Calculation of ionization potentials from density matrices and natural functions, and the long-range behavior of natural orbitals and electron density

厄米矩阵 电离 电子 特征向量 本征函数 原子轨道 原子物理学 密度矩阵 基质(化学分析) 电子密度 电离能 物理 波函数 量子力学 化学 离子 量子 色谱法
作者
Marilyn M. Morrell,Robert G. Parr,Mel Levy
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:62 (2): 549-554 被引量:381
标识
DOI:10.1063/1.430509
摘要

Given an exact eigenfunction ψ for some system with N electrons, a procedure is developed for determining ionization potentials of the system to various states of the corresponding system having N−p electrons. The long−range behavior of the electron density and of the natural spin orbitals is shown to involve a set of eigenvalues which are obtained by this procedure. Following is the procedure. First determine the pth−order natural functions for ψ, Xm(p), and their occupation numbers nm(p), by diagonalization of the pth−order density matrix Γ(p). Calculate the quantities where ? ≡ (x1x2⋅⋅⋅xp) and ?ξ ≡ (ξ1ξ2⋅⋅⋅ξp). Then diagonalize the Hermitian matrix μ(p)kl = λ(p)kl / (n(p)kn(p)l)1/2. The resultant eigenvalues μα(p) are approximations to the negative of the p−electron ionization potentials of the system, with successive μα(p) (from the highest to the lowest) being lower bounds to the negative successive p−electron ionization potentials (from the lowest to the highest). For an approximate eigenfunction ?, the same procedure is recommended, except that the Hermitian part of the approximate matrix ?(p)kl is diagonalized. For ? a Hartree−Fock approximation to Ψ, the procedure for the case p = 1 is the classic method of Koopmans. It is shown that in general all natural spin orbitals χm(x) in a system have long−range expontential fall−off governed by μ(1)max, i.e., χm(x) ∼ exp[−(−2μmax(1))1/2r], and that the electron density behaves similarly, π (x) ∼ exp[−2(−2μmax(1))1/2r]. The behavior naively expected, namely π (x) ∼ exp[−2(2Imin)1/2r], results if μmax(1) is equal to −Imin.
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