторами Это в чём-то напоминает ситуацию с комплексными числами, каждое из которых само по себе ничего не представляет, обретая смысл лишь в паре со своим комплексно сопряжённым двойником. Похожим образом обстоит дело и с бра-кет- векторами Дирака. Каждый из них неотделим от своего двойника, и лишь вместе они служат основой очень элегантного и компактного построения квантовой механики. Это выглядит следующим образом. Каждой базисной АО отвечают два вектора: бра-вектор и кет-вектор АО, а именно:

«Бра-кет» - символы это не что иное, как «ско- бки»- символы (от англ. brackets-скобки).

Каждый из этих векторов МО представляется в виде разложения в ряд и при этом:

- бра-векторы МО построены только из бра-векторов АО.

- кет-векторы МО построены только из кет-векторов АО.

В наших расчётах приходится часто иметь дело с массивами однотипных объектов. Условимся опускать многократно повторяющиеся символы. Так, производя вычисления, нет смысла повторять всё время один и тот повто­ряющийся символ в последовательности базисных АО:. С таким же успехом можно ограничиться просто перечислением индексов: 1,2,3, .p, .q, ., в нужном контексте идентифицируя с ними сами АО. В итоге получается предельно компактная запись:

Базис:; МО:;

Точно так же, как введены индексные обозначения для базисных АО, ничто не мешает при необходимости ввести индексные обозначения и для МО . Свойства МО и составляющих их БАО следующие:-

Введём понятие молекулярного эффективного одноэлектронного гамильтониана.

Молекулярные орбитали являются его собственными функциями.