Развитие квантовых и классических методов расчета димерного и столкновительно-индуцированного поглощения для описания континуальных спектров атмосферных молекулдипломная работа (Специалист)
Аннотация:Исследование механизмов молекулярного поглощения в микроволновой и инфракрасной областях спектра представляет большой интерес для целого ряда атмосферных и астрофизических
приложений. В случае плотных газовых атмосфер поглощение излучения во многом связано с
эффектами межмолекулярного взаимодействия, приводящего к индукции дипольного момента
в результате парных столкновений или образования стабильных ван-дер-ваальсовских димеров.
Квантово-механический расчет спектров молекулярных пар с учетом анизотропии потенциала
взаимодействия представляет большие вычислительные трудности и возможен в настоящее время
лишь для очень ограниченного круга молекулярных систем. Нами развивается альтернативный
подход, основанный на использовании метода классических траекторий. Его результаты
хорошо согласуются с данными экспериментальных наблюдений и имеющимися в литературе
результатами квантовых расчетов, при этом подход значительно проще в вычислительном плане
и позволяет моделировать спектры более сложных молекулярных систем. Целью настоящей
работы является дальнейшее развитие методов моделирования столкновительно-индуцированных
спектров с использованием формализма классической механики и статистической физики, а
также исследование границ применимости этих методов к слабосвязанным комплексам.
Дипломная работа состоит из трех основных частей. Первая часть посвящена развитию
классических методов статистической физики применительно к слабосвязанным системам
и сравнению полученных результатов с квантовомеханическими. Показано, что, используя
лагранжиан для произвольной молекулярной системы, можно выполнить преобразование
фазового интеграла к конфигурационному, не прибегая к формальной детализации вида
гамильтониана. Кроме того использование лагранжиана позволяет построить численную схему
генерации начальных условий для траекторного расчета спектров. Для выяснения границ
применимости и анализа точности используемых нами классических методов статистической
физики, проведено детальное сравнение рассчитанных нами квантовых и классических сумм по
связанным состояниям для трех модельных систем: двухатомной молекулы, Ar-HCl и Ar-CO2.
Построена система примеров, моделирующих и объясняющих наблюдаемые регулярные отличия
квантовых и классических статсумм, не исчезающие в пределе высоких температур.
Вторая часть дипломной работы посвящена спектральным моментам – интегральным
характеристикам спектров столкновительно-индуцированного поглощения. Они могут быть рассчитаны двумя путями: интегрированием коэффициента поглощения как функции частоты, либо
вычислением статистических средних в фазовом пространстве. Нами развита вычислительная
методика, позволяющая рассчитывать второй спектральный момент как среднее в фазовом
пространстве путем интегрирования методом Монте-Карло при известных потенциальной и
дипольной поверхностях. На примере системы N2-N2 произведено сравнение рассчитанных
из первых принципов температурных зависимостей нулевого и второго моментов с данными,
извлеченными из экспериментальных спектров столкновительно-индуцированного поглощения.
Третья часть работы посвящена применению квантовомеханических методов к расчету
связанных состояний слабосвязанных комплексов. Путем решения системы дифференциальных
уравнений связанных каналов найдены энергии и волновые функции связанных состояний
систем Ar-HCl и Ar-CO2. Расчеты проведены как с учетом кориолисова взаимодействия – то
есть взаимодействия вращения комплекса как целого с внутренним вращением мономера в
комплексе – так и без его учета. Проанализирована возможность вычисления вклада кориолисова
взаимодействия упрощенным способом в рамках теории возмущений.
Исследования, представленные в дипломной работе, выполнялись в рамках проектов РФФИ
18-55-16006 и 18-05-00119. Часть полученных результатов докладывалась на международных
конференциях и опубликована в Journal of Chemical Physics.