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勢能面

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水分子勢能面: 勢能最低點對應優化後的水分子結構, O-H 鍵長 0.0958nm, H-O-H尖角為 104.5°

勢能面,表示某一微觀體系的勢能和相關參數(通常為原子坐標)之間的函數關係,是勢能函數的圖像。勢能面用一個或更多的坐標去表示,當用一個坐標去表示時,勢能面通常被稱為「勢能曲線」。

勢能面概念被用在物理以及化學領域, 尤其是它們的理論研究分支。 勢能面可以被用來從理論層面理解由原子組成的物質的性質, 例如:搜尋分子的最低能量構形或者計算化學反應速率。

勢能面類似於對地形的描述:對於一個有兩個自由度的體系(例如:一個鍵長、一個鍵角),體系的勢能可以類比為地形的高度,兩個自由度可以類比為描述某位置的坐標。通過這樣的描述,體系勢能隨坐標的變化可以很直觀地被表示出來。[1]

體系總勢能與原子在空間的排布有關,是原子坐標等參數的函數,可以用一條曲線或一個多維表面表示。狹義的講,將參數多於一個的勢能圖像叫做「(超)勢能面」,而一維勢能函數的圖像稱為「勢能曲線」。勢能面的多項式表面形式與它們在勢能理論里的應用,有着自然的對應關係,而這種關係牽涉到對這些表面相互之間的調和函數

數學定義與計算

例如:Morse勢簡諧勢阱量子化學量子物理中常用的勢能曲線。但是這些簡單的勢能曲線只能用於描述比較簡單的化學系統,如氫分子與兩氫原子距離之間的關係。對於真實的化學反應,構築勢能面必須考慮反應物和產物分子的所有可能取向,及各取向對應的電子能。

構築勢能面,原則上可以通過量子力學計算得到,也可以通過經驗或半經驗的方法得到。

應用