双电子积分 (量子化学)

双电子积分就是涉及两个电子坐标的积分，是量子化学计算中出现频率最高的一类积分，也是进行Hartree-Fock方程自洽场计算和其他高级量子化学计算过程中计算量最大的一个部分。构成一个双电子积分的，是二至四个不同的轨道波函数、一个涉及两个电子坐标的算子（即双电子算子）和两套电子坐标。在量子化学计算中，出现频率最高的双电子算子是 ${\frac {1}{r_{12}}}$ ，即在原子单位下表征两电子间库仑排斥力的算子。

双电子积分的基本形式

双电子积分的基本形式是这样的：

$\int dx_{1}dx_{2}\chi _{1}^{*}(x_{1})\chi _{2}^{*}(x_{2}){\frac {1}{r_{12}}}\chi _{1}(x_{1})\chi _{2}(x_{2})$

其中的 $\chi _{1}(x_{1})$ 、 $\chi _{2}(x_{2})$ 表示参与积分的单电子波函数； $x_{1}$ 、 $x_{2}$ 表示电子坐标，其中包含三个方向的笛卡儿坐标和一个自旋坐标； ${\frac {1}{r_{12}}}$ 即上面提到的双电子算子。

也可以用狄拉克符号来简写上述双电子积分：

$\langle \chi _{1}(x_{1})\chi _{2}(x_{2})|{\frac {1}{r_{12}}}|\chi _{1}(x_{1})\chi _{2}(x_{2})\rangle$

两者在数学上是完全一样的。

物理符号与化学符号

对于使用 ${\frac {1}{r_{12}}}$ 算子的双电子积分，由于在量子化学中出现的频率极高，因而使用专门的符号来表示，即所谓物理符号和化学符号

物理符号

物理符号的形式是 $\langle \chi _{i}\chi _{j}|\chi _{k}\chi _{l}\rangle$ ，有时也简单表示为 $\langle ij|kl\rangle$ ，这一表示等价于：

$\int dx_{1}dx_{2}\chi _{i}^{*}(x_{1})\chi _{j}^{*}(x_{2}){\frac {1}{r_{12}}}\chi _{k}(x_{1})\chi _{l}(x_{2})$

分布在表示中单竖线之前的是取复共轭的轨道波函数，分布在单竖线之后的是不取复共轭的轨道波函数，在竖线同一侧的两个波函数中，位于左则的一个波函数其变量为 $x_{1}$ ；位于右则的波函数变量为 $x_{2}$ ，也就是 $\langle 12|12\rangle$ 。

我们注意到电子座标 $x_{1}$ 及 $x_{2}$ 是可交换的，所以

$\langle ij|kl\rangle$ = $\langle kl|ij\rangle$

在此基础上可以进一步定义更加复杂的物理符号：

$\langle ij||kl\rangle =\langle ij|kl\rangle -\langle ij|lk\rangle$

这一表示也可改写如下:

$\int dx_{1}dx_{2}\chi _{i}^{*}(x_{1})\chi _{j}^{*}(x_{2})*{\frac {1-P_{12}}{r_{12}}}\chi _{k}(x_{1})\chi _{l}(x_{2})$

其中 $P_{12}$ 为交换电子1及电子2的算子。考虑到电子坐标的等价性和符号本身的数学意义，物理符号有如下性质：

$\langle ij||kl\rangle =\langle ji||lk\rangle$

$\langle ij||kl\rangle =-\langle ij||lk\rangle$

化学符号

化学符号的形式是 $[\chi _{i}\chi _{k}|\chi _{j}\chi _{l}]$ ，有时候也简单地表示为 $[ik|jl]$ ，这一表示等价于：

$\int dx_{1}dx_{2}\chi _{i}^{*}(x_{1})\chi _{j}^{*}(x_{2}){\frac {1}{r_{12}}}\chi _{k}(x_{1})\chi _{l}(x_{2})$

分布在表示中单竖线之前的是电子坐标为 $x_{1}$ 的轨道波函数，分布在单竖线之后的是电子坐标为 $x_{2}$ ；的轨道波函数，在竖线同一侧的两个波函数中，位于左则的一个波函数须取复共轭，并在积分中位于算子的左侧位于右则的波函数不取复共轭，并在积分中位于算子的右侧。也就是 $[11|22]$ ，与物理符号 $\langle 12|12\rangle$ 相同的是，两个同样数字的（同样电子座标）的轨域中，靠左边的是取复共轭，靠右边的是没取的。