12、恒温分子动力学方法全解析

恒温分子动力学方法全解析

在分子动力学模拟中，我们常常希望在正则系综中进行模拟，这就意味着需要实现某种恒温器。本文将详细介绍常见的恒温分子动力学方法，包括随机方法和确定性方法，并探讨它们在实际应用中的要点。

模拟硬分子系统的检查要点

在模拟硬分子系统的程序运行时，必须进行一些关键检查。首先，要对碰撞时的基本守恒定律进行测试，确保系统在碰撞过程中遵循物理规律。其次，要定期检查系统的构型，避免出现非物理的重叠情况。此外，对于一些性质已知的分子模型特殊情况（如硬球），进行初步运行测试是很有必要的，这样可以提前发现潜在问题。

恒温分子动力学概述

在正则系综中进行分子动力学模拟，需要实现恒温器。常见的方法包括随机方法和确定性方法。这些方法都会对运动方程进行修改，可能引入随机项，或者通过约束或额外的动力学变量添加确定性效应。然而，应用恒温器并不能保证系统处于正确的平衡状态，不同自由度可能出现不同温度的情况，这可能是由于恒温器参数选择不当或误差来源较为微妙。

随机方法

随机方法主要包括以下几种：
- Andersen恒温器 ：该方法基于系统分子与指定温度热浴粒子之间的“杂散相互作用”。在一定间隔内，随机选择一个分子的速度，从麦克斯韦 - 玻尔兹曼分布中重新选取，这相当于与一个假想的热浴粒子发生碰撞。系统在碰撞之间遵循标准的能量守恒动力学，碰撞时在恒定能量表面之间跳跃，从而实现对正则系综的采样。
- 碰撞时间和速率 ：原始方法中，碰撞时间从具有指定平均碰撞时间的泊松分布中选取，但这一细节不影响最终的相空间分布。实际应用中，指定每个粒子