3.1 真空盒中的水分子
本页为未执行的教学模板，不包含虚构计算结果。输入和文件名依据 ABACUS 3.9.0 文档；升级版本时逐项核验。
3.1.1 问题与模型约定
周期电子结构计算能否足够准确地近似一个中性水分子，并用于比较力和键长？先研究一个固定、尚未优化的分子。这里的模型是气相电子问题，不是液态水、分子晶体、振动光谱或有限温度自由能。ABACUS 仍采用周期边界；真空层只能减弱周期镜像间的作用，并不取消周期性。
3.1.2 物理解释
采用中性、闭壳层的 PBE 模型，包含两个氢原子和一个氧原子。若所用 H、O 赝势分别含一个、六个价电子，则体系有八个价电子，对应四个双占据态；必须先读实际 UPF 文件核对，而不是只按元素猜测。六条能带只是初始余量，不是激发态基组收敛结论。大真空盒用单个 Gamma 点取样。水是极性分子，净电荷为零不意味着镜像相互作用自动消失。
力是同一个电子总能量对原子位置的负导数：
增大盒子同时改变镜像距离和 PW 计算成本。重新居中后应保持分子笛卡尔几何完全相同，避免把键长变化误当成周期边界误差。
图示为本课程原创概念图，不是计算所得数据。
3.1.3 输入与文件修改
INPUT
INPUT_PARAMETERS
suffix water_box
calculation scf
basis_type pw
ks_solver cg
ntype 2
nbands 6
nspin 1
dft_functional PBE
pseudo_dir ./data/
ecutwfc 80
scf_thr 1e-9
scf_nmax 150
symmetry 0
cal_force 1
out_chg 1 10
STRU
ATOMIC_SPECIES
O 15.999 O_PBE_VERIFIED.upf
H 1.008 H_PBE_VERIFIED.upf
LATTICE_CONSTANT
1.889726125457828
LATTICE_VECTORS
16 0 0
0 16 0
0 0 16
ATOMIC_POSITIONS
Cartesian_angstrom
O
0.0
1
8.0000 8.0000 8.0000 m 1 1 1
H
0.0
2
8.7586 8.0000 8.5043 m 1 1 1
7.2414 8.0000 8.5043 m 1 1 1
KPT
上面三个块分别保存为 INPUT、STRU、KPT，不可合并成一个文件。将明显标记的赝势占位文件名替换为本地已核验的模守恒 PBE 文件，并记录校验和。PW 示例不需要数值原子轨道。晶格常数单位为 Bohr，与晶格向量相乘后得到边长 16 埃的立方盒；Cartesian_angstrom 明确指定原子位置单位为埃。氢原子位置仅提供合理初始构型，并未宣称平衡结构。80 Ry 波函数截断必须针对实际氧、氢赝势收敛，它不是 80 eV。运行前归档晶胞、单位、价电子数和程序版本。
3.1.4 运行并检查证据
分别建立 16、20、24 埃的独立目录，把整个分子平移到各盒中心，同时保持内部坐标不变。先在较大盒子中完成截断收敛，再在已接受的截断下比较盒长。用户可在已获授权的工作目录中使用安装说明对应的可执行程序；本课不提交作业。读取 OUT.water_box/running_scf.log，核对 SCF 收敛、最终能量和力的单位。3.9 版本中 out_chg 1 10 输出 OUT.water_box/SPIN1_CHG.cube。先检查网格和电荷积分，再画等值面。接受盒长后按原子弛豫案例优化坐标，不要弛豫真空晶胞。
3.1.5 针对观测量的收敛
可预先采用教学目标：最大两个盒子的能量差小于每分子 1 meV，任意力分量变化小于 0.005 eV/埃。这是建议阈值，不是已经通过的结果。不能只看能量，因为微小能差可能掩盖力误差。在固定盒中整体平移分子，检查网格位置敏感性；若力明显变化，应提高截断。中性体系的电荷积分应在数值积分和输出精度误差内等于赝势价电子总数。既记录 SCF 终止状态，也记录数值变化；相邻能量接近不能挽救未收敛的电荷密度。
3.1.6 接受表与溯源
真空检验表记录盒长（埃）、截断（Ry）、最终能量（eV）以及九个力分量（eV/埃）。以最大且已接受盒子为参考，逐一相减分子能量；阈值若按每分子定义，不能因为有三个原子就除以三。力采用对应原子最大绝对分量差，先匹配原子身份，不能中途交换两个氢。
整体平移检验另列。固定周期盒内刚性移动不改变分子物理结构，却改变相对数值网格的位置。比较力时只去掉整体坐标平移；保存各 cube 实际网格尺寸，避免相同名义截断掩盖网格改变。盒长和截断同时变化无法辨别误差来源。
| 盒长（埃）／截断（Ry） | 能差（eV/分子） | 最大力差（eV/埃） | SCF 与网格已核对？ |
|---|---|---|---|
| 16／接受截断 | — | — | — |
| 20／接受截断 | — | — | — |
| 24／接受截断 | — | — | — |
表格留空，保存赝势哈希、内部坐标差和 cube 头部。这些是计划比较，不是计算数据。
3.1.7 常见陷阱与边界
不要用 cell-relax 优化分子的真空：它改变人为边界，并非物理晶格常数。不要套用 VASP 偶极修正标签；只有核对 ABACUS 版本和适用几何后才可使用明确支持的选项。单 Gamma 点不等于真空足够。PBE 氧赝势与其他泛函的氢赝势混用会改变哈密顿量。密度瓣的外观取决于等值面阈值，不能把图形尺寸当成测得半径。带电分子的有限尺寸与静电处理超出本中性案例范围。
3.1.8 练习与答案提示
- 只将盒长从 16 埃增至 20 埃，保持 O-H 向量不变，哪些坐标要改？提示：全部原子加相同平移量重新居中，原子间笛卡尔坐标差必须完全相同。
- 能量通过盒长阈值，但某力分量改变 0.012 eV/埃，小盒能否用于几何优化？提示：不能；对力敏感的用途需要独立接受镜像和截断误差，不能只报告能量通过。
3.1.9 版本化参考
大学教学指南提供入门组织与算例背景；旧页面可能早于 3.9，具体语法以本页链接的官方版本为准。本文为原创教学综合，不复制参考输出作为课程结果。