Elektron dizilimi, atom fiziği ve kuantum kimyasında, bir atom ya da molekülün elektronlarının atomik ya da moleküler orbitallerdeki dağılımıdır. Örneğin Neon atomunun elektron dizilimi 1s2 2s2 2p6 olarak gösterilir.
Schrödinger denklemi, bir kuantum sistemi hakkında bize her bilgiyi veren araç dalga fonksiyonu adında bir fonksiyondur. Dalga fonksiyonunun uzaya ve zamana bağlı değişimini gösteren denklemi ilk bulan Erwin Schrödinger’dir. Bu yüzden denklem Schrödinger denklemi adıyla anılır. 1900 yılında Max Planck'ın ortaya attığı "kuantum varsayımları"nın ardından, 1924'te ortaya atılan de Broglie varsayımı ve 1927'de ortaya atılan Heisenberg belirsizlik ilkesi bilim dünyasında yeni ufukların doğmasına sebep olmuştur. Bu gelişmeler Max Planck'ın kuantum varsayımları ve Schrödinger'in dalga mekaniği ile birleştirilerek kuantum mekaniğini ortaya çıkarmıştır.
Enerji seviyesi, atom çekirdeğinin etrafında katman katman biçiminde bulunan kısımların her biridir. Bu yörüngelerde elektronlar bulunur. Yörüngenin numarası; 1, 2, 3, 4, ... gibi sayı değerlerini alabilir. Yörünge numarasına baş kuantum sayısı da denir ve "n" ile gösterilir. Yörünge numarası ile yörüngenin çekirdeğe uzaklığı doğru orantılıdır.
Kuantum mekaniği veya kuantum fiziği, atom altı parçacıkları inceleyen bir temel fizik dalıdır. Nicem mekaniği veya dalga mekaniği adlarıyla da anılır. Kuantum mekaniği, moleküllerin, atomların ve bunları meydana getiren elektron, proton, nötron, kuark, gluon gibi parçacıkların özelliklerini açıklamaya çalışır. Çalışma alanı, parçacıkların birbirleriyle ve ışık, x ışını, gama ışını gibi elektromanyetik ışınımlarla olan etkileşimlerini de kapsar.
Deneysel verilerin kullanılmadığı, teorik ilkeler üzerine kurulu kuantum kimyasal hesaplamalara ab initio denir. Ab initio yönteminde genellikle karmaşık bir fonksiyonun daha basit fonksiyonlara indirgenmesi gibi matematiksel yaklaşımlar kullanılır.
Kuantum mekaniğinin tarihi modern fizik tarihinin önemli bir parçasıdır. Kuantum kimyası tarihi ile iç içe olan kuantum mekaniği tarihi özünde birkaç farklı bilimsel keşif ile başlar; 1838’de Michael Faraday tarafından elektron demetlerinin keşfi, Gustav Kirchhoff tarafından 1859-60 kışı siyah cisim ışıması problemi beyanı, Ludwig Boltzmann’ın 1877 yılındaki fiziksel bir sistemin enerji seviyelerinin ayrıklardan olabileceği önerisi, 1887 yılında Heinrich Hertz’in fotoelektrik etkiyi keşfetmesi ve Max Planck’ın 1900 yılında ileri sürdüğü, herhangi bir enerji yayan atomik sisteminin teorik olarak birkaç farklı “enerji elementi” ε (epsilon) ne bölünebilmesi, bu enerji elementlerinden her birinin frekansına ν orantılı olması ve ayrı ayrı enerji üretebilmesi hipotezi, aşağıdaki formülle gösterilmiştir;
Parçacık fiziğinde, kuantum alan teorisinin tarihi, 1920’lerin sonlarında elektromanyetik alanın kuantizesiyle çalışan Paul Dirac tarafından oluşturulması ile başlar. Teorideki başlıca gelişmeler 1950’lerde gerçekleşti ve bu gelişmeler kuantum elektrodinamiğinin (KED) başlangıcına neden oldu. KED çok başarılıydı ve “doğaldı”, çünkü aynı temel kavramları doğanın diğer kuvvetlerinde kullanılabilmek için yapılan denemeleri içeriyordu. Bu denemeler, parçacık fiziğinin modern standart modelini üreten güçlü ve zayıf nükleer kuvvetleri ayar kuramının uygulamasında başarılı olmuştu.
Hesaplamalı kimya, kimya problemlerini çözmeye yardımcı olmak için bilgisayar simülasyonunu kullanan bir kimya dalıdır. Moleküllerin, katıların yapı ve özelliklerini hesaplamak için verimli bilgisayar programlarına dahil edilmiş teorik kimya yöntemlerini kullanır. Bu yöntemlerin kullanılmasının nedeni, hidrojen moleküler iyonu ile ilgili nispeten yeni sonuçlar dışında, kuantum çok-gövdeli(many-body) problemlerin analitik olarak çözülemez oluşudur. Hesaplama sonuçları normal olarak kimyasal deneylerle elde edilen bilgileri tamamlarken, bazı durumlarda gözlemlenmeyen kimyasal olayları da tahmin edebilmektedir. Yeni ilaç ve materyallerin tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Yöresizleşmiş elektronlar veya delokalize elektronlar bir katı metal, iyon veya molekülde bulunan elektronların tek bir atom veya kovalent bağ ile ilişkili olmamasını tanımlar.
Journal of Computational Chemistry, 1980'den bu yana John Wiley & Sons tarafından yayınlanan akran denetimli hakemli bir bilimsel dergidir. Bilgisayarlı kimya adına her alandaki araştırma, teori ve metodoloji, çağdaş gelişmeleri ve uygulamaları kapsar.
Kuantum kimyası bilgisayar programları, kuantum kimyası metodlarını uygulamak için bilgisayarlı kimyada kullanılır. Çoğu program, Hartree-Fock (HF) ve bazı post Hartree-Fock yöntemlerini içerir ve ayrıca yoğunluk fonksiyonları teorisi (DFT), moleküler mekanik veya yarı-ampirik kuantum kimyası metotlarını da içerebilirler. Bahsi geçen programlar arasında açık kaynaklı ve ticari yazılımlar bulunur. Bunların çoğu büyüktür, çoğu zaman birkaç ayrı program içerir ve uzun yıllar boyunca geliştirilmiştir.
Spartan, Wavefunction'ın moleküler modelleme ve bilgisayarlı kimya uygulamasıdır. Moleküler mekanik, yarı-ampirik yöntemler, ab initio modeller, yoğunluklu fonksiyonel modeller, post Hartree-Fock modeller, G3 (MP2) ve T1 içeren termokimyasal tarifler için kodlar içerir.
Katı hâl fiziğindeki hesaplamalı kimya yöntemleri, moleküller için uyguladıkları aynı yaklaşımı katı hâl fiziğinde de takip eder, ancak bu durumda iki farklılık gösterirler. Birincisi, katının translasyon simetrisinin kullanılması şarttır ve ikincisi, moleküler atom merkezli temel fonksiyonlara bir alternatif olarak düzlem dalgalar gibi tamamen dağılmış taban fonksiyonlarını kullanmak mümkündür. Bir kristalin elektronik yapısı genel olarak Brillouin kuşağındaki her nokta için elektron orbitallerinin enerjilerini tanımlayan bir bant yapısı ile tanımlanmaktadır. Ab initio ve yarı-ampirik hesaplamalar yörünge enerjilerini verir, bu nedenle bant yapı hesaplamalarına uygulanabilirler. Bir molekül için enerjiyi hesaplamak zaman alıcı olduğu için, Brillouin bölgesindeki tüm noktaların listesi için hesap yapmak daha da zaman alıcıdır.
Jaguar hem gaz hem de çözelti fazları için ab initio kuantum kimya hesaplamalar yapmak amacıyla kullanılan bir bilgisayar yazılımı paketidir. Schrödinger şirketi tarafından pazarlanan ticari bir yazılımdır. Program, Richard Friesner ve William Goddard'ın araştırma grupları tarafından üretildi ve başlangıçta PS-GVB olarak adlandırıldı.
Gaussian ilk kez Gauss 70 adında 1970 yılında Carnegie Mellon Üniversitesi'ndeki John Pople ve araştırma grubu tarafından yayınlanan genel amaçlı bilgisayarlı kimya yazılım paketi. 1970'ten beri sürekli olarak güncellendi. Programın güncel sürümü Gaussian 16'dır. Başlangıçta Quantum Chemistry Program Exchange aracılığıyla yayınlanan program, daha sonra Carnegie Mellon Üniversitesi'ne lisanslanmıştır ve 1987'den beri Gaussian, Inc. tarafından geliştirilmiştir.
CP2K, katı hal, sıvı, moleküler ve biyolojik sistemlerin atomistik simülasyonlarını gerçekleştirmek için Fortran 2003'te yazılan serbestçe kullanılabilen (GPL) bir programdır.
Kuantum kimyasında elektronik yapı, sabit olan çekirdek tarafından oluşturulan elektrostatik alandaki elektronların hareket durumudur. Terim, hem elektronların dalga fonksiyonlarını hem de bu dalga fonksiyonları ile ilişkili enerjileri kapsar. Elektronik yapı, kuantum mekanik denklemlerinin yukarıda bahsedilen sabit çekirdek problemi için çözülmesi ile elde edilmektedir.
SIESTA, moleküller ve katıların üzerine ab initio moleküler dinamik simülasyonlarını gerçekleştirmek ve etkilielektronik yapı hesaplamalarını yapabilmek için tasarlanmış orijinal bir yöntem ve bu yöntemin bilgisayar programı uygulamasıdır. SIESTA'nın verimliliği, kesinlikle yerelleştirilmiş temel kümelerin kullanılmasından ve uygun sistemlere uygulanabilen doğrusal ölçekleme algoritmalarının varlığından kaynaklanmaktadır. Kodun çok önemli bir özelliği, doğruluk ve maliyetinin, hızlı keşif hesaplamalarından- düzlem dalga ve tüm elektron yöntemleri gibi diğer yaklaşımların kalitesiyle eşleşen- son derece hassas simülasyonlara kadar geniş bir aralıkta ayarlanabilmesidir.
Psi, başlangıçta Henry F. Schaefer, III araştırma grubu tarafından yazılan ab initio hesaplamalı kimya paketİ. Psi kullanılarak, Hartree-Fock, Post-Hartree-Fock elektron korelasyon yöntemleri ve Yoğunluk fonksiyonel teorisi gibi çeşitli yöntemlerle bir moleküler sistem üzerinde hesaplamalar yapılabilir. Program enerjileri hesaplayabilir, moleküler geometrileri optimize edebilir ve titreşim frekanslarını hesaplayabilir. Programın büyük kısmı C++ ile yazılırken, kullanıcıların karmaşık hesaplamalar yapmasına veya görevleri kolayca otomatikleştirmesine olanak tanıyan Python API de mevcuttur.
Atom fiziğinde, etkin nükleer yük, çok elektronlu bir atomda bir elektronun yaşadığı gerçek pozitif (nükleer) yük miktarıdır. "Etkili" terimi, negatif yüklü elektronların koruyucu etkisi, daha yüksek enerjili elektronların, iç katmanın itici etkisi nedeniyle çekirdeğin tam nükleer yükünü deneyimlemesini engellediği için kullanılır. Bir elektronun deneyimlediği etkin nükleer yüke çekirdek yükü de denir. Atomun oksidasyon sayısı ile nükleer yükün gücünü belirlemek mümkündür. Elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin çoğu, elektronik konfigürasyon temelinde açıklanabilir. İyonlaşma enerjilerinin davranışını düşününperiyodik tabloda. İyonizasyon potansiyelinin büyüklüğünün aşağıdaki faktörlere bağlı olduğu bilinmektedir:
- atomun boyutu;
- nükleer yük;
- İç kabukların eleme etkisi ve
- En dıştaki elektronun, içteki elektron tarafından kurulan yük bulutuna nüfuz etme derecesi.
