材料计算与模拟分类

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1、计算材料学 1 尚 家 香 张瑞丰 新主楼 D431房间 82316500 O 13522826085 shangjx 第一章第一章 引引 言言 时时 间间 1 16周周 周二周二 2 00 4 00 地地 点点 主南主南 303 教教 材材 计算材料学基础计算材料学基础 北航出版社北航出版社 张跃张跃 谷景华谷景华 尚家香尚家香 马马 岳岳 参考书参考书 1 量子力学教程量子力学教程 周世勋周世勋 2 2 现代材料计算与设计教程现代材料计算与设计教程 3 3 吴兴惠吴兴惠 项金钟项金钟 编著电子工业出版社编著电子工业出版社 4 4 基础量子化学与应用基础量子化学与应用 刘靖疆刘靖疆 编著编著

2、 高等教育出版社高等教育出版社 1 教学目标教学目标 计算材料学计算材料学 是材料专业的专业课是材料专业的专业课 本课程涵盖从电子 原子层面的材料计算方法本课程涵盖从电子 原子层面的材料计算方法 计算模拟方法 各方法的相关理论基础和应用 计算模拟方法 各方法的相关理论基础和应用 课程目的课程目的 1 使学生了解当前计算材料学主要方法的理论基础及其应用 使学生了解当前计算材料学主要方法的理论基础及其应用 2 掌握采用计算机进行材料研究的基本方法 掌握采用计算机进行材料研究的基本方法 3 开阔思路 培养用物理 数学模型考虑研究对象的开阔思路 培养用物理 数学模型考虑研究对象的 能力和习惯 能力和习

3、惯 4 使学生将所学的计算机及材料的知识结合起来 使学生将所学的计算机及材料的知识结合起来 使计算机真正成为材料研究工作的工具 使计算机真正成为材料研究工作的工具 2 教学内容教学内容 量子力学基础 电子结构计算方法及应用 分子动力学方法及应用 3 教学安排及方式教学安排及方式 4 考核方式考核方式 考试 考试 成绩按成绩按100分计 分计 其中期末考试占其中期末考试占80 平时成绩占 平时成绩占20 5 材料计算与模拟分类材料计算与模拟分类 第一原理 第一原理 First principles ab initio calculation 分子动力学 Monte Carlo 方法 相场 相图计

4、算 有限元方法 是本学期的学习内容 6 应用范围应用范围 原子结构和电子结构原子结构和电子结构 金属 陶瓷 高分子等没有限制 金属 陶瓷 高分子等没有限制 力学性质 掺杂效应 表面吸附 力学性质 掺杂效应 表面吸附 光学性质 光谱计算光学性质 光谱计算 反应势垒 磁性 能带结构反应势垒 磁性 能带结构 应力应变 变形机制 热力学性质 晶格应力应变 变形机制 热力学性质 晶格 振动 振动 扩散系数等 界面偏聚扩散系数等 界面偏聚 生物 制药生物 制药 7 国内外研究现状国内外研究现状 1 在美国已有一些公司开发材料计算软件在美国已有一些公司开发材料计算软件 较早在世界上推销原子水平上的有关材料光

5、 电 磁 较早在世界上推销原子水平上的有关材料光 电 磁 热等性能的计算软件热等性能的计算软件 Material studio Gaussian 2 美国美国 各大学各大学 3 日本东北大学与日立公司日本东北大学与日立公司 联合成立了计算机辅助材料设汁部 几年前就在世界范联合成立了计算机辅助材料设汁部 几年前就在世界范 围内聘请研究人员 开展了有特色的工作围内聘请研究人员 开展了有特色的工作 4 欧洲的大学欧洲的大学 Walter Kohn Nobel化学奖化学奖1998年年 Jone A Pople 数学和物理学学士学位 GAUSSIAN 1970 Density functional th

6、eory computational methods in quantum chemistry 1925 2004 1923 2013年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 Multiscale models for Complex Chemical Systems 美国三位科学家Martin Karplus Michael Levitt和Arieh Warshel 获奖 获奖理由是 为复杂化学系统创立了多尺度模型为复杂化学系统创立了多尺度模型 北航情况 北航情况 力学系有限元软件力学系有限元软件 物理学院物理学院 化学学院化学学院 空气动力学 流体力学等等空气动力学 流体力学等等 学校网络中心学校网络

7、中心 计算机集群计算机集群 材料学院材料学院 专用机房 北航材料计算与模拟实验室简介北航材料计算与模拟实验室简介 硬件硬件 材料计算与模拟专用机房 8CUP SGI和Dell的8CPU计算工作站2 台 微机30余台 80 CPU的 Cluster 软件软件 Materials Studio CASTEP Discover VASP Gaussian98 XMD LAMMPS Ansys Thermocal 微观高速 相对论量子力学 量子场论 宏观高速 相对论 微观低速 量子力学 宏观低速 经典力学 V r 2 1 量子力学研究对象 介 观 第二章 量子力学基础第二章 量子力学基础 量 子 理

8、论 量子理论 相对论 二十世纪物理学 两个化时代发现 相对论 Einstein 高速运动 改变了牛顿的 绝对时空观 经典物理 低速 宏观条件下物质的运动 量子力学 反映微观粒子 分子 原子 原子核基本 粒子等 运动规律的理论 是在总结大量实验事实 和旧量子论的基础上建立起来的 2 2 为什么要学习量子力学 专门学科 获奖 次数 专门学科 获奖 次数 热学 物性学 分子物理 光学 X射线 原子物理学 核物理学 凝聚态物理 7 11 26 7 9 15 43 19 磁学 无线电物理 波谱学 天体物理 低温物理与超导 新效应 物质微观结构 新技术 4 9 15 9 13 12 8 23 1901 2

9、000年物理学Nobel Prize统计情况 量子力学 量子电动 弱电 粒子物理 有关量子力学的奖项 物理 1911 维恩 发现热辐射定律 德 物理 1918 普朗克 能量子 德 物理 1921 爱因斯坦 光电效应的解释 德 物理 1922 玻尔 原子结构和原子光谱 丹麦 物理 1929 德布罗意 波粒二象性 法 物理 1932 海森伯 矩阵力学 德 物理 1933 薛定谔 波动力学 奥地利 Dirac 电子相对论方程 量子场论 英 物理 1945 泡利 泡利不相容原理 奥地利 物理 1954 玻恩 波函数统计解释 德 化学 1954 鲍林 研究化学键性质和复杂的分子结构 化学 1966 马利

10、肯 创立分子轨道理论 化学化学 1998 科恩科恩 物理学家物理学家 玻普 玻普 数学家数学家 密度泛函理论密度泛函理论 化学化学 2013 Martin Karplus Michael Levitt和Arieh Warshel 量子力学是物理学的基础 化学 化工 材料科学的基础 STM AFM的基础是量子力学的原理 1986年物理 Nobel Prize Emst Ruska 1906 1988 电子显微镜 Gerd Binnig 1947 Heinich Rohere 1933 纳米材料与器件 单电子器件 扫描隧道显微镜STM 分辨率达0 01nm 生物 制药 2 3 经典物理学的困难和量

11、子力学产生 19世纪末 物理学普遍存在一种乐观情绪 认为对 复杂纷纭的物理现象的本质的认识已经完成 牛顿力学 热力学和统计物理 麦克斯韦方程 电 磁 光 两朵乌云 导致 麦科尔逊 莫雷实验相对论 导致 黑体辐射的紫外灾难量子力学 经典物理学在微观领域遇到困难 1 不能解释黑体辐射的能谱 比热容随温度变化 2 光的波动说无法解释光电效应 3 不能给出原子的稳定结构 不能说明原子光谱 的规律 为什么天体能够无 摩擦穿行于 以太 为什么无法测量 以 太 速度 黑体辐射 的紫外灾 难 1 黑体辐射问题 问题的提出 研究黑体辐射与周围物体处于平衡状态 时的能量密度随波长的分布曲线与经典理论不符合 黑体

12、一个物体能够 全部吸收投射到它上 面的辐射而没有反射 圆圈代表实验数据 基于热力学 基于经典电动力学 统计物理学 3 12 expdccd T 2 3 8kT dd c 理论物理学家试图用经典物理来说明能量 分布规律 都没有成功 维恩1893年用热力学并加上一些假设 得到 维恩公式 瑞 金公式 只在高频段与实验符合 低频不符合 Rayleigh and Jeans利用电动力学导出了另一式子 在低频段与实验符合 而在高频段不符合 在极高频率时 能量趋于无穷大 紫外灾难 普朗克 理论物理学家 1900年研究 从实验着手 密切关注实验进展 从鲁本斯鲁本斯得到信息 3 12 expdccd T 2 3

13、 8kT dd c 3 1 2 exp1 c dd c T 普朗克公式 频率低 频率高 222 exp111ccc TTT 维恩公式维恩公式 瑞 金公式 普朗克并不满足找到一个经验公式 探求理论基础 经过三个月的紧张工作 试图从热力学普遍理论的 基础上推出这个与实验完全一致的公式 但是失败了 最后只好 孤注一掷 采用玻尔兹曼统计分布来试 一试 即能量分成一份一份地分给有限个谐振子 普朗克量子假说 对于一定频率 的辐射 物体只能以 h 为能量 单位吸收或发射它 h是一个普适常数 即物体吸收或发射电磁辐射时 只能以量子的方式 进行 每个量子的能量为 在此基础上 推导出 h 3 3 8 exp1 B

14、 h dd ch k T 普朗克根据黑体辐射的数据常数 计算出 34 6 65 10hJs 普朗克常数 1900年12月14日 普朗克在德国物理年会上报告了 他的结果 完成了从经典物理学到量子理论的 第一个飞越 开创了量子理论的先河 1918年获奖 普朗克常数 2 光电效应 1902年Lenard发现了光电效应 1905年获奖 1 要从一个给定的金属表面获得电子 只有大于 一定频率的入射光才是有效的 2 发射出来的电子最大速度不依赖于光的强度 只与光的波长有关 波长减小时电子动能增加 1905年Einstein在普朗克量子假说的启发下 大胆地提出了光量子的假说 光是由光量子组成 每个光量子的能

15、量与频率的 关系为 Eh 根据能量守恒定律 得出 2 0 1 2 mvhW Einstein 光电方程 还没有得到承认 但同时实验 工作者开展了全面工作 密立根 1905 1914从实 验上证实了Einstein 光电 方程 2 1 2 mv 2 0 1 2 mvhW 1919年康普顿散射实验进一步证明光有粒子性 1927年获奖 高频率的X 射线被轻元素中的电子散射后 波长随入射角的增大 而增大 按照经典电动力学 电磁波被散射后波长不应改变 如 果把这个过程看作是光子与电子碰撞的过程 就可以解释这个 过程 以上三个实验说明 光光 既有既有波动性波动性又有又有粒子性粒子性 即波粒二象性即波粒二象

16、性 Eh h p Einstein1921年获奖 密立根1923年获奖 3 原子结构的困难 1 Rutherford 提出了原子的有核模型 1908化学奖 1910发现原子的有核模型 原子的稳定性问题 原子就不稳定 最后落入原 子核中 致使整个原子塌陷 而实际上并非如此 电子绕原子核做高速旋转 2 原子光谱 原子光谱是由一条条断续的光谱线构成的 对于确定的原子 在各种激发条件下得到的光谱 线是一样的 1885年Balmer 给出了计算氢原子光 谱的公式为 22 11 nmH cR nm 根据经典物理 如果电子绕原子核做高速旋转 辐射频率应该是连续的 而且原子也不稳定 无法解释实验现象 2 4 微粒的波粒二象性 1924年 法国青年德布罗意逆向思维 光 波 粒子 反之 粒子 波 大胆提出 实物粒子具有波动性 2 2 h kn Eh h pnk 波矢 运动方向单位矢量 其中 k n 德布罗意关系 德布罗意在他的博士论文提出 在一定的情形下 任一运动质点能够被衍射 穿过 一个相当小的开孔的电子群会表现为衍射现象 正 是这一方面 有可能寻得我们观点的实验证据 问 有没有办法验证这一新的观点 答