基于结构计算的分子动力学参数和共振态研究

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随着先进光源技术进步,原子分子物理实验和理论研究都取得了快速发展。例如,基于第三代同步辐射技术发展的X射线散射方法,可以精确测量出原子动力学参数;利用自由电子激光技术,可以在飞秒甚至更快的时间尺度上对原子分子动力学过程进行调控。前者可以提供精确的形状因子平方(Squared Form Factor,SFF),该参数可以很好地表征原子分子基态和激发态波函数在不同空间尺度区域的行为;后者可以用于研究原子分子亚稳态的动力学行为,并且新发现了诸如原子间库伦衰变(interatomic coloumb decay,ICD)这种有趣的现象。原则上,一阶Born近似下原子分子动力学参数的计算精度,仅仅取决于结构计算的精度。以往的实验证明,X射线和原子体系(He、Ne、Ar)的散射中,一阶Born近似成立。然而对于X射线和分子体系的散射,一阶Born近似的成立情况尚不清楚。同时,基于玻恩-奥本海默近似计算的分子结构精度,也有待进一步的检验。因此,有必要开展X射线和分子的散射实验,以及相关的理论计算,来验证一阶Born近似的成立性,并评估分子结构计算方法的精确度。对于共振态,由于其波函数具有一定的局域特性,可以采用一些特殊手段,利用束缚态计算方法进行研究。分子结构的计算方法众多,在本文中采用基于变分原理的"多参考单双激发的组态相互作用方法(multi-reference single and double excitation configuration interaction,MRSDCI/MRCI)"来计算束缚态的结构,并将该方法拓展至复数区域,结合复坐标旋转方法(complex coordinate rotation method,CRM)以及复吸收势法(complex absorption potential,CAP),用于原子分子的共振态以及ICD态的计算。本论文的具体工作如下:(1)采用MRCI方法计算了 H2以及N2的电子态结构,并结合一阶Born近似计算了相应的弹性以及非弹性的动力学结构参数,同时采用非弹性X射线散射方法测量了 N2在12-13.3eV激发能区振动分辨的动力学参数。对于简单的体系H2,非相对论的渐进能量计算精度很高,且动力学参数的计算结果和X射线散射实验结果符合很好。对于较复杂的体系N2,动力学参数的计算结果和实验结果也符合很好,同时发现对于部分态,中能和高能电子能量损失谱方法未能达到一阶Born近似。以上结果成功证实了 X射线和分子体系散射中一阶Born近似的成立性,拓展了X射线散射方法作为实验基准数据的评估范围。另一方面,H2动力学参数的计算结果和X射线散射实验结果的差异似乎较为反常,其背后可能有值得考虑的物理机制;(2)发展了计算一维分子振转共振态的CRM/CAP+DVR方法,可以精确计算双原子分子振转亚稳态的共振能级和自解离速率。利用该方法计算了 Cu2和LiH-分子的振转自解离态,对于CU2-的解离速率,采用CRM+DVR方法计算的结果和使用WKB近似计算的结果差别了近一个数量级,说明WKB近似对于大质量的粒子并不适用。LiH-共振能级和宽度的计算结果和分子轨道强耦合方法(QMOCC)的计算结果符合很好,两种方法互相验证了可靠性,而本文的CAP+DVR方法同时还可以辅助标注各个共振峰对应的振转态的量子数;(3)成功实现以CRM+MRCI方法计算原子分子Feshbach共振态。通过计算Nq+(q=2-5)离子的k壳层空穴态的共振参数,摸索出合适的基组选择方法,得出了 28个共振Auger态的能级和宽度数据,计算结果与其他理论和实验值符合很好,并验证了与自旋相关的Auger速率关系。成功计算了He2+的ICD态宽度,相对于其他方法,本文的CRM+MRCI方法采用更小的基组和计算量,获得精度相当的计算结果。
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