elektronirakenteeseen

Elektronirakenteeseen viitataan yleisesti elektronien jakautumiseen ja järjestäytymiseen atomeissa, molekyyleissä sekä kiinteissä aineissa. Se määrää kemiallisen sitoutumisen, reaktiokyvyn sekä monien ominaisuuksien, kuten magneettisuuden ja spektrien, peruspiirteet. Elektronirakenteen ymmärtäminen lähtee kvanttimekaniikan perusideoista: elektronit ovat vuorovaikutuksessa toistensa ja nukleiensa kanssa, ja niiden energiatilat sekä avaruudellinen jakauma määrittelevät sidosrakenteen.

Monien elektronien Schrödingerin yhtälön ratkaiseminen on käytännössä mahdollista vain likimääräisillä menetelmillä. Yksinkertaisin on Hartree–Fock (HF), jossa elektronit ratkaistaan itselleen suojatun potentiaalin alaisina. Tehokkaampi ja laajemmin käytetty menetelmä on tiheysfunktionaalinen teoria (DFT), erityisesti Kohn–Sham -malli, joka keskittyy elektronisen tiheyden laskemiseen. Post-HF-menetelmät, kuten configuration interaction (CI), coupled cluster (CC) ja MP2, parantavat elektronikorrelaation huomiointia.

Molekyylien ja kiinteiden aineiden elektronirakenteet eroavat: kiinteissä aineissa keskitytään bändirakenteisiin ja elektronien vuorovaikutukseen kiinteän tilan orbitaaleissa, mikä määrittelee johtavuuden, sidosvoiman ja Fermi-tason. Sovelluksiin kuuluvat molekyylien geometrian optimointi, reaktiot sekä sähköisen ja optisen käyttäytymisen sekä spektroskopian ennustaminen. Käytännössä laskenta hyödyntää erilaisia basis-settien ja pseudopotentiaalien yhdistelmiä sekä plane waves -menetelmiä kiinteiden rakenteiden kuvaamiseen.

Rajoitteita ovat elektronikorrelaation tarkka huomioimisen haasteet joillakin menetelmillä sekä suurten järjestelmien laskenta- ja muistivaatimukset. Elektronirakenteen tutkimus on keskeinen osa kemian, fysiikan ja materiaalitieteen teoriamallinnointia.