Глава 4. Современные методы исследования структуры химической связи
Матрица плотности и некоторые замечания о квантовомеханическом описании одкозяектронных и многоэлектронных состояний
В квантовой механике состояние частицы с энергией е описывается волновой функцией ψ(r), которая удовлетворяет уравнению Шредингера
(4.1)
При этом любому физическому состоянию частицы можно сопоставить множество волновых функций, отличающихся друг от друга множителем exp(iα) с вещественным параметром а, не зависящим от координат частицы. Иными словами, волновая функция ψ'(r) = exp (iα)ψ(r), и в частности ψ'(r) = — ψ(r) (α = π), так же как и ψ(r), будет собственной функцией гамильтониана с тем жезначением энергии ε. Если волновая функция ψ(r) нормирована на единицу:
(4.2)
то такому же условию нормировки будет удовлетворять волновая функция ψ'(r). Математические ожидания всех физических величин, представленных операторами 
и вычисляемых как интегралы
(4.3)
также не меняются при рассматриваемом преобразовании. Именно это обстоятельство и доказывает, что волновые функции ψ и ψ' описывают одно и то же состояние частицы.
Действие оператора на ψ(r) определяется по формуле
(4.4)
Функция μ в (4.4) называется ядром оператора в его интегральном представлении. При таком представлении операторов легко видеть, что математическое ожидание
(4.5)
определяется фактически не функцией ψ(r), а произведением двух ψ-функций
(4.6)
которое называется матрицей плотности для частицы, нахо дящейся в определенном состоянии. Строго говоря, матрица плотности ρ(r|r') не может быть матрицей в обычном смысле этого слова, если координаты r, нумерующие ее строки, и координаты r', нумерующие ее столбцы, не дискретны. Тем не менее термин "матрица плотности" для ρ(r|r') является общепринятым.
Матрица плотности становится истинной матрицей, если она представлена в некотором базисе функций Xk(r), т. е. определяется совокупностью матричных элементов Pkl, по которым можно воспроизвести ρ(r|r') согласно равенству
(4.7)
В качестве функций Xk(r) в квантовой химии чаще всего используются атомные орбитали, центрированные на ядрах атомов, образующих молекулу. Например, для молекулы Н2+ матрица плотности в двухцентровом базисе 1s-орбиталей атомов водорода имеет вид
где S — интеграл перекрывания базисных АО.
Матричные элементы Рkl получаются из коэффициентов разложения МО в базисе АО:
по формуле
Зависимость матрицы плотности ρ(r|r') от r и r' не следует понимать в том смысле, что она зависит от координат двух частиц.
В действительности r и r' представляют собой две различные (но возможно и совпадающие) точки пространства, в которых может быть локализована одна рассматриваемая частица. При этом плотность вероятности локализации ее в некоторой точке r равна диагональному элементу 
. Именно эту функцию характеризуют часто используемые в квантовой химии карты распределения электронной плотности. Функция ρ(r) содержит информацию, достаточную для вычисления математических ожиданий тех весьма многочисленных физических величин, операторы которых не включают интегрирования или дифференцирования. Например, дипольный момент d электронной системы относительно центра координат представлен одноэлектронным оператором с ядром[33]:
(4.8)
и определяется по формуле
(4.9)
Использование матрицы плотности вместо волновой функции устраняет указанную выше неоднозначность в квантовомехани-ческом описании состояния частицы. В то же время такое описание является более общим и позволяет характеризовать одночастичные состояния для систем, содержащих несколько различных или тождественных частиц, хотя точное описание этих состояний с помощью волновых функций невозможно.
Пусть некоторое состояние W-электронной системы задано антисимметричной нормированной функцией Ψ(x1,..., xN), где хi обозначает совокупность пространственных координат (ri) и спиновой переменной (σi) i-гo электрона. Тогда N-электронная матрица плотности ρN определяется аналогично одноэлектронной (4.6):
33
Функция Дирака σ(r — r') относится к классу так называемых обобщенных функций и определяется равенством 
)