強(qiáng)場下氫分子離子的解離動力學(xué)及其含時(shí)理論研究.pdf

1、分子反應(yīng)動力學(xué)(Molecular Reaction Dynamics)是前沿的化學(xué)物理研究領(lǐng)域.它應(yīng)用了先進(jìn)的現(xiàn)代物理化學(xué)分析方法,是從原子、分子層次出發(fā)研究不同狀態(tài)下和不同分子體系中單分子的基元化學(xué)反應(yīng)的微觀動態(tài)、反應(yīng)過程和反應(yīng)機(jī)理的科學(xué).分子反應(yīng)動力學(xué)不僅可以闡明分子反應(yīng)過程中各種瞬態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和作用,還能以態(tài)-態(tài)反應(yīng)動力學(xué),以及對分子相干態(tài)之間的作用的深入研究來闡明化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在規(guī)律.作為物理化學(xué)的重要方法之一,含時(shí)波包方

2、法在研究強(qiáng)激光場中分子振動激發(fā)和分子電離時(shí)已被證明是一種行之有效的方法,其理論框架在分子物理及場與物質(zhì)相互作用等多方面都得到了廣泛應(yīng)用.含時(shí)波包方法具有許多優(yōu)點(diǎn),它既能進(jìn)行高效的數(shù)值計(jì)算,還為動力學(xué)提供了物理意義明確而直觀的圖像,它既具有經(jīng)典的直觀,又不乏量子力學(xué)的準(zhǔn)確.另外,含時(shí)量子波包方法尤其適用于研究體系隨時(shí)間演化的問題.
　　近年來隨著激光技術(shù)的發(fā)展,高精度、高分辨的實(shí)驗(yàn)技術(shù)在分子反應(yīng)動力學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,獲得了許多

3、非常重要的研究成果.利用超短激光脈沖控制電子和核的運(yùn)動一直是物理和化學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)有趣而熱門的研究課題.求解原子和雙原子分子等這類兩體問題,使用基于求解含時(shí)薛定諤方程的量子波包方法能夠詳細(xì)地描述系統(tǒng)的時(shí)變動力學(xué)過程,因此它被廣泛地應(yīng)用于分子反應(yīng)動力學(xué)研究中.強(qiáng)場下雙原子分子解離動力學(xué)的研究不僅對處理大分子的強(qiáng)場效應(yīng)有借鑒作用,還對理解和實(shí)施原子與分子過程的激光操控具有重要的理論和實(shí)踐意義.
　　本文運(yùn)用含時(shí)波包理論,利用傅立葉格點(diǎn)法

4、(FGH)求解初始時(shí)刻薛定諤方程,劈裂算符方法傳播波函數(shù).以氫分子離子為研究對象,計(jì)算了其在強(qiáng)場下的解離幾率和庫侖爆炸幾率,并進(jìn)一步研究了場強(qiáng)、波長等因素對解離幾率、庫侖爆炸幾率的影響.人們發(fā)現(xiàn)稀有氣體在強(qiáng)激光場作用下會產(chǎn)生高次諧波,最近又發(fā)現(xiàn)在分子氣體中也有這種現(xiàn)象.本文計(jì)算了氫分子離子在與激光作用過程中產(chǎn)生的高次諧波譜,并進(jìn)一步研究了振動量子數(shù)對高次諧波譜的影響.主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作:
　　(1)介紹與本工作有關(guān)的波包

5、動力學(xué)基礎(chǔ)理論.首先給出波包的基本概念以及在動力學(xué)中的應(yīng)用,然后以雙原子分子為例展示了如何求解體系對應(yīng)特定條件哈密頓量的含時(shí)薛定諤方程,提供了從求解耦合薛定諤方程到得出波包動力學(xué)信息的數(shù)值工具.波包動力學(xué)的這些一般的理論同飛秒時(shí)間分子物理和分子化學(xué)聯(lián)系起來了.
　　(2)利用傅立葉格點(diǎn)-哈密頓方法求解了含時(shí)薛定諤方程,得到基態(tài)束縛態(tài)的初始波函數(shù),進(jìn)而利用激光脈沖作用得到相應(yīng)激發(fā)態(tài)波包.利用劈裂算符-傅立葉變換方法演化波包,從而實(shí)現(xiàn)

6、波包的傳播,得到任意時(shí)刻波函數(shù).
　　(3)計(jì)算在強(qiáng)激光場下氫分子離子的解離幾率和庫侖爆炸幾率,并進(jìn)一步研究了激光參數(shù)對離解幾率的影響.研究發(fā)現(xiàn),增加激光波長,其頻率降低,遠(yuǎn)離共振區(qū),從而導(dǎo)致躍遷到解離態(tài)的H2+數(shù)目減少,H2+的庫侖爆炸通道發(fā)生的幾率、解離通道發(fā)生的幾率隨之降低;增強(qiáng)激光強(qiáng)度,能把更多的H2+從束縛態(tài)激發(fā)到解離態(tài),從而導(dǎo)致躍遷到解離態(tài)的H2+數(shù)目增加,體系中未發(fā)生解離的H數(shù)目相應(yīng)減少,H2+的庫侖爆炸通道發(fā)生的幾

7、率、解離通道發(fā)生的幾率隨之增加.所得的結(jié)論不僅有助于理解強(qiáng)場下分子的動力學(xué)行為,而且對實(shí)現(xiàn)激光控制化學(xué)鍵的斷裂也有重要意義.
　　(4)計(jì)算了飛秒激光場中H2+的高次諧波譜.研究表明,在強(qiáng)場中H2+的高次諧波譜基本具有“下降—平臺—截止”的結(jié)構(gòu),平臺區(qū)的高次諧波的強(qiáng)度隨著振動量子數(shù)的增大而增強(qiáng).之所以出現(xiàn)這個(gè)規(guī)律是因?yàn)檎駝恿孔訑?shù)增加,導(dǎo)致體系的電離勢逐漸降低從而使得高次諧波的強(qiáng)度增加.增加激光強(qiáng)度,也可增加高次諧波的強(qiáng)度,因?yàn)檩^強(qiáng)

8、的激光場能打開能級間隙,電子的隧穿電離和與母核的復(fù)合更容易發(fā)生,從而使得高次諧波的強(qiáng)度增加.
　　第一章為緒論,主要從總體上介紹了分子反應(yīng)動力學(xué)和含時(shí)波包法的發(fā)展,高次諧波產(chǎn)生的基本理論;第二章介紹了含時(shí)波包動力學(xué)基本理論和計(jì)算方法;第三章計(jì)算了在飛秒激光場下氫分子離子的解離幾率和庫侖爆炸幾率,進(jìn)一步計(jì)算了激光波長、強(qiáng)度等激光參數(shù)對離解幾率的影響,并且對發(fā)現(xiàn)的規(guī)律給出合理的理論解釋;第四章研究了飛秒激光場中H2+的高次諧波譜,發(fā)現(xiàn)