电荷，我可能最早在小学自然课程里就学到，例如摩擦生电、同性电荷排斥而异性相吸等，中学阶段我们从原子结构的学习中了解了电子、质子，可能对电荷理解更深了。但此时的知识结构，还停留在把电子当作实物粒子一样对待，好像一个个乒乓球，就是小点。大学时，当我接触到量子力学和波粒二象性，首次把电子作为波来理解，着实难以接受，甚至听着都别扭。

等从事计算模拟，有更多机会去面对各种物质中各类元素的价态变化，这大大丰富了我对电荷的理解。尤其是当我自己能通过密度泛函程序，第一次绘制出H2分子的电子密度图，兴奋了好一阵，好像真的看到了电子似的，也忽然领悟量子化学老师总挂在嘴边的话：“不要只看到原子，要看到电子！”

这种不间断学习，也夹杂着对过往知识的不断审视和批判，因为量子力学框架把我最初“电子像很小的乒乓球”的概念击得粉碎，同时也让我对大学教材里各种带电离子的价态开始怀疑 – 如果电子不是一个个粒子，凭什么在不同化合物中还能得到整数电荷，例如Fe2+, Fe3+等，这隐隐触发了我对“电荷”的怀疑。加之后来学到各种电荷，如Bader电荷、Mulliken电荷等，我更为迷茫。但得益于大量科研实践，我慢慢理解电荷仅仅是表观概念，好比穷人、富人一样，而电子的空间分布才是本质。把握了这一点，一切电荷相关分析，只需要抓住电子及其分布就抓住了源头。

(资料图片)

4月25日，老司机把整理的很多案例，通过小班课的形式来分享讨论，理论配合实际操作，包含建模、参数测试（如磁矩）、计算、数据分析。三个操作案例分别是：阴离子吸附、混合价态计算与块体点电荷缺陷。利用案例浸入式学习，对理论和方法的理解更具体！

第一节：电子密度分布

密度泛函理论(DFT)的核心就是用电子密度作为变量，研究原子间作用，因此电子密度是DFT计算自然而言得到的结果。同时借用波函数的几率解释，量子化学计算也同样可以很方便得到电子分布信息。通过对电子分布(Electron Density)进行各种解析，尤其是可视化，能显著帮助我们获得物质结构信息。第一节课，我们会迅速建立电子密度与电荷分析的宏观知识框架，帮助我们明确平时如何选取合适工具和指标进行分析。

第二节：电荷定量计算与分析

电荷计算的难处在于电子归属方案难以统一。不同于实物例子“我的就是我的，你的就是你的”，电子的波动特性导致我们不能明确把某个价电子属于到某特定原子，因此理论上任何波都能全局分布。正因为这样，各种对电子进行归属的方法就提出来了，对应于不同的电荷方案。这种定量计算毫无疑问带来了极大便利，使得我们很轻松地将价态、氧化还原、电子传递等关联起来，而这些同实验结果又紧密联系，因此用途极广。一个经典案例是碳正离子，如下图，用电子分布能轻松看到CH3碳正离子、自由基、阴离子的差别，同时用经典的Mulliken电荷也能解释其差别，但经典价态以及杂化理论就存在极大困难。

第三节：电子密度投影与分解

电子结构有多种表达方式，如态密度、能带、轨道等，如果采用投影、积分等方法，还能获得更多信息。一方面，我们能通过定量电荷计算，理解催化、电池充放电中特定元素的价态变化，另一方面也能将电荷分析同其它电子结构，如态密度积分分析等结合而互为佐证。本节课我们展示多个案例，将电荷同多种数据源进行融合分析。

如果您对电子空间分布和电荷分析，欢迎联系老司机了解更多。