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계산화학개론

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최초등록일 2024.09.26 최종저작일 2020.09
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계산화학개론
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    • 🔬 양자화학의 심층적인 계산 방법론 상세 설명
    • 💡 HF-SCF와 DFT 방법론의 실제 계산 과정 제시
    • 📊 이원자 분자의 결합 길이와 에너지 분석 제공

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    목차

    I. Abstract

    II. Introduction
    1. Quantum Chemistry
    2. Born-Oppenheimer approximation
    3. Hartree-Fock SCF

    III. Result & Discussion
    1. H_2,N_2,He_2에 대한 optimization 계산
    2. H_2,N_2,He_2에 대한 energy 계산
    3. H_2,N_2,He_2간의 비교
    4. DFT 방법론 적용

    본문내용

    I. Abstract
    본 보고서에서는 Avogadro와 Gamess 프로그램을 활용해 여러 이원자 분자의 결합 길이와 에너지에 대한 HF-SCF에 따른 양자계산을 수행하고 PES를 그려 그 결과를 분석한다.
    II. Introduction
    1. Quantum Chemistry
    양자화학(Quantum Chemistry)란 Planck 가설, de Broglie의 물질파 이론, Heisenberg의 불확정성 원리에서 출발하여 Schrodinger 방정식을 풀어 그 해를 구하는 화학의 한 분야이다. 즉 어떤 입자에게는 Schrodinger 방정식을 만족하는 특정한 해와 그에 해당하는 에너지만이 허용되므로, 입자의 에너지는 에너지 준위라고 하는 불연속적 값으로만 한정되어 양자화 되어있다.

    참고자료

    · Atkins, Jones, and Laverman, 『화학의 원리 7판』, 김관 외, 자유아카데미, 2018.
    · Atkins and Paula, 안운선, 『물리화학 10판』, 교보문고, 2017.
    · Schmidt, M. W.; et al. J. Comput. Chem., 1993, 14, 1347-1363.
    · Gordon, M. S.; Schmidt, M. W. Advances in electronic structure theory: GAMESS a decade later. In Theory and applications of computational chemistry, Elsevier: Amsterdam, 2005, 1167-1189.
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    • 1. 양자화학
      양자화학은 원자와 분자의 구조와 성질을 이해하는 데 있어 매우 중요한 분야입니다. 양자역학의 기본 원리를 바탕으로 하는 양자화학은 전자의 파동성과 입자성을 모두 고려하여 물질의 미시적 특성을 설명할 수 있습니다. 이를 통해 화학 반응의 메커니즘, 분자 구조, 분광학적 특성 등을 이해할 수 있습니다. 양자화학은 화학, 물리학, 재료과학 등 다양한 분야에 광범위하게 적용되며, 현대 과학 기술 발전에 큰 기여를 하고 있습니다. 특히 양자 컴퓨팅, 나노 기술, 신약 개발 등의 분야에서 양자화학의 중요성이 더욱 부각되고 있습니다. 앞으로 양자화학 연구의 발전을 통해 우리는 물질의 근본적인 특성을 더욱 깊이 이해할 수 있을 것으로 기대됩니다.
    • 2. Born-Oppenheimer 근사법
      Born-Oppenheimer 근사법은 양자화학에서 매우 중요한 개념입니다. 이 근사법은 원자핵과 전자의 운동을 분리하여 다룰 수 있게 해줌으로써 복잡한 다체 문제를 단순화할 수 있습니다. 전자의 운동은 상대적으로 빠르고 핵의 운동은 느리다는 사실에 기반하여, 전자의 운동을 핵의 위치에 따라 계산할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 분자의 구조와 에너지를 효율적으로 계산할 수 있습니다. 또한 Born-Oppenheimer 근사법은 분자 궤도함수 이론, 분자 진동 분석, 화학 반응 동력학 등 다양한 양자화학 분야에 광범위하게 적용됩니다. 비록 엄밀한 해법은 아니지만, 이 근사법은 양자화학 계산의 기반이 되는 매우 중요한 개념이라고 할 수 있습니다.
    • 3. Hartree-Fock SCF
      Hartree-Fock 자기 일치장(SCF) 방법은 양자화학에서 가장 널리 사용되는 전자 구조 계산 방법 중 하나입니다. 이 방법은 전자 간 상호작용을 평균장 근사를 통해 다루며, 전자 파동함수를 단일 슬레이터 행렬식으로 표현합니다. Hartree-Fock SCF 방법은 분자의 기저 상태 에너지와 전자 밀도를 계산할 수 있으며, 이를 통해 분자의 구조, 결합, 반응성 등을 이해할 수 있습니다. 또한 이 방법은 다른 고급 전자 구조 계산 방법의 기반이 되기도 합니다. 비록 Hartree-Fock 방법은 전자 상관 관계를 완전히 고려하지 않아 정확도가 떨어지는 단점이 있지만, 계산 효율성과 범용성 때문에 여전히 널리 사용되고 있습니다. 앞으로도 Hartree-Fock SCF 방법은 양자화학 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.
    • 4. 결합 길이 및 에너지 계산
      분자 내 원자 간 결합 길이와 결합 에너지는 화학 반응성, 분자 구조, 물리화학적 성질 등을 이해하는 데 매우 중요한 정보를 제공합니다. 양자화학 계산을 통해 이러한 결합 특성을 정량적으로 예측할 수 있습니다. 전자 구조 계산 방법인 Hartree-Fock, DFT, 고급 ab initio 방법 등을 활용하여 분자의 결합 길이와 결합 에너지를 계산할 수 있습니다. 이를 통해 실험 결과와의 비교, 화학 반응 메커니즘 분석, 새로운 물질 설계 등이 가능합니다. 특히 DFT 방법은 계산 효율성과 정확도 면에서 우수하여 결합 특성 예측에 널리 사용됩니다. 앞으로도 양자화학 계산 기법의 발전을 통해 결합 길이와 에너지에 대한 이해가 더욱 깊어질 것으로 기대됩니다.
    • 5. DFT 방법론
      밀도 범함수 이론(DFT)은 양자화학 분야에서 가장 널리 사용되는 전자 구조 계산 방법 중 하나입니다. DFT는 전자 밀도를 기반으로 하여 분자의 에너지와 성질을 계산하는 방법으로, Hartree-Fock 방법에 비해 계산 효율성이 뛰어나면서도 전자 상관 관계를 보다 정확하게 고려할 수 있습니다. 다양한 밀도 범함수와 교환-상관 범함수의 개발을 통해 DFT 방법의 정확도가 지속적으로 향상되고 있으며, 이를 통해 분자 구조, 반응성, 분광학적 특성 등 화학 현상을 정량적으로 예측할 수 있게 되었습니다. 또한 DFT는 고체, 나노 물질, 생화학 시스템 등 다양한 분야에 적용되어 왔습니다. 향후 DFT 방법론의 지속적인 발전과 함께 양자화학 계산의 정확도와 효율성이 더욱 향상될 것으로 기대됩니다.
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      Ai 리뷰
      이 문서는 계산화학 기법을 활용하여 이원자 분자의 결합 특성을 심도 있게 분석하였으며, HF-SCF 방법론의 한계를 DFT 방법론으로 보완한 점이 돋보입니다.
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