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[原创]谈谈5d/6d型d轨道波函数与它们在高斯中的标识
2009-10-27 00:11

在含有d轨道的体系的高斯输出文件中,有时会看到d轨道名以D 0, D+1, D-1, D+2, D-2标识,有人误以为那些轨道就是指复数型真实原子轨道,这是个严重的误区,下面将对此进行讨论。

在高斯等量化程序中,对于非半经验方法用的都是GTF(Gaussian type function)型实函数用来描述原子轨道,以解决多双电子中心积分的麻烦,所以与复数型轨道完全无关。

对于d原子轨道的描述使用d型笛卡尔型GTF型轨道作为基函数,包含六种具体形式:xx,yy,zz,xy,xz,yz(GTF通式为N*x^a*y^b*z^c*exp(-q*r^2),N为归一化常数,q为收缩系数,r为以此基函数所在原子为中心的坐标向量。例如xy型GTF,其中的a=b=1,c=0),然而这里面除了xy、yz、xz以外的其它三种GTF型轨道并没有与真实的实形式的原子轨道有直接的对应关系,波函数角度部分的行为明显不一致。

这6种GTF可以进行线性组合:xy、yz、xz这三种不变,其余三个变成了x^2-y^2、3*z^2-r^2、r^2。(注:r^2=x^2+y^2+z^2)。这样xy、yz、xz、x^2-y^2、3*z^2-r^2这5个波函数与我们常见的5种实型的原子d轨道角度部分行为一致(径向部分用收缩系数来调整),所以计算中往往用这5种笛卡尔型d型GTF组合后的轨道作为描述d轨道的基函数,这也叫做原子轨道型GTF或纯d函数。而r^2函数一般不用,它是一个球形的内部含有多个节面的s型GTF轨道。

在高斯中,如果用了5d关键字,就会使用上述6种中的xy、yz、xz、x^2-y^2、3*z^2-r^2轨道。这时输出的d轨道符号会显示D 0, D+1, D-1, D+2, D-2,但显然这决不是指这样由GTF组合出来的波函数的角动量z轴分量的本征值,也不是指这5个轨道用来对应地近似描述5个真实的复数型原子轨道。这样的轨道符号没有意义,还会引起严重混淆,它仅仅是做个标识罢了。
我们可以得到这样的对应关系:
作为基函数的GTF轨道   实数型真实原子轨道符号   高斯中用了5d关键字后对d轨道的标识
3*z^2-r^2 ->dz^2     ->d 0
yz        ->dyz      ->d+1
zx        ->dzx      ->d-1
x^2-y^2   ->dx^2-y^2 ->d+2
xy        ->dxy      ->d-2
可以计算单个原子,在GaussView里对照着MO形状与高斯输出的轨道标识来检验(坐标轴的方向可能会变)。

高斯一般默认使用6d关键字(在使用gen等关键字时往往默认为5d)。此时说明使用xx、yy、zz、yz、yx、zx这6种笛卡尔型GTF轨道,在输出的d轨道符号中也对应地以xx、yy、zz、yz、yx、zx标识。在d轨道基函数不分裂情况下,描述d轨道的可独立变分的基函数就相对于5d关键字时的5个增加到了6个,可看到输出文件中basis functions的数目对应地增加了。但无论用5d还是6d,输出文件显示的原始基函数(primitive gaussians,即笛卡尔型GTF)的数目都一样,这是因为5d的5个轨道仍需要有全部6种笛卡尔型d型GTF才能组合出来。比如对5d中的3*z^2-r^2来说,将其中r^2展开,可写成2*z^2-x^2-y^2,它就相当于zz、xx、yy三种笛卡尔型GTF系数为2:-1:-1的组合,这个比值这是固定的,不会在计算过程中改变,某种意义上也可看作是CGTF(收缩型GTF)。

6d型轨道好处是方便编程,直接对应笛卡尔型GTF。缺点很明显,由于缺乏与真实原子轨道的对应关系,结果不像用5d的结果那样方便分析。虽然这6个笛卡尔型轨道不直接对应于真实原子轨道,但在计算过程中经过变分,其结果同样会展现出真实原子轨道的行为。这是因为以它们为基函数变分的结果,等价于对它们线性变换后的基函数变分的结果。前面已提到,6个笛卡尔型d型GTF线性变换后的6个函数其中的5个就是对应真实轨道的5d型轨道,只不过多增加了一个r^2轨道。换句话说,使用6d关键字,就是在5d型的基函数基础上多添加了一个内部含有节面的s型GTF轨道,由于这个轨道与其它s轨道有很大重叠,会造成线性相关问题,所以并不会比5d的结果有多少改进。

7f与10f的关系与5d与6d的关系类似。若同时有d和f轨,用5d时应当结合7f,用6d时应当结合10f。


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