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勢函數的截斷近似

2022-10-03 20:41 作者:邱新龍分子模擬小破屋  | 我要投稿

引入最近鄰像約定后,計算中心元胞中任意一個粒子所受的相互作用,只需計算該粒子與中心元胞中所有其他粒子的最近鄰像粒子之間的相互作用。對近程相互作用,一個粒子所受的相互作用主要來自少數近鄰粒子,相距較遠的粒子數 目雖多,但對相互作用的貢獻很少。因此,計算近程相互作用時,通常只需計算 與粒子相距小于截斷半徑rc (cutoff distance)且位于截斷球內的粒子的貢獻, 忽略截斷球外相距大于rt的所有粒子的貢獻。這就是截斷近似(truncation approximation) 。對Lennard-Jones勢能函數,如截斷半徑取rc = 2.?5σ則截斷誤 差只有勢阱深度的1.6%。特別需要注意,在MD模擬中截斷距離乙不能超過中 心元胞最小邊長的1/2;否則,截斷近似將與最近鄰像約定沖突,模擬無法 進行。

截斷近似的引入可以大大減少相互作用的計算量。以體積為V的立方體中 心元胞為例,引人截斷近似前需要計算的兩體相互作用約為0.5N2對,引入截 斷近似后需要計算的兩體相互作用約為0. 5N^2X4πrc^3V對,效果巨大。

引入截斷近似對模擬結果的影響,相當于改變或調整分子間相互作用勢能函數。例如,兩個粒子之間的相互作用勢能函數為u(r),引入截斷半徑為rc的截斷近似后,實際勢函數調整為

截斷近似引入的誤差雖小,但截斷勢能函數Ucutoff(r)在截斷半徑rc處不連續(xù), 導致計算結果的不穩(wěn)定。為了克服這個問題,常在截斷近似的基礎上,將兩體勢函數作向上平移,使截斷半徑rc處勢能函數為零

通過平移修正后,勢函數雖被改造成一個連續(xù)勢函數Ushift(r),但勢函數的 一階導數即相互作用力仍不連續(xù)。同時Ushift(r)的勢阱深度也偏離了原勢函數 U(r)的勢阱深度,引起熱力學性質的計算偏差。在實際MD模擬中,常在完成 相互作用計算后,對Ushift(r)進行長程修正(long-range correction) 。在體積元 dV內約有NdV/V個粒子,與中心元胞中的N個粒子共構成0.5N2dV/V對相 互作用,每對相互作用的勢函數為u(r),勢能的修正項為

上述修正方法稱為平均密度近似法。利用該方法,可以恢復原勢能函數的大部分 信息。但是,由于庫侖勢按r-1衰減,上述積分發(fā)散,無法計算庫侖勢的修正項Ulrc。


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