高压固态氩中多体相互作用及其对物态方程的影响、等离子体氢的化学模型对比

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本文介绍了两方面的工作:高压固态氩中多体相互作用及其对物态方程的影响和高温高压下等离子体氢的统计力学计算模型研究。   氩具有相对简单的满壳层电子结构,这使得它成为高压下凝聚态物质性质研究的典型体系;氩也是静高压实验当中的传压介质。因此,对高压氩的量子理论研究(一)直是凝聚态物理中令人感兴趣的课题之一。   氢在常温常压下是双原子分子,但在高温高压下将发生电离相变,形成等离子体。运用量子统计理论和及其模拟计算结果,建构其统计力学的自由能模型,对于了解其高温高压下的属性具有重要的意义。   在高压固态氩多体相互作用及其对物态方程的影响的研究中,本文运用多体展开方法和超分子单、双(三)重激发耦合簇理论(CCSD(T)),通过对高压固态氩中存在的大量三原子团簇和四原子团簇的量子化学从头算,在较宽压缩范围内得到了它们对结合能的三体、四体分量贡献,并给出了它们对高压固氩物态方程的影响。主要研究内容:fcc晶体氩中的两体相互作用、三体相互作用、四体相互作用对晶体结合能的贡献,晶体的零点振动能及其对物态方程的影响。我们还运用局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)方法,获得了密度泛函理论对固氩物态方程的理论预言结果。相对于超分子单、双(三)重激发耦合簇理论的全电子波函数量子化学处理,传统的密度泛函理论在描述惰性原子间相互作用,特别是范德瓦尔斯力方面存在一定困难;它对数十吉帕的压强(P<~50GPa)范围的物态方程数据并不能给出满意的解释,只能对超高压区的实验数据给出满意的描述。而超分子单、双(三)重激发耦合簇理论和多体展开方法的研究结果表明,只考虑两体相互作用时,该理论计算给出了较硬的压缩特性;在考虑三体相互作用后理论物态方程与实验结果吻合很好,在压强达到114GPa时理论计算仅低于实验值3GPa;在考虑到四体相互作用后,多体展开理论与密度泛函理论结果在50-200GPa高压范围内一致。   在高温高压下氢等离子体的统计物理模型的研究中,通过对等离子体的物态方程模型中全电离发生区域的氢的热力学性质的研究,构建氢物态方程的理论模型。采用Stolzmann和Chabrier的全电离等离子模型处理离子和电子的带电体系;构造Helmholz自由能函数F({Ni},V,T){i=H+,e-},并由热力学关系得到体系的内能、压强等量。
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