Assignatura: Física i Química Quàntiques

Quadrimestre: tardor

Crèdits ECTS: 5

Professors: Juan Carlos Paniagua, Pere Alemany, Antonio Aguilar

Departament / Facultat: Química Física, Química Orgànica / Fac. de Química, UB

Objectius: Conèixer els principals mètodes d’estudi teòric de l’estructura i les propietats de la matèria a escala nanomètrica i saber utilitzar programes adequats per aplicar-los.

Recomanacions / Requisits previs: Per assolir una bona assimilació dels conceptes tractats en aquesta assignatura es requereix un cert coneixement de les eines bàsiques de la mecànica quàntica, revisades en el primer tema, i nocions matemàtiques sobre espais vectorials a nivell del primer curs d’una llicenciatura en ciències experimentals. La utilització dels paquets de càlcul mecanicoquàntic exigeix uns mínims coneixements informàtics a nivell d’usuari.

CONTINGUTS: Temari

Primera part: Conceptes preliminars

Tema 1. (3 hores)
Introducció. Revisió de conceptes de mecànica quàntica. Oscil·lador harmònic. Moment angular. Rotor rígid de dues partícules. Àtom d’hidrogen. Spin. Mètodes variacional i pertorbacional.

Tema 2. (3 hores)
Aproximació de Born-Oppenheimer. Superfìcies d’energia potencial. Confòrmers i isòmers. Reaccions químiques. Mecànica molecular.

Tema 3. (3 hores)
Simetria molecular. Elements i operadors de simetria. Grups de simetria puntual. Representacions.

Segona part: Estructura electrònica

Tema 4. (8 hores + 5 de pràctiques)
Determinants de Slater. Mètode de Hartree-Fock. Configuracions electròniques. Equació de Roothaan. Bases. Sistemes de capes obertes. Termes espectrals. Efectes relativistes. Mètodes UHF i ROHF. Mètodes de pseudopotencials. Mètodes semiempírics.

Tema 5. (4 hores + 5 de pràctiques)
Mètode d’interacció de configuracions. Mètode multiconfiguracional autoconsistent. Mètode Möller-Plesset. Mètode coupled cluster. Mètode de l’enllaç-valència. Funcionals de la densitat. Teoremes de Hohenberg i Kohn. Mètode de Kohn-Sham. Mètodes multicapa.

Tema 6. (3 hores + 2,5 de pràctiques)
Anàlisi de la funció d’ona. Propietats moleculars. Teoria qualitativa d’orbitals moleculars. Enllaç químic. Interaccions intermoleculars. Estructura de nanopartícules. Punts quàntics.

Tercera part: Moviment nuclear i interacció amb la radiació

Tema 7. (7 hores + 5 de pràctiques)
Rotació molecular. Modes normals de vibració. Caracterització de mínims i d’estats de transició. Teoria de l’estat de transició. Dinàmica molecular clàssica i ab initio. Tractament quàntic del moviment nuclear. Efecte túnel. Creuament d’estats. Reaccions de transferència electrònica.

Tema 8. (5 hores)
Espectroscòpies rotacional, vibracional i electrònica. Fotoquímica.

Pràctiques: Sessions de Laboratori

Pràctica 1: Superfícies d’energia potencial. Geometries d’equilibri.

Pràctica 2: Anàlisi dels orbitals moleculars canònics i localitzats.

Pràctica 3: Mètodes d’interacció de configuracions i multiconfiguracional autoconsistent.

Pràctica 4: Mètodes Möller-Plesset i coupled cluster. Mètode de Kohn-Sham. Mètodes multicapa.

Pràctica 5: Canvis conformacionals. Camins de reacció. Estats de transició.

Pràctica 6: Modes normal de vibració i propietats espectroscòpiques. Càlcul de propietats.

Pràctica 7: Dinàmica molecular.

Planificació

Hores presencials aula: 36

Hores presencials de pràctiques amb ordinador: 17,5 (7 sessions setmanals a partir de la sisena setmana del curs).

Hores de treball dirigit: 24

Hores d’aprenentatge autònom: 60

Bibliografia

Paniagua, J. C.; Alemany, P., Química Quàntica. Llibres de l’Índex, 2003

Holland P. R., The quantum theory of motion, Cambridge University Press, Cambridge, 2000.

Simons, J., An Introduction to Theoretical Chemistry, Cambridge University Press, Cambridge, 2003.

Jensen, F., Introduction of Computational Chemistry, Wiley, New York, 1999.

Andrés, J.; Bertran, J., Química Teórica y Computacional, Universitat Jaume I, Castelló, 2000.

Atkins, P. W.; Friedman, R. S., Molecular quantum mechanics (3rd edition), Oxford University Press, Oxford, 1997.

Szabo, A; Ostlund, N. S., Modern quantum chemistry, Introduction to advanced electronic structure theory (First edition, revised), McGraw-Hill, New York, 1989.

Manuals dels paquets de càlcul GAMESS i GAUSSIAN i de les interfícies gràfiques corresponents.