ORCA轨道与电子密度画图

计算结束后，常见的下一步是看最高占据轨道、最低空轨道和电子分布。这篇用水分子的 HF/def2-SVP 结果，演示怎样直接从 ORCA 波函数生成画图文件。

1. 先得到波函数#

下载ORCA文件处理实例包，在已分配的 CPU 计算资源中执行：

python3 -m zipfile -e orca-file-tools-wave516-*.zip orca-file-tools
cd orca-file-tools
bash run.sh

脚本依次计算水分子和 CF3Cl 的单点，再导出数据、生成图片所需的网格并核对结果。只想查看本次已有结果时，直接读取 reference/work/；不要为画图再次提交相同的单点。普通计算的环境加载和提交方法见ORCA使用指南。

本例为 ORCA 6.1.1 官方 Linux 预编译版，配套 OpenMPI 4.1.8（GCC 13.3 构建）。程序本体未在本例重新编译。单点使用 1 个 CPU 进程，无需 GPU。水分子的完整 inputs/water.inp 为：

! HF def2-SVP TightSCF NoSym NoRI
%pal nprocs 1 end
%maxcore 1024
* xyz 0 1
O -1.551007000 -0.114520000 0.000000000
H -1.934259000  0.762503000 0.000000000
H -0.599677000  0.040712000 0.000000000
*

0 1 表示中性单重态，坐标单位为 Å。%maxcore 1024 是每进程的 MB 设置，并非严格的总内存上限。实际生产体系应自行选择方法、基组、进程数和资源。本例单点能量为 −75.960796123673 hartree，没有进行结构优化。

已有自己计算结果的用户，直接在含有对应文件的目录里操作。请保留同一次计算的 case.gbw、case.densities 和 case.densitiesinfo，不要混用不同基组或不同几何的文件。

2. 确定HOMO和LUMO编号#

grep -A 14 'ORBITAL ENERGIES' work/case.log

ORCA 从 0 开始编号。本例水分子有 10 个电子，闭壳层的 0–4 号轨道各占据 2 个电子，所以 HOMO 为 4，LUMO 为 5。更换电荷、自旋或体系后，应重新查看占据数；不要照抄编号。开壳层还要区分 alpha 与 beta 轨道。

3. 生成三个cube文件#

最简操作为：

bash run.sh plot
ls work/*.cube

这一步读取已有波函数，不重新求解 SCF。手动操作时：

module purge
module load orca/6.1.1
cd work
"$ORCA_ROOT/orca_plot" case.gbw -i

按下表依次输入，当前版默认为 Gaussian cube、40×40×40 网格：

也可以保存完全相同的终端输入，再交给程序：

cat > plot.in <<'EOF'
2
4
11
2
5
11
1
2
y
11
12
EOF
"$ORCA_ROOT/orca_plot" case.gbw -i < plot.in > plot.log
ls case.mo4a.cube case.mo5a.cube case.eldens.cube
cd ..

要提高画图网格密度，可在交互菜单选 4 后输入新的网格数，再选 11。网格越密，文件和画图开销越大；40点设置仅用于这组教学图，不代表密度积分已收敛。

4. 看图时注意什么#

上图直接读取本次原生 cube 的切片：电子密度使用对数色标；HOMO 选择垂直于分子平面的切片，LUMO 选择接近分子平面的切片。切片位置已写在图中，没有把不在同一平面的数据拼在一起。

轨道的红、蓝表示波函数的正负号，不表示正负电子密度或正负电荷；整个轨道统一换号不会改变物理结果。电子密度非负，轨道振幅则可以有正有负。

本包用原始 WFN 和独立的高斯基函数计算核对网格数据，也检查轨道正交性和电子数。自己生成图后可执行：

bash analyze.sh work
/public/toolkit/miniconda3/envs/ase-3.29.0/bin/python plot_results.py
ls figures/*.png

plot_results.py 默认重画包内 reference/work/ 数据；若要显示自己的结果，应修改脚本的数据目录后重新画图。也可把 cube 下载至本地，用支持 Gaussian cube 的可视化软件查看三维等值面。

程序选项参考 ORCA轨道与密度绘图说明。