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THEORETICAL CHEMISTRY
FILIPPO LIPPARINI
Academic year2023/24
CourseCHEMISTRY
Code191CC
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
CHIMICA TEORICACHIM/02LEZIONI55
FILIPPO LIPPARINI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Lo studente che completa il corso con successo conoscerà i principali metodi della chimica teorica per il calcolo dell'energia di correlazione e delle proprietà molecolari.

Conoscerà inoltre, in alcuni casi semplici, come viene progettata ed implementata la realizzazione numerica di tali tecniche.

 

Knowledge

The student who successfully completes the course will know the main methods of theoretical chemistry to compute the correlation energy and to describe molecolar properties.

Some attention will also be devoted to the numerical realization and implementation of such techniques.

Modalità di verifica delle conoscenze

Esame orale

Assessment criteria of knowledge

 

Final oral exam

Capacità

Lo studente avrà preso dimestichezza con le tecniche di chimica teorica, come l'uso della seconda quantizzazione, le basi del calcolo variazionale e alcuni metodi numerici per la soluzione di problemi lineari. Avrà inoltre preso contatto con alcuni fondamenti di un codice di calcolo elettronico e sarà in grado, dati gli integrali molecolari, di scrivere un semplice programma di calcolo.

Skills

The student will have gained confidence with the techniques used in theoretical chemistry, such as second quantization, the fundamentals of calculus of variations, and some numerical methods used for solving linear problems. The student will also have learned the basic functioning of a molecular electronic structure code and learnt how to write a simple program to compute the molecular energy.

Modalità di verifica delle capacità

Realizzazione di un progetto computazionale 

Assessment criteria of skills

A computational project will be assigned

Comportamenti

Lo studente imparerà a pensare ai metodi di calcolo non solo come strumento astratto e teorico, ma anche come strumento numerico, ponendosi il problema della loro realizzazione numerica, della loro implementazione, del loro costo computazionale.

Behaviors

The student will learn to think at the methods of quantum chemistry not only from a theoretical point of view, but also as a numerical tool. The student will therefore learn to consider their numerical realization, implementation and computational cost as an important aspect of the methods.

Modalità di verifica dei comportamenti

Esame orale e progetto computazionale

Assessment criteria of behaviors

Oral exam and realization of a computational project

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Conoscenza dei principi della meccanica quantistica e dei fondamenti della chimica quantistica, ad esempio, tramite la frequenza del corso di Chimica Quantistica e Modellistica Molecolare del primo semestre.

Buona conoscenza e praticità con l'analisi matematica e l'algebra lineare. Qualche conoscenza di elettrodinamica.

Conoscere i rudimenti della programmazione in Fortran è fortemente consigliato, ma non obbligatorio.

Prerequisites

Principles of quantum mechanics and fundamentals of quantum chemistry - the topics are covered in the course of quantum chemistry and molecular modeling during the first semester.

A good knowledge of calculus and linear algebra is required, as well as some rudimental knowledge of electrodynamics.

A rudimental knowledge of Fortran is advised, but not required.

Indicazioni metodologiche

Lezioni frontali, laboratorio computazionale

Teaching methods

Lessons at the blackboard, Computer Laboratory

Programma (contenuti dell'insegnamento)

Parte di teoria:
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Seconda quantizzazione: stati, operatori, matrici densità.
Teoria degli orbitali: ottimizzazione degli orbitali per una funzione d'onda qualsiasi. Gradiente, Hessiano.
Algoritmi di ottimizzazione al primo e al secondo ordine.
Interazione di configurazioni: implementazione di un metodo Full CI usando il formalismo delle stringhe alfa e beta.
CASSCF: ottimizzazione al secondo ordine e algoritmo "Norm Extended Optimization". 

Metodo Coupled Cluster. Tecniche diagrammatiche. Derivazione sistematica delle equazioni CC.
Introduzione alla teoria delle derivate analitiche a livello HF. Cenni al calcolo delle derivate per metodi post-HF. Metodo dello "Z-Vector".


A richiesta degli studenti, alcuni argomenti potranno essere approfonditi maggiormente, omessi o aggiunti.

 

Parte pratica:
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Rudimenti di programmazione in Fortran. Integrali molecolari e il loro stoccaggio su disco. Implementazione delle equazioni di Roothan. Convergenza del metodo SCF e tecniche di accelerazione della convergenza: Damping e DIIS. Alcune considerazioni sull'efficienza computazionale, uso di librerie ottimizzate.

Syllabus

Theory:
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Second quantization: states, operators, density matrices.
Optimization of the orbitals for an arbitrary wavefunction: gradients and Hessian.
First- and second-order optimization algorithms. 
CI: implementation of Full CI using the alpha-beta strings formalism.
CASSCF: second order optimization and the Norm Extended Optimization algorithm.
Coupled Cluster Theory. Diagrammatic techniques and systematic derivation of the CC equations.
Analytical derivatives at the HF level. Introduction to derivatives for post-HF methods. "Z-Vector" technique.

According to the requests of the students, some of the topic can be expanded, compressed, removed or added.

 

Laboratory:
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Fundamentals of Fortran coding. Molecular integrals and their disk storage. Implementation of Roothan equations. SCF convergence and convergence acceleration techniques: Damping and DIIS. Some efficiency considerations. Use of optimized libraries.

 

Bibliografia e materiale didattico

Qualsiasi libro sui principi della Meccanica Quantistica e sui metodi della Chimica Teorica, ad esempio

Helgaker, Olsen, Jorgensen: "Molecolar Electronic-Structure Theory", Wiley

 

Bibliography

Any book about the principles of Quantum Chemistry and the methods of Theoretical Chemistry, for instance

Helgaker, Olsen, Jorgensen: "Molecolar Electronic-Structure Theory", Wiley

 

Indicazioni per non frequentanti

La frequenza è fortemente consigliata. Gli studenti non frequentanti sono invitati a contattare il docente.

Non-attending students info

Attendance is advised. Non-attending student are invited to contact the teacher. 

Modalità d'esame

Esame orale.

Prima dell'esame orale, verrà assegnato un progetto computazionale da eseguire, a scelta, da soli o in gruppo, che prevederà l'implementazione rudimentale di una delle tecniche viste durante il corso a partire da quanto fatto durante il laboratorio. Lo svolgimento di tale progetto è obbligatorio.

Assessment methods

Oral exam.

Before the exam, the students will be given computational project (they are allowed to work in small groups) that will require them to implement in an elementary way one of the techniques studied during the course, using what was done in the lab as a starting point. The realization of such a project is mandatory.

Updated: 11/09/2023 14:34