2017 Fiscal Year Annual Research Report
Formulation of an accurately predictive relativistic quantum chemistry
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17H06233
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Quantum Chemistry Research Institute |
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Principal Investigator |
中辻 博 特定非営利活動法人量子化学研究協会, 研究所, 理事長 (90026211)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 相対性量子化学 / ディラック方程式 / 超正確な理論 / 重い元素の化学 / 元素戦略 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
化学の世界でも周期表の下部を占める重い原子とそれを含む分子の化学には、相対論的理論が顕著に重要になる。本研究の目的は、周期表下部の2/3以上のエレメントを含む化合物の化学を支配している相対論的ディラック方程式の正確な解法を導き、これを化学理論として定式化し、既にほぼ完成に向かいつつあるシュレーディンガー方程式に基づく正確な化学理論と合体して、周期律表の全エレメントを含む化学について、正確な予言的量子化学を確立する事である。従来の量子化学の相対論は、普通の分子軌道法に、相対論”効果”を足継ぎしたような理論が主であり、相対性量子力学の基礎方程式であるディラック方程式から出発していない。しかしながら、周期律表の下半分のエレメントについては、相対論に基づくエネルギーは非相対論のそれよりはるかに大きく、これでは不満足なことは明白である。重いエレメントの世界では、相対論は、”効果”の様な「従」ではなく、むしろ「主」である。ディラック方程式に直接軸足を置く量子化学の建設が絶対に必要であり、それを目指した研究を行う。
平成29年度は、exact理論としての我々の先行研究であるシュレーディンガー方程式の正確な一般的解法の展開に大きな成果があり、非相対論のシュレーディンガー方程式の解法をDirac方程式の解法にも応用する理論を進めている。両者にはかなりの相似性があるので、この考えを進展することによって、相対論・非相対論ともに、メリットがある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
シュレーディンガー方程式の正確な一般的解法の展開の中で、新しい分子の電子構造理論として、Chemistry Formula Theory (CFT)を提案した。化学者の直観の源泉である化学構造式や化学反応式は極めて汎用性のある理論であり、これら「化学設計式（Chemistry Formula）」通りに原子(の波動関数)を置き、それらを変分原理に従って相互作用させることで分子の波動関数を作る、これがCFT理論である。相対論は重い原子の原子核の近傍にある電子が主に、荷なっている現象であるから、CFT理論は、非相対論的な化学だけでなく、相対論的な化学にも同様に使えるはずである。相対論効果は、CFT理論の中では基本的に保存される性質である。
このことから、CFT理論を用いて、相対論的な重い原子から構成される分子の電子構造を研究した。その結果、CFT理論によって、重い原子の電子構造やその反応過程、ポテンシャルなどが、正しく記述されることを確かめた。特に、重い金属間結合が、この理論により分子軌道法などよりも、より優れた記述が得られることが確認された。
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| Strategy for Future Research Activity |
上に書いたように、exact理論としての我々の先行研究であるシュレーディンガー方程式の正確な一般的解法の成果が、相対論のDirac方程式の解法にも広く使えることが分かってきた。このことから、本年度主に研究したCFTレベルだけでなく、これに完員関数理論を応用するexactレベルへの研究にもこのアイデアを応用していきたい。特に、相対論は重い原子の内殻電子が荷なっていることを考えれば、普通の量子効果は重い原子も、軽い原子のそれと大差ないと予想される。この様に、すでに非相対論的なシュレーディンガー方程式の正確な一般的解法の研究で得られた概念・方法・成果を、積極的に本研究課題である相対論的Dirac方程式の解法に取り入れていく予定である。
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| Remarks |
受賞1) Hiroshi Nakatsuji, "2016 Schroedinger medal of WATOC".
受賞2) Hiroshi Nakatsuji, "The Honorary Medal, De scientia et humanitate optime meritis" (Top Medal of the Czech Academy of Sciences).
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Research Products
(7 results)
