电子碰撞N2振动激发及冰毒太赫兹谱的理论模拟

摘要

第一性原理计算是物理学研究中的重要手段，通过与实验数据进行对比，能够对物理特性进行分析和预测，在科学研究中起着越来越重要的作用。
　　氮气是基础研究中最常用的工作介质，因而对其物理特性的深入理解，如对分子势能曲线、光谱常数以及电子碰撞反应截面的研究在大气物理、化学物理、气体放电等领域中有着重要的意义。本论文第一部分基于量子力学第一性原理，使用相似函数方法，首次对氮分子的低能态间，即a-a'，a-w，B-B'，B-W间的电子碰撞振动激发截面进行了理论计算，获得了精确的电子碰撞振动激发及辐射截面，这类计算已经成为物理化学反应过程的主要研究课题之一。为了精确计算出截面数据，使用完全活化空间自洽场方法(CASSCF)在aug-cc-pVqZ基组下计算了氮分子低能态，包括基态、三个三重态以及五个单重态的势能曲线以及它们之间的跃迁偶极矩，并以此数据来计算电子碰撞激发截面。相比于已有的理论计算结果，新得到的光谱常数，如解离能De、平衡核间距Re及谐振频率ωe，具有更高的精度，与实验数据符合的更好。这些工作不仅为氮气等离子体的实验诊断研究提供了参考，而且对电子与氮分子碰撞激发截面数据库补充了新的数据。
　　论文第二部分，利用分子动力学，使用偶极矩的时间偏导自相关函数方法研究了冰毒的太赫兹时域谱(THz-TDS)。计算结果和实验数据进行了对比，得到了很好的一致性，由此表明所发展的计算方法在预测冰毒的太赫兹谱是可行且可靠的。同时，研究了温度78～400K以及压强1～100atm环境条件下冰毒THz-TDS的特性，结果表明THz-TDS的光谱在不同温度下变化非常大，而在不同压强下变化不显著，THz-TDS出现的特征谱峰的消失、再现以及位移是由于外界条件变化而造成的非谐性、振动能级的变化、氢键的成键、破键以及势能表面的变形等复杂的动力学过程造成的。我们的模拟结果有助于深入理解复杂的冰毒样品的太赫兹谱，同时，为建立完备的毒品太赫兹特征谱的检测数据库提供了有益参考。