氧化镁晶体高压物性的壳层模型研究

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本文对氧化镁晶体高压物性的壳层模型进行了研究。作为地球下地幔的重要组成矿物之一,氧化镁在压力高达227Gpa时都始终以岩盐结构稳定存在,研究它的高压物性对解释地幔内部地震波速的变化以及构造地球内部矿物学理论模型具有重要作用。本文在对作用势可靠性验证的基础上,利用壳层模型计算机模拟方法对氧化镁晶体的P-V-T 状态方程进行了数值计算。为了考虑氧化镁晶体中非中心力的影响,同时引入了呼吸壳层模型。温度300K时模拟的氧化镁体积压缩率和实验值基本一致,且模拟的状态方程和实验值吻合很好。在0~3500K和0~200Gpa的温度压力范围内,进一步模拟了氧化镁的状态方程,发现对于等温压缩情况、模拟体积在高温低压时受压力变化的影响很大,而等压线表明在低压时模拟体积随温度的变化很快,高压时(约100Gpa)T-V关系接近线性变化。其次利用引入壳层、呼吸壳层模型的分子动力学结合离子间相互作用势模拟了氧化镁的体积弹性模量。通过计算300 K和2000 K 时等温体积弹性模量随压缩比率和压力的变化并和能够得到的理论数据比较发现:和Stoneham-Sangster 势参数相比,利用Lewis-Catlow 经验势参数所得结果更符合Isaak 等人的从头计算结果,而呼吸壳层模型所得结果更具有压缩性。在广泛的温度压力范围内,预测了等温体积弹性模量随温度和压力的变化,结果表明等温体模量随压缩比率的增加而增加,随温度的增加逐渐减小。最后利用壳层模型分子动力学方法预测了300~3500 K和0~200 Gpa的温度压力范围内氧化镁晶体的热膨胀特性,对氧化镁晶体体积热膨胀特性随温度和压力的变化给出了规律性认识:体积热膨胀系数随压力的增加逐渐减小,在压力较低时随温度的增加而增加,压力超过50 Gpa 时,温度对热膨胀的影响很小以致可以忽略,即高压下体积热膨胀系数是温度的弱函数。以上热力学参数在凝聚态物理学的研究中具有一定的应用背景和科学意义。
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