分子模拟论文(终稿)

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1、北京化工大学Lennard-Jones体系的分子动力学模拟学校：北京化丁大学专业：化学工程与工艺姓名：闵翔老师：黄世萍学院：化学工程学院学号：2010013017班级：化工1001日期：2013年4刀26日Lennard-Jones体系的分子动力学模拟摘要：分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系综屮抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。分子动力学是一门结合物理，数学和化学的综合技术。本论文论述Len

2、nard-Jones体系的MolecularDynamics模拟的程序研究不同温度下的基本特性，分子模型图的变化，并得到压力，径向分布函数，扩散系数，平均势能随温度变化的影响。关键词:Lermard-Jones流体分子动力学平均势能扩散系数1概论与基本原理1.1分子动力学分子动力学模拟方法不仅能获得物质的平衡性质，也能得到其输运特性。它通过求解体系中粒子的运动方程获得粒子的运动速度和运动轨迹，并经统计平均求得物质的宏观特性。分子模拟步骤：第一步是确定起始构型，一个能量较低的起始构型是进行分子模拟的基础，一般分子的起始构型主要來

3、自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度，这一速度是根据波尔兹曼分布随机生成的，由于速度的分布符合波尔兹曼统计，因此在这个阶段，体系的温度是恒定的。另外，在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整，使得体系总体在各个方向上的动量之和为零，即保证体系没有平动位移进入平衡相，由上一步确定的分子组建平衡相，在构建平衡相的吋候会对构型、温度等参数加以监控。进入生产相进入生产相Z后体系中的分子和分子中的原子开始根据初始速度运动，可以想彖其间会发生吸引、排斥乃至碰撞，这时就根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互

4、作用势来对各个粒子的运动轨迹进行计算。1.2作用势与动力学计算作用势的选择与动力学计算的关系极为密切，选择不同的作用势，体系的势能面会有不同的形状，动力学计算所得的分子运动和分子内部运动的轨迹也会不同，进而影响到抽样的结果和抽样结果的势能计算，在讣算宏观体积和微观成分关系的时候主要釆用刚球模型的二体势，计算系统能量，嫡等关系时早期多采用Lennard-Jones>morse势等双体势模型。11.3时间与步长：时间步长与约束动力学分子动力学计算的基本思想是赋予分子体系初始运动状态之后利用分子的自1陈刘平，韩世军诫体分子口扩散系数

5、的预测[J],杭州:浙江人学化学系310027.然运动在相空间屮抽取样本进行统计计算，时间步长就是抽样的间隔，因而时间步长的选収对动力学模拟非常重要。1.4相关变量这些热力学量关于平均值的分布应该是高斯分布，即发现一个特定值A的几率为p(A)=exp_—(4—<4>)2/2(jo72兀物性参量可以根据原子的坐标和速度通过统计处理得出，在统计物理屮可以利用系综微观量的统计平均值来计算物性参量值，即A(p^r)p(p.r)(pdr可以根据系统的平均动能得到系统的平均温度。在正则系综（WT）中，体系的温度为一常数；然而在微正则系综

6、中，温度将发生涨落。温度是体系最基本的热力学量，它直接与系统的动能有关，压力通常通过虚功原理模拟得到。虚功定义为所有粒子坐标与作冃在粒子上的力的乘积的和，通常写为m曾-2n(rduxr(r)•3』电驴畑⑺1.5径向分布函数(radialdistributionfunction)是描述系统结构的很有用的方法，特别是对于液体。RDF(r)=4zr2p(r)G(r)=4对[p(厂)—"」g(刀=p(厂)/p.RDF(r)s=4xr2pa+—f0s[I(s)—叮sin(5r)ckG(厂7Tirvqg(厂)=1十—Jos[/(s)—l]

7、sin(”)d“rp^杨小震:分了模拟与高分了材料［M］」匕京:科学出版社,2003得到计算式1.6扩散系数:〃（厂）g(厂)=—=N4Kr2Ar物质的分子扩散系数表示它的扩散能力，是物质的物理性质之一。根据斐克定律，扩散系数是沿扩散方向，在单位时间每单位浓度降的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数，即435・7卩々/JL1V^)W"A“bcm2/s可以看出，质量扩散系数D和动量扩散系数v及热量扩散系数a具有相同的单位（m2/s）或（cm2/s）,扩散系数的大小主要取决于扩散物质和扩散介质的种类及其温度和压力。2

8、方法原程序中，给定的分析物质为氮，但考虑到氟的熔沸点较低，在零下183°C即成为气体，因此改变相关分析物质，考虑到氤同属于稀有气体，而且氤具有较高的熔沸点，为零下lire,而且三相点为-70°c,经査找可得£和。，分别为LJ势能的能量和尺寸参数。模拟体系由256个分子组成。模