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2 基本原理
2.1 计算化学
随着量子力学理论和计算机技术的发展，运用计算机模拟对材料结构和特性的研究也广泛开展起来。而原子间相互作用势决定了体系的微观结构和物理、化学性质，是所有有关原子水平上的计算机模拟的基础。所以，准确计算出原子间的相互作用势，并拟合得到相对简洁可行的势函数显得十分重要[8]。
计算化学的应用现在越来越广泛，不仅是理论化学研究中必不可少的工具，还大量应用于化学的各分支学科，交叉渗透到生物学、医药学和固体物理学等领域。例如，计算化学、材料科学和计算机科学相互渗透形成的交叉学科计算材料学，被称为材料科学研究领域的“计算机实验”[9]。
计算化学研究一般包括三个阶段:第一，选择理论模型，即通过数学语言，简化或理想化地描述一个体系或过程。构建模型是为了计算和预测，其中量子力学和分子力学是最常用的两种模型。第二，计算过程，如能量最小化、分子动力学或蒙特卡洛模拟、构象搜索等。第三，评价误差和分析结果。提取相关原子分子水平的物理化学信息，对计算的合理性进行检查[10].
现在锕系元素的量子力学计算主要存在这样的困难：外层电子结构复杂，电子数目多，相对论效应突出，传统的忽略相对论的方法会导致错误结果，f轨道的对称性与成键特性也有待进一步研究。
2.2从头计算方法(ab-initio)
由于从头计算方法理论(ab-initio)的严格性以及计算结果的可靠性，到了80年代，该方法逐步取代了半经验的方法，在量子化学的各种方法逐渐占据了主导位置。该方法在分子轨道理论的基础上，只利用三个基本物理常数，即Plank常数、电子静止质量和电量，不借助其他经验参数，计算全部电子的分子积分，求解量子力学薛定谔方程。从头计算方法得到的各类体系(原子、离子、分子、原子簇及化学反应体系等)的电子运动状态和有关的微观信息，能够合理地解释和预测原子间的键合、分子的结构、化学反应的过程、物质的性质以及有关的实验观测结果等[11]。
现在，量子化学从头计算方法不但能够研究单一的分子或气相体系，还可以用于研究固体表面吸附、溶液中的化学反应、生物大分子，各种功能材料和模拟化合物，解释或预测原子、分子和晶体的平衡几何构型、能量、位能面、内旋转和翻转势垒、电荷密度分布、各种光谱、波谱和电子能谱等各种性质，研究的元素也从第一二周期发展到过渡金属、稀土元素、镧系等重元素 [12] 。
2.3密度泛函理论（DFT）
在近二十年，量子化学的理论和计算方法中，密度泛函理论（DFT）的发展最为重要。密度泛函理论（DFT）是从材料组成的电子结构出发，用较少的物理参数及采用相应的近似处理对系统进行相关性质的计算[13]。它建立于Hohenberg与Kohn关于非均匀电子气理论的基础之上，其跳出了前面众多理论以电子波函数作为变量的框架，将电子密度作为基本变量，极大地降低了自由度，进而大幅简化了计算[14]。密度泛函理论（DFT）是多粒子系统研究中的重要方法，它不仅是把电子问题简化为单电子问题的理论基础，同时也是分子、固定的电子结构以及总能量计算的重要工具。密度泛函理论（DFT）的基本思想是：原子、分子、固体的基态能量及物理性质假定可唯一地用粒子密度函数描写[8]。密度泛函理论是一种完全基于量子力学的从头算(ab-initio)的理论，但为与其他的量子化学从头算方法(ab-initio)加以区分，人们一般把基于密度泛函理论（DFT）的计算称为第一性原理 (first priciple)。密度泛函理论（DFT）体系在经过了几十年的发展后，其本身及其数值的计算方法都有了极大的发展，这为研究较大体系的量子化学性质提供了一条可能的途径[15-17]。