溫稠密乙烷等流體物性的第一性原理分子動力學研究

【摘要】：溫稠密物質廣泛存在于凝聚態(tài)物理、等離子體物理、天體物理等諸多基礎研究領域和以慣性約束聚變?yōu)榇淼膽醚b置設計研究中。溫稠密物質的熱物理性質對地幔物質的演化、慣性約束聚變、某些行星內部結構、超新星爆炸、高壓條件新材料和炸藥爆轟等研究中具有重要意義和應用價值。溫稠密物質是高度瞬變的多體無序體系,研究中需涉及到強耦合、電子簡并、強電離體系的多體量子效應等多種重要基本物理機制。本文采用基于有限溫度密度泛函理論的第一性原理分子動力學方法模擬計算了溫稠密物質的熱物理性質,具體內容包括以下幾個方面： 一、研究了溫稠密一氧化碳(CO)流體體系沿著沖擊壓縮Hugoniot曲線上的熱力學及電光學性質。對比模擬的沖擊壓縮Hogoniot狀態(tài)方程與已有的理論和實驗數(shù)據(jù),表明了采用量子分子動力學方法計算的可靠性。通過分析沖擊下體系的對關聯(lián)函數(shù)分布、原子結構和電荷密度分布,給出了沖擊壓強下流體體系的化學分解圖像。根據(jù)Kubo-Greenwood公式,計算了沿著沖擊壓縮Hugoniot曲線上體系的電學及光學性質,特別是在40GPa時,發(fā)現(xiàn)了體系的非金屬-金屬轉變。 二、研究了極端條件下乙烷(C2H4)流體的狀態(tài)方程和非金屬-金屬轉變。由體系沿著等溫線不同密度對應的對關聯(lián)函數(shù)分布、光電能譜、原子結構和電荷密度分布,驗證了乙烷體系非金屬-金屬轉變與乙烷分子的化學分解過程的緊密關系。隨著溫度、壓強增加,體系發(fā)生了化學分解形成分子或原子形式的氫和一些長烷烴鏈。然而在高壓強乙烷的分解過程中并沒有觀察到金剛石結構碳形成。 三、計算了在極端情況下氮-氧流體體系的熱物理性質。通過分析氮的氧化物(NO、N20和N02)流體體系及氮氣+氧氣混合流體體系的狀態(tài)方程,驗證了體系的Hugoniot點與初始密度、初始溫度和初始分子結構狀態(tài)的關系。利用Kubo-Greenwood公式,計算了氮的氧化物體系的電學及光學性質。詳細分析氮的氧化物流體體系的對關聯(lián)函數(shù)分布、原子結構和電荷密度分布,證實了體系分子的化學分解過程與體系非金屬-金屬轉變之間的密切關系。 四、計算了擴展態(tài)鐵流體體系的熱物理性質。研究了鐵在密度為常態(tài)密度的1/2-1/7范圍內電學性質的變化。由鐵的電阻隨內能的變化關系判定在體積比φ=3-4時,體系發(fā)生了金屬-非金屬轉變。分析系統(tǒng)的光電能譜、電荷密度分布及運用Drude-Smith模型擬合系統(tǒng)的動態(tài)電導,發(fā)現(xiàn)隨著密度減小,系統(tǒng)的導電電子局域性逐漸增強,從微觀上解釋了電學性質的變化。 【關鍵詞】：溫稠密物質 第一性原理分子動力學 狀態(tài)方程 非金屬-金屬轉變
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：O414.1
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 目錄7-10
• 第一章 緒論10-20
• 1.1 溫稠密物質的研究背景及意義10-13
• 1.2 溫稠密物質物性研究的實驗技術及進展13-16
• 1.2.1 靜態(tài)加壓技術及進展14-15
• 1.2.2 動態(tài)加壓技術及進展15-16
• 1.3 溫稠密物質物性研究的理論研究及進展16-18
• 1.4 選題意義及論文安排18-20
• 第二章 第一性原理分子動力學方法的物理基礎和軟件介紹20-38
• 2.1 密度泛函理論21-27
• 2.1.1 密度泛函理論的物理基礎21-26
• 2.1.2 有限溫度密度泛函理論26-27
• 2.2 贗勢和基函數(shù)27-28
• 2.3 第一性原理分子動力學28-32
• 2.3.1 Born-Oppenheimer分子動力學28-29
• 2.3.2 Car-Parrinello分子動力學29-30
• 2.3.3 系綜與控溫方法30-32
• 2.4 軟件簡介32-34
• 2.5 本文計算材料物性的方法34-37
• 2.5.1 狀態(tài)方程34-35
• 2.5.2 徑向分布函數(shù)35-36
• 2.5.3 電導系數(shù)與光學反射系數(shù)36-37
• 2.6 本章小結37-38
• 第三章 溫稠密一氧化碳流體熱力學性質的模擬計算38-50
• 3.1 引言38-40
• 3.2 計算方法40-42
• 3.3 一次沖擊壓縮Hugoniot狀態(tài)方程42-43
• 3.4 一氧化碳流體體系沿著Hugoniot曲線的對關聯(lián)函數(shù)分布43-45
• 3.5 極端情況下一氧化碳流體的電光學性質45-48
• 3.6 本章小結48-50
• 第四章 溫稠密乙烷流體熱力學性質的模擬計算50-63
• 4.1 前言50-53
• 4.2 計算方法53-54
• 4.3 烷流體系統(tǒng)的等溫狀態(tài)方程54-56
• 4.4 極端情況下乙烷流體體系的化學分解圖像56-58
• 4.5 烷分子流體的電學和光學特性58-62
• 4.6 本章小結62-63
• 第五章 溫稠密氮-氧體系熱物理性質的模擬計算63-81
• 5.1 引言63-66
• 5.2 計算方法66-67
• 5.3 氮-氧體系的物態(tài)方程67-72
• 5.4 氮的氧化物流體體系的電光學特性72-79
• 5.5 本章小結79-81
• 第六章 擴展態(tài)鐵的熱力學性質的量子分子動力學模擬計算81-93
• 6.1 引言81-83
• 6.2 計算方法83-84
• 6.3 擴展態(tài)鐵流體的狀態(tài)方程84-87
• 6.4 擴展態(tài)鐵流體的電學性質87-89
• 6.5 分析與討論結果89-91
• 6.6 本章小結91-93
• 第七章 總結93-95
• 參考文獻95-111
• 在讀期間完成論文情況111-112
• 致謝112-113
• 個人簡歷113

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