【摘 要】
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在研究光与物质相互作用的理论发展中,经历了以洛伦兹(Lorentz)一维振子为典型代表的经典理论、玻尔-索末菲(Bohr-Sommerfeld)的半经典半量子理论和基于量子力学的微扰理论以及第
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在研究光与物质相互作用的理论发展中,经历了以洛伦兹(Lorentz)一维振子为典型代表的经典理论、玻尔-索末菲(Bohr-Sommerfeld)的半经典半量子理论和基于量子力学的微扰理论以及第一性原理的数值模拟。其中洛伦兹振子对应的原子中的电子运动物理图像清晰,数学求解简洁而相对易于接受。然而,由于该振子的固有频率与原子跃迁的本征频率没有统一,振子的阻尼系数与电子的跃迁过程也没有关联,故无法采用洛伦兹振子模型解释实际原子的光谱特性。2015年11月本课题组提出了原子的“量子化电抗一维谐振子模型”,通过引入与电子跃迁过程相关联的量子化电抗阻尼,利用能量转换和守恒定律,对洛伦兹一维振子进行了量子化处理,进而将该振子的固有频率与实际原子的能级间跃迁的本征频率进行了统一,明确了振子的阻尼系数的物理意义应为电子跃迁过程中受到其它原子碰撞的平均碰撞频率,并进一步给出了与此物理意义相一致的阻尼系数的一种具体的数学表达式。该模型的理论模拟与氢原子的线性吸收光谱吻合较好。然而,量子化电抗一维谐振子模型尚未考虑振子强度的贡献,也未引入相应表达式;另外,该模型引入过程主要是针对氢原子,而对于类氢原子,其适用性需要通过重新表征、并将其结论与实验结果进行对比加以验证。本论文根据振子强度的物理意义,在量子化电抗一维谐振子模型中研究了能量简并度对光谱的影响;借助于量子数亏损概念,对模型用于描述类氢原子进行了重新表达,并与典型类氢原子—锂原子的若干量子态的量子亏损进行了对比;用适于类氢原子的量子化电抗一维谐振子模型进一步研究了影响机体的生物氧化分子核黄素(RBF)的线性吸收光谱。论文的主要结果如下。1.将振子强度引入到量子化电抗一维简谐振子模型中,重点研究了Bohr-Sommerfeld理论的能量简并度对模型的光谱特性的影响,结合吸收跃迁的选择定则,数值模拟了氢原子光谱。结果显示:基于Bohr-Sommerfeld理论的能量简并度作为振子强度的量子化电抗一维简谐振子模型对氢原子光谱的数值模拟与实验结果的拟合度进一步提高,并且吻合更好。2.设类氢原子的轨道满足Bohr-Sommerfeld量子化条件,其最外层电子在椭圆长轴方向、且相对于核的运动可视为量子化电抗一维简谐振子。借助于量子数亏损概念,对该振子的跃迁固有频率和阻尼系数进行了重新表达。在此基础上计算得到的原子在610.354 nm和670.776 nm处跃迁的量子数亏损与文献报道的锂的锂量子数亏损一致。理论值与参考文献的结果分别如下:理论计算值:Δ2,s=0.439,Δ2,p=0.041/0.044,Δ3,d=0.002,文献参考值:Δ2,s=0.4115,Δ2,p=0.0407,Δ3,d=0.00015.3.视形成分子的并参与跃迁的某一原子为类氢原子,根据原子(分子)线性吸收光谱的峰值波长和半峰全宽,以及单光子吸收跃迁的选择定则等条件,利用量子化电抗一维简谐振子模型,提出了一种确定原子(分子)中某一原子跃迁前、后的量子数的方法。将核黄素(RBF)分子的吸收光谱的峰值波长分别与一维谐振子的共振波长对应,通过调整量子化电抗一维谐振子的阻尼系数使其与实验光谱实现最优化拟合,由此得出与实验相符的阻尼系数。再利用量子化电抗一维简谐振子模型给出的阻尼系数及跃迁频率与原子跃迁的量子数之间的关系,确定出了核黄素分子中参与跃迁的原子跃迁前、后的主量子数和角量子数。由此给出了水中核黄素的色散及吸收等光学线性特性。上述结果说明,基于能量简并度作为振子强度中主要内容之一的量子化电抗一维简谐振子模型,在考虑到原子的量子数亏损效应后,有可能在一定精度范围内,用于解释某些实际原子或分子的线性吸收光谱。
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