场力和保守力有什么区别和联系啊(保守力场怎么判断)
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场力和保守力有什么区别和联系啊(保守力场怎么判断)
04-07

MD模拟的原理其实就是求解其牛顿运动方程,原子所受的力是一个势能函数。模拟时,会以很小的时间步长同时求解这些方程,则系综内的原子则会随着计算发生变化,同时会根据我们设定的时间间隔进行输出原子坐标到输出文件中,在计算求解中需要对于温度和压强进行设定好。

表1.1分子及含氢键液体中的典型振动频率(波数)300K时,kT/h=200cm−1

键的类型

振动类型

波数(cm-1)

C-H,O-H,N-H

伸缩

3000-3500

C=C,C=O

伸缩

1700-2000

HOH

弯曲

1600

C-C

伸缩

1400-1600

H2CX

剪式,摇摆

1000-1500

CCC

弯曲

800-1000

O-H...O

摆动

400-700

O-H...O

伸缩

50-200

随着时间变化的坐标代表了体系的一个轨迹。经过初始的一些变化之后,体系通常会达到平衡态。通过对平衡后的轨迹进行平均,就可以从输出文件中就可以用分析和解释一些宏观性质(MD是有一定局限的,可能会与实验有偏差)。

模拟是经典的

使用牛顿运动方程自然意味着我们使用经典力学描述原子的运动。对处于正常温度下的大多数原子来说,这是合适的,但也有例外:氢原子质量非常小,质子的运动有时具有显著的量子力学特性。例如,氢健的传递过程中,质子可能通过隧穿效应越过势垒,经典力学是不能去用来处理分析这样的过程。低温下的液氦是经典力学失效的另一个案列。或许我们不是很关心氦,但共价键的高频振动却应该让我们担心,当共振频率νν接近或超过kBT/h时,经典谐振子与真正的量子谐振子的统计力学明显不同。室温下当hν=kBT时,波数σ=1/λ=ν/c,大约为200cm-1。因此所有高于100cm-1的频率,在经典模拟中是不可以的。这意味着所有键和键角的振动实际上都是可疑的,甚至氢键键合基团的运动,比如平动或氢键的摆动都超出了经典的极限(见表1.1)。我们该怎么办呢?

除了进行真正的量子动力学模拟,我们可以采取下面两种方法中的一种:

(a)如果进行MD模拟时对键采用了谐振子近似,我们应该对总内能U=Ekin+Epot和比热CV以及熵、自由能进行校正。当高频量子振子处于基态时,具有12hν的零点能,经典谐振子会吸收过多的能量kT。

(b)我们也可以将键和键角视为运动方程的约束。其理由是,与经典振子相比,处于基态的量子振子与被约束的键更相似。当最高频率被移除后,可以在算法中使用更大的时间步长。实际中,相比把键当作谐振子,当键被约束时的时间步长可以取为原先的4倍。GROMACS对键和键角提供了这种方案,灵活的键角约束是相当重要的,它使得运动更加真实,并能覆盖构型空间。

电子处于基态

在MD中,我们使用保守力场,它只是原子位置的函数,这意味电子的运动被忽略了:我们假定电子能够瞬间调整自己的运动状态以适应原子位置发生的变化(玻恩-奥本海默近似),并始终处于它们的基态。这个假定几乎总是正确的,但显然不能用于电子转移过程和电子激发态,也不能正确处理化学反应。当然,暂时回避化学反应还有着其他原因。

力场是近似的

力场是个系综内的原子提供了力,它是分子动力学中的一部分,但是得到力场的参数却不是分子动力学的部分。对于研究不同的体系是需要采用不同的力场,因为力场是一种实验与理论结合,通过高级数学的方式拟合出来的数据,由于体系的不同所以会造成拟合数据的偏差,因此力场很难实现全部元素进行赋予作用力,因此力场只是某个范围内相对近视的数值。

力场是对势累加的

在目前的版本中,力场是对势累加的(除了长程库仑力),所以不能包含极化,也不包含可以微调的键相互作用。所有的非键力来源于非键对势相互作用的加和。非对势累加相互作用,其中最重要的是通过原子极化产生的相互作用,要通过有效对势进行描述。这里仅考虑了平均的非对势累加的贡献。这也意味着,对相互作用并不纯粹,也就是说,它们对孤立的原子对,或是与参数化时基于的模型有明显差距的体系,是无效的。

长程相互作用被截断

在本版本中,GROMACS总是对LJ相互作用使用截断半径,对库伦作用有时也使用截断半径。GROMACS使用的最小映像约定要求:对一个对相互作用中的每个粒子,只考虑其在周期性边界条件下的一个映像,所以截断半径不能超过盒子大小的一半。对大的体系来说,这仍然相当大,但仅仅对于含有带电粒子的体系会有麻烦。这时可能会发生许多糟糕的事,如电荷会在截断边界处累积,或计算的能量完全错误。对于这样的系统,你应该考虑包含了那些长程静电相互作用的算法,如粒子网格Ewald(PME)。

边界条件是不自然的

由于体系尺寸很小(即便含10000个粒子的体系也还很小),粒子组成的团簇与其环境(真空)之间具有许多不需要的边界。如果想模拟块状体系,我们必须避免这种情况。对此,我们采用周期性边界条件来避免实际的相边界。由于液体不是晶体,一些不自然情况仍然存在。周期性的边界可能会增强内部的相关性。在这种情况下,要多加小心并注意测试系统尺寸的影响。当使用格点加和方法计算远程静电相互作用时,这一点尤其重要。

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