高压固氩物态方程的量子理论计算

基于第一性原理,运用ab initio超分子单、双(三)重激发耦合簇理论(CCSD(T))和aug-cc-pVQZ基矢,精确计算了fcc晶体固氩在最近邻原子间距R=0.20~0.39nm时的两体、三体和四体结合能,零点振动能及物态方程。结果表明:固氩的多体势对结合能的贡献在高压区域是一正负交叉级数;零点振动能占多体相互总能的比例较小,但不可忽略;在高压区域,只考虑两体势时对固氩的压缩特性表现过硬,加入三体势后与实验结果在60GPa内完全吻合,考虑到四体势后对整个实验区间0~114GPa内做出令人满意的描述,且在压强达到114GPa时与实验值相差约3GPa,吻合程度达到97%。最后,通过与密度泛函理论的局域密度近似和广义梯度近似方法比较发现,泛函理论(DFT)只有在50~114GPa范围内与实验值符合较好,不如本研究所采用方法适用的压强范围宽。     

固氖高压物态方程的量子理论计算

 运用Hartree-Fock计算方法和原子团簇理论,研究了高压下面心立方晶体氖中的二体相互作用、三体相互作用对中心原子势能及冷能的贡献。结合零点振动能,计算得到了固氖在4~208 GPa压强范围内的等温物态方程。结果表明,在较高压强区域内,等温压缩线与高压实验数据符合得非常好;在压强超过100 GPa的区域内,计算得到的等温压缩线较目前已有的理论研究结果系统地改善并提高了3%~5%,精确地解释了固氖的高压实验数据。     

多体相互作用对高压固氦状态方程的影响

采用量子化学自洽场方法及原子团簇理论对固氦晶格原子势能进行多体展开，定量确定了最近邻原子间距R在0.26—0.175nm之间，短程的两体到五体相互作用对晶体结合能及压缩特性的贡献，并对不同间距下多体展开式的截断位置进行了讨论. 结果表明：当最近邻原子间距R在0.26—0.175 nm之间取值，在具有hcp相结构的晶格中，氦原子势能的多体展开式是一收敛的交错型级数，该级数中两体项、四体项为正值，而三体项、五体项为负值. 当R在0.26—0.23 nm之间取值时, 仅保留级数中两体和三体项就能很好地描述晶格原子势能；当R在0.23—0.20 nm之间取值，多体展式需要展开到四体相互作用项；当R在0.20—0.175 nm之间取值必须再加入五体项贡献. 考虑到五体相互作用后，理论计算已能圆满地解释目前固氦等温压缩数据，其最大压力达 60GPa. 关键词： 固氦 状态方程 多体相互作用     

中高能量电子被NO_2和SO_2分子散射总截面的研究

用模型势方法对正电子与氪、氙原子散射角分布进行了系统计算，通过对算得的微分截面（散射角从２０°－１６０°）的数据分析，结合作者以前对正电子与氦、氖、氩原子散射角分布的研究结论，总结出了低能正电子与稀有气体原子散射角分布规律     

多体作用对氦原子团簇He9压缩特性的贡献

 采用Lowdin方法计算了处于压缩状态的氦原子团簇He₉体心立方向型的排斥势及其多体分量，并由此计算出团簇微观压强及其多体分压强。结果发现，多体作用对氦原子团簇He₉压缩特性贡献较大。在相同体积下，由两体近似方法计算的体系压强比多原子体系实际压强偏高10%~30%；考虑三体分压强修正后，近似理论的计算值又会偏低1.5%~10%；只有同时考虑三体、四体修正后，近似理论计算值与实际多原子体系的压强值基本一致。团簇He₉所表现出的压缩特性与固态氦的实验结果相符合。     

四体相互作用对固氦压缩特性的贡献

运用从头计算自洽场方法和原子团簇理论计算了高压下固氦原子间的四体势分量.计算结果表明四体分量对结合能的贡献为正；随着压缩度增大四体势的贡献比例变大.采用两体、三体、四体势和Aziz吸引势计算固氦零温状态方程并与实验测量相比较，结果表明两体势对固氦的压缩性贡献了过多的正效应，加入三体分量的修正，仅在低于10GPa时理论值与实验值相符很好，但考虑了四体势修正后能将理论值与实验值符合程度提高到 27GPa. 关键词： 状态方程 固氦 四体势 从头计算     

毛细管放电条件下类氖序列原子参量计算与分析

利用多组态求解相对论性的Hartree-Fock-Roothan方程(HFR)方法计算了类氖离子(Z=13～27)2s^22p^5—2s^22p^53s能级之间跃迁的原子参量,包括类氖氩激光系统的能级,振子强度,自发辐射衰变速率,能级寿命,电子碰撞激发截面及电子碰撞激发速率系数等。以类氖氩离子为例,分析了等离子体内46．9nm激光跃迁的粒子数反转的形成及谱线放大过程,讨论了其它几条谱线产生增益的可能性,分析了激光线振子强度随核电荷数的变化规律。根据获得的原子参量,计算了利用毛细管放电产生类氖氩和类氖氪x射线激光的放电参量,其中类氖氩毛细管放电的初始压强的范围为30~90Pa,放电电流峰值为10～50kA。理论计算结果为类氖氩x光激光实验分析,深入研究等离子体反转动力学,激光增益的估算及理论方案设计等提供了基本数据。     

氦团簇及氦间隙原子在钨中的稳定性研究

首先采用分子动力学方法研究了在钨中预存氦-空位团簇（He_nV₂₂）后氦原子结合能与氦-空位比的关系。研究发现:当氦-空位比小于4.5时,氦原子结合能随氦-空位比呈线性减小趋势;当氦-空位比大于4.5时,氦原子的结合能随氦-空位比出现剧烈振荡的现象,这种现象是由于钨中预存氦-空位团簇随机挤出位错环使体系能量骤降所导致的。与此同时,氦-空位团簇周围出现了一些处于亚稳态的fcc结构和hcp结构的钨。为了研究氦团簇周围压强对钨基体相变的影响,本文利用第一性原理对钨的三种结构进行了高压相变计算,发现静水压力不能使钨的三种结构互相转变。另外,通过对bcc钨和fcc钨中四面体间隙氦原子和八面体间隙氦原子电荷密度差的计算,发现bcc钨中四面体间隙氦原子的稳定性高于八面体间隙氦原子的稳定性,而在fcc钨中四面体间隙氦原子的稳定性弱于八面体间隙氦原子的稳定性。     

固态氦的理论等温压缩线

 基于团簇理论并计及邻近和次邻近原子对中心原子的屏蔽作用，我们用完全量子力学方法计算了hcp结构固态氦的原子多体作用排斥势和等温压缩线。计算结果与5~25 GPa范围的静高压实验结果吻合较好。表明本文方法与过去提出的原子相互作用势相比，是合理的和比较好的。本文还对Aziz二体势、Loubeyre三体势和Ross和Young等效势的局限性做了讨论。     

固氪物态方程的关联量子化学计算

运用多体展开理论和量子化学方法—–超分子单、双(三重)激发微扰处理耦合簇CCSD(T)方法,首次系统地计算了面心立方固氪在较宽(从晶格平衡位置到体积压缩率超过3倍)区间的两体、三体和四体相互作用对结合能和物态方程的贡献大小,包括Hartree-Fock自洽场项和范德瓦耳斯长程关联作用项;并与实验数据进行比较.结果表明,在考虑到两体、三体、四体相互作用能后,多体展开理论以及CCSD(T)方法对平衡位置结合能测量数据0—130 GPa整个研究区间的实验物态方程数据都做出令人满意的描述.     

高压下金属铌熔化曲线的分子动力学模拟

铌作为一种高熔点的金属,广泛应用于制作合金材料. 铌的高温高压熔化曲线对于铌基合金的实际应用具有重要影响,但目前还未被成功研究. 本文中,我们采用铌目前已有的嵌入原子相互作用势函数（EAM）,通过经典的分子动力学方法,模拟了铌的熔化曲线. 两相法和改进Z方法的熔化曲线几乎完全一致,与Z方法的结果稍有差异. 我们也比较了尺寸效应对铌熔化曲线的影响. 我们认为,铌的现有的势函数描述其高压特性时不再适合,后续需要构建精确的温度和压强依赖的相互作用势函数来研究铌的高压特性.     

液态氦冲击压缩性理论计算

 采用孤立氦原子两体排斥势和微扰变分液体理论计算了液态氦一次和二次冲击压缩曲线。与文献[4]实验结果比较发现,在相同体积下,理论计算压力偏高30%~50%,表明高温高密度状态下,氦原子间的等效排斥势比孤立氦原子两体排斥势低很多。文中分析讨论了引起液态氦在高压下异常“软化”现象的可能机制和理论处理方法。     

低温下液氦、液氖热物性的分子动力学模拟

本文基于平衡分子动力学模拟方法,采用了含量子修正项的QFH势函数和WK势函数对低温下液氦和液氖进行计算,并通过Green-Kubo公式统计得到热导率和黏性系数。结果表明:液氦和液氖的热导率、黏性系数随温度升高呈线性增大;采用QFH势函数和WK势函数比采用LJ势函数计算得到的热导率更接近实验值,且WK势函数计算结果比采用QFH势获得的结果更准确;WK势函数计算的液氦和液氖的黏性系数也与实验值非常接近。     

百吉帕压力下固态氩的状态方程

 利用最新的X光衍射实验数据和Ar原子的弹性散射实验结果，得到了Ar原子间的相互作用和350 GPa下的固态氩的状态方程。这个状态方程可以作为超高压力下的压标。在150 GPa以上的压标，是目前高压研究中急需的。固态氩既可作为准静水压传压介质，又可作为高压X光衍射中的压标使用。本文计算了固态氩的Grüneisen参数、Debye特征参数、定容比热和等温体模量随压力的变化，压力范围为0~150 GPa。     

采用从头计算方法研究液态氦原子间等效对势

 提出了一种具有体心立方排列的原子团簇He₉模型，用于模拟液氦中邻近原子的近程平均分布特征，并运用量子从头计算方法和原子团簇理论计算技术，首次从理论上计算了液态氦原子间等效作用对势。计算给出的等效对势能较好地再现液氦的等温压缩线及冲击压缩线，所提出的液体等效结构的原子团簇模型能比较合理地描述液氦近程结构特征以及原子间多体相互作用规律。还将理论对势函数与经验Exp-6势进行了比较。     

高温高密度氩物态方程研究

用Exp-6有效两体势模型和液体变分微扰理论计算了液Ar冲击压缩曲线,在35 GPa以下的压力范围内计算的冲击压缩曲线与Thiel 及Nellis等人的实验数据进行了比较.液体分子间Exp-6有效两体势参数根据实验数据计算优选出最佳值,计算结果表明得到的优选参数较为准确地描述了液Ar分子间相互作用.由理论结合实验数据可以认为液氩体系在冲击压力36 GPa以下无相变现象.对较高冲击压力下理论计算的冲击曲线和实验结果之间的偏差作了分析,结合不透明度实验的结果,得到当压力超过35 GPa,温度在12 000 K     

元素周期律与对称性

 元素周期律是俄罗斯化学家门捷列夫1869年在对自然界中各种元素的化学和物理性质的大量实验资料进行分析比较后,发现元素的性质随着各元素的原子量大小顺序呈现周期性变化而得出的规律。性质相似的元素组成一族。例如惰性气体元素,按原子量大小,依次为氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等,这些元素的原子的电离能特别大(见图1),不易与其他原子结合,在自然界中以单原子分子的形式稳定存在,所以称为惰性气体,在周期表中属于零族元素。     

氩和氪气体团簇靶的制备及特性研究

 采用瑞利散射法和Mach-Zehnder（M-Z）干涉法分别测量氩、氪团簇的尺寸和密度，讨论了影响团簇尺寸和密度的因素，并比较氩团簇和氪团簇特性的异同点。通过改变诊断光和喷嘴阀门的相对延迟时间，获得了团簇尺寸和密度随时间的变化情况，发现氩、氪团簇的尺寸和密度均在3~25 ms达到最大值；在气体背景压强1.2~6.0 MPa下，测量了喷嘴轴线上的密度分布，发现离喷嘴喉部越远，气体密度越低，并且气体密度随压强呈线性上升。     

固氩高压物态方程和弹性性质的密度泛函理论计算

 用平面波赝势方法结合局域密度近似密度泛函理论（DFT-LDA）计算了零温下固态氩晶体在压力0~82 GPa的p-V关系和弹性性质,计算结果与静高压实验数据符合较好,计算结果表明局域密度近似方法能较好地描述固氩晶体高压下的性质,采取合理的方法和计算参数,惰性气体固态晶体高压下的力学性质可以比较准确地计算出来,这可为一些还不能通过实验进行研究的物态分析提供借鉴。     

氪原子的近红外吸收光谱的研究

本文利用浓度调制的万法测量了氪原子在11870～12700 cm~(-1)波段的高分辨连续吸收光谱.在实验中,通过对氪气和氦气混合气体进行放电的方法制备氪原子.总共测量了120根氦原子吸收谱线,其中33根谱线是已被报道过的,45根新测量的谱线可以通过已知的氪原子能级进行标定,其它剩下的42根新测量的谱跃迁线根据已知的氪原子能级信息尚无法进行标定.本次实验中的这些未知的42根氪原子的跃迁谱线,可以推断氪原子有尚未被报道或测量过的原子能级存在.本文同时对如何用"Classification"计算软件分析未知氪原子谱线的可能存在的能级进行了演示.