Quantum Chemistry · 交互式可视化

量子化学计算可视化实验室

从 Hartree-Fock 自洽场到 DFT 的 Kohn-Sham 方程，从分子轨道到反应势能面。8 个模块拆解计算化学如何用第一性原理预测分子结构与反应。

编号 149分类 Cross-disciplinary模块 8风格 Linear Dark依赖零渲染 SVG / Canvas

01DFT 密度泛函理论 · Kohn-Sham SCF

DFT 把多电子问题映射到无相互作用电子体系，对电子密度 ρ(r) 而非波函数求解。Kohn-Sham 方程通过自洽场 (SCF) 迭代收敛。点击「迭代」观察能量收敛。

迭代步0 总能量— ρ 收敛—

Kohn-Sham：[−½∇² + V_ext + V_H[ρ] + V_xc[ρ]] φ_i = ε_i φ_i。交换关联泛函 (LDA/GGA/hybrid) 决定精度，SCF 收敛判据通常 Δρ < 10⁻⁶。

02分子轨道可视化 · MO Gallery

原子轨道线性组合 (LCAO) 形成分子轨道。选择轨道类型，查看波函数相位 (正/负) 与节点结构。

pₓ

p_y

p_z

σ 成键

σ* 反键

π 成键

π* 反键

轨道类型: —

节点数: —

对称性: —

同相叠加 = 成键 (能量降低)，反相叠加 = 反键 (节点、能量升高)。轨道对称性决定光谱选律与反应选择性。

03Hartree-Fock 方法 · SCF 收敛

HF 用单 Slater 行列式近似多电子波函数，Fock 矩阵对角化迭代至自洽。调节「初始猜测偏差」观察收敛快慢与振荡。

初始猜测偏差 0.40

HF 能量: —

收敛步数: —

相关能缺失: —

HF 忽略电子 相关能 (约 1% 总能量，却主导化学反应)。MP2、CCSD(T)、DFT 均在 HF 基础上补回相关能。

04分子动力学模拟 · MD Thermostat

牛顿方程积分演化原子轨迹。NVE (能量守恒) 与 NVT (恒温，Berendsen/Langevin) 系综对比。点击运行观察温度涨落。

NVE

NVT Langevin

步0 T0 K

时间步长 ~1 fs，NVT 用热浴把系统耦合到恒温槽。长程静电用 PME/Ewald，H 键约束用 SHAKE/RATTLE。

05化学反应路径 · 势能面 IRC

反应坐标上能量从反应物经过渡态 (TS) 到产物。拖动坐标查看分子构型与能量。

反应坐标 ξ 0.00 能量—

活化能 ΔE‡: —

反应能 ΔE_rxn: —

当前位置: —

TS 由 NEB/CI-NEB 或 QST2 定位，IRC 沿虚频方向下降确认连通性。能垒决定速率常数 (Arrhenius)。

06电子密度图 · ρ(r) 等值面

电子密度 ρ(r) 是 DFT 的核心变量。调节等值面阈值，查看键区密度积累与孤对电子。

等值面阈值 ρ 0.30

高密度 (核区)键区低密度

AIM (Bader) 分析用 ρ(r) 拓扑定义原子边界与键临界点。ELF/NCI 进一步揭示孤对、位阻、范德华作用。

07分子力场 · Force Field Terms

经典力场把能量拆分为键长、键角、二面角 (成键) 与范德华、静电 (非键) 项。点击各项查看势能形式。

键长

键角

二面角

范德华

静电

势能函数

—

AMBER/CHARMM 用于生物大分子，OPLS 用于有机分子。极化力场 (AMOEBA/Drude) 引入诱导偶极提升静电精度。

08量子化学软件 · QC Suite Matrix

主流量子化学软件的方法、并行、license 对比。点击软件列查看其特性。

方法支持矩阵

Gaussian 商业旗舰；ORCA 免费学术、强 DFT/多参考；Psi4 开源 Python API；Q-Chem 商业强 TDDFT；NWChem 开源、大规模并行。