堿金屬團簇碰撞動(dòng)力學(xué)研究

第17卷第5期化學(xué)物理學(xué)報Vo.17,No.52004年10月CHINESE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS20041003-7713/2004/05-543-4堿金屬團簇碰撞動(dòng)力學(xué)研究徐秀蓮*,陳紅霞,周朋霞",曾祥華a.揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,復雜性科學(xué)中心,揚州225002b,鹽城師范學(xué)院物理系,鹽城224002)摘要:采用距離相關(guān)緊密束縛的分子動(dòng)力學(xué)模型,研究了鈉原子團簇的碰撞動(dòng)力學(xué)行為.研究得出,對Na3D)十Nas系統,碰撞參數為b=Ωa。時(shí),對應于深度非彈性碰撞過(guò)程(DC),在b=13a。時(shí),則對應于準彈性碰撞過(guò)程.另外,得到碰撞過(guò)程中存在轉動(dòng),其能量大小與碰撞能量E-/n以及碰撞參數b均有關(guān)系.隨著(zhù)E/n的增大,相對轉動(dòng)減小;隨著(zhù)b的變化,轉動(dòng)能量先增大后減小.在b=7a。時(shí)轉動(dòng)最大,最大轉動(dòng)能量可達總能量的十分之關(guān)鍵詞:鈉原子團簇;緊束縛分子動(dòng)力學(xué)模型;相對轉動(dòng);深度非彈性碰撞中圖分類(lèi)號:O456文獻標識碼:AStudy on the dynamics of Sodium Cluster CollisionsXu Xiulian", Chen Hongxia.b, Zhou Pengxia, Zeng Xianghua"(a. College of Physics Science and Technology, Com plexity Science Center of Yangzhou University, Yangzhou 225002b. De partment of Physics, Yancheng Teachers College, Yancheng 224002)Abstract Within the framework of distance dependent tight-binding molecular dynamics DDtB-MD), the collision dynamics of sodium cluster Na, has been studied systematically. Some phenomena havebeen observed at different impact parameters b, such as fusion reaction, deep inelastic collision(DIC)andquasi-elastic collision, which are similar to the nuclear heavy-ion collisions (HIC). For the system of nap(3D)+Nas, the reaction mechanism at b=9ao is DIC, but when b is equal to 13ap. it corresponds to quasi-elastic collision. Furthermore the rotation processes during the collisions, are related to the collision energy and parameter. The larger collision energy is, the earlier relative rotation will occur, and the relaxationtime becomes shorter and the relative rotation energy is much smaller. There exists maximal relative rotation energy which corresponding to b=7ao. When b is smaller than 7ao, the rotation energy increases withb increasing, otherwise the energy decreases. And the maximal relative rotation energy is corresponding toDIC process. The maximal rotation energy can reach one tenth of total energy, which is much less thanthKeywords Nan, DDTB-MD, Relative rotation, DIC1引言由中子和質(zhì)子組成的原子核體系與由價(jià)電子和離子組成的堿金屬團簇體系很類(lèi)似,它們都是典型的多金屬團簇因為具有許多新奇特異的物理、化學(xué)體費體但由工閉能休系中電磁相互作用的性質(zhì),一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn),最近,人們發(fā)現長(cháng)程中國煤化為有別于原子和原子堿金屬團簇表現出典型的集體運動(dòng)模式,這是因為核體、CNMHG金屬團簇碰撞表現出Supported by the National Natural Science Foundation of China (60072032)and Foundation of the Education Commission of芳數據 of china(031B140152* Corresponding author, E-mail: xuxiulian@ sina, com Received 19 June 2003; in final form 5 December 2003544化學(xué)物理學(xué)報第17卷來(lái)了與重離子碰撞不同的現象.原子團簇碰撞的和湮滅算符;矩陣元h為通過(guò)用3s軌道做基并包研究為人們認識原子團簇的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)提供了可括3p軌道微擾的距離相關(guān)的量;p(R)、t(R)和能2.目前,包括了原子核自由度的典型理論方法有。(R)分別對應原子間距離為R時(shí)的離子離子斥兩種:一種是量子化學(xué)類(lèi)型的計算,如采用局域密力、ss和spn的轉換積分,所用參數見(jiàn)文獻[12]度近似( Local Density Approximation)LDA的Car在 DDTB- MD計算中,對初態(tài)團簇中的每一個(gè)Parinello技術(shù),但只能用于處理很小數目的原子原子,坐標空間的位置和其具有最低能量的基態(tài)位團簇;第二種如考慮了原子核自由度的 Jellium模置相同初始時(shí),入射彈團簇和碰撞靶團簇相距大約型和經(jīng)驗的 Nilsson勢模型等,往往需預先考慮40a0(此處a0=0.529A,是Bohr半徑),使兩者之些對稱(chēng)性近年來(lái),分子束、團簇束技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)間無(wú)相互作用在動(dòng)量空間,初始時(shí)給團簇一個(gè)的熱能夠進(jìn)行原子團簇之間的碰撞,于是迫切需要理論激發(fā),原子隨時(shí)間演化滿(mǎn)足牛頓方程:方法對團簇碰撞中岀現的現象給予解釋。.在d 2Born- Oppenheimer近似下,人們發(fā)展了一個(gè)距離相VER關(guān)的緊束縛分子動(dòng)力學(xué)模型( Tight-binding Molec-其中E,為 Born-Oppenheimer勢能面;m;和r分ular Dynamics) DDTB-MD6.它是一個(gè)簡(jiǎn)化的別為第i原子的質(zhì)量和坐標.作用到每個(gè)原子上的Born-Oppenheimer勢能面上的從頭計算法(abin力由 Hellmann-Feynman定理給出,即tio)MD.采用 DDTB-MD系統研究鈉原子團簇Nan的結構、熱力學(xué)和碰撞動(dòng)力學(xué)性質(zhì)0-151,計算結果在碰撞過(guò)程中,時(shí)間步長(cháng)為1fs,熱化時(shí)間取能夠很好地符合 ab initio的計算結果和實(shí)驗結果為2ps體系的總能量E、勢能E和動(dòng)能E關(guān)系在以往的團簇研究中0:,我們得到大分子團簇的形成與初始團簇的幾何構型有關(guān),與入射道參數(能量、不同的體系以及不同的碰撞參數等)相關(guān)EL=ER+E, Ek并且在碰撞過(guò)程中也觀(guān)察到了與重離子碰撞相似的n1、n2分別為彈、靶團簇的原子數目動(dòng)能E4由相反應機制.本工作將繼續研究團簇碰撞過(guò)程的動(dòng)力對動(dòng)能E和熱能E1組成:學(xué)的行為,通過(guò)跟蹤各體系碰撞過(guò)程中的空間結構,Er= Ere+e討論碰撞過(guò)程中轉動(dòng)的行為,以及由轉動(dòng)引起的能erl=1量耗散現象.這方面深入的討論并不多見(jiàn).對NaPi)存在平面結構的Dh(2D),勢能為-3.311eV,和空定義團簇之間相對轉動(dòng)能量為間結構的C(3D),勢能為-3.349eV.我們討論的是結構較為穩定的Na6(3D)、Na兩團簇之間的碰Em=Em彈+E吧=21+2l撞這里J彈、J粑、Ⅰ彈、l粑分別是彈、靶團簇的角動(dòng)量和轉動(dòng)慣量,它們分別定義為2模型J×J靶在計算團簇的動(dòng)力學(xué)過(guò)程中,要確定團簇的Born-Oppenheimer勢能面,它是通過(guò)距離相關(guān)的緊mr:, I束縛的單電子哈密頓量本征值的和來(lái)確定的,即3結果與分析3.1反應機制對碰撞參數的依賴(lài)關(guān)系hi= h o)+h(2)中國煤化工原子碰撞能量En/n0(Ra)-t2(R)CNMH(果表明,團簇間發(fā)生相0+h2互作用的時(shí)間為2.7ps,相互作用使彈靶團簇體系-t,(R,))t(r)t(RikRR發(fā)生形變,該形變能使團簇發(fā)生轉動(dòng),體系激發(fā)能增ERr大.在轉動(dòng)過(guò)程中不同的原子所獲得的能量不同,部其中,a和種教癆別為s軌道上i基和j基的產(chǎn)生分轉動(dòng)能量高的原子處于較高的激發(fā)態(tài)很容易被發(fā)第5期徐秀蓮等:堿金屬團簇碰撞動(dòng)力學(xué)研究545射,使體系的能量降低并被束縛在團簇的位壘中,成隨時(shí)間的變化關(guān)系圖.在此,我們用E。/E來(lái)描述為一個(gè)穩定的復合體系.這種將初始動(dòng)能轉變成復相對轉動(dòng).圖2b描述的是該體系在Epo/n=1eV合體系的內部激發(fā)能,高激發(fā)的復合體系通過(guò)發(fā)射b分別為0a。、9a、13a0時(shí)轉動(dòng)能量E隨時(shí)間的單聚體(或二聚體)而衰變的能量耗散過(guò)程,與重離變化.從圖2可以看出轉動(dòng)主要發(fā)生在碰撞階段,碰子碰撞中的DC反應機制相似.圖1a是相對動(dòng)能、撞前及平衡后轉動(dòng)均很小幾乎可以忽略.且Es/n動(dòng)能以及熱能隨時(shí)間的變化關(guān)系.可以看岀初始的越大轉動(dòng)發(fā)生得越早,但持續的時(shí)間以及相對轉動(dòng)集體能量大部分轉化為系統的內部激發(fā)能,這種過(guò)卻越小.由此,我們可以知道轉動(dòng)主要是由彈、靶團程說(shuō)明了DlC的存在.當b=13a。時(shí),由于碰撞參數簇間的相互作用引起的,碰撞過(guò)程中彈、靶團簇靠得增大,彈、靶團簇中的原子幾乎沒(méi)有參與直接相互作較近,相互作用較大,團簇的各原子所受作用力不均用,而且由于初始的能量較大,這種相互作用只改變等,且彈、靶團簇所受作用力不在一直線(xiàn)上,從而產(chǎn)了團簇的形狀,隨著(zhù)時(shí)間的弛豫各自成為獨立的團簇,碰撞為準彈性碰撞.如圖1b所示,熱激發(fā)能改變r(jià)c=2 ev/n很小,團簇主要以初始的集體速度運動(dòng)pro =1.5 eV02至23000Time/fs4000Time/fs0250200.150.1000060006o008000Time/fs圖2a.Em/Epm隨時(shí)間的變化;隨時(shí)間的變化圖1動(dòng)能、相對動(dòng)能、熱能隨時(shí)間的變化Fig. 1 Changes of Et, Erel, Eth with the timeb. Changes of Erot with the time生了力矩,最終引起了轉動(dòng).碰撞前、碰撞后,彈、靶3.2團簇碰撞過(guò)程中的轉動(dòng)團簇相距較遠,勢場(chǎng)作用很小,幾乎不會(huì )引起轉動(dòng).在碰撞的初始時(shí)刻,我們給靶團簇隨機地扭轉個(gè)角度以保證其碰撞的隨機性,同時(shí)去除彈、靶團E大提地早可以解釋為Emn/n越簇的轉動(dòng)能量,這樣保證彈、靶團簇在沒(méi)有轉動(dòng)的情大時(shí)彈、靶團簇相互靠近得越?jīng)r下碰撞,但是隨著(zhù)碰撞的進(jìn)一步深入,彈、靶團簇CNMHG時(shí)相對運動(dòng)速度越快,彈、靶團簇靠近過(guò)后背離得也越快,所以持續的時(shí)間間發(fā)生了相對轉動(dòng),該轉動(dòng)在深度非彈性碰撞中尤反而短至于E/n越大相對轉動(dòng)卻越小,這是因為突出.圖2a是碰撞體系Na(3D)+Nas在b=為,E/n越大,越過(guò)勢壘的能力越強,勢場(chǎng)的相對9a,E萬(wàn)5、1.0cV時(shí)相對轉動(dòng)能影響就越小,勢場(chǎng)引起的相對轉動(dòng)也就越小546化學(xué)物理學(xué)報第17卷從圖2b我們看出,b對轉動(dòng)能量E的大小也統,碰撞參數b為Ωaσ對應DIC(深度非彈性碰撞),有很大的影響為進(jìn)一步討論E對b的依賴(lài)關(guān)系,為13a。則對應準彈性碰撞;在碰撞過(guò)程會(huì )產(chǎn)生了較圖3給出了碰撞體系Na(3D)十Na8在不同碰撞參大的轉動(dòng),該轉動(dòng)與碰撞能量E/n以及碰撞參數數b下最大轉動(dòng)能量的結果.中心碰撞時(shí),彈、靶體b有關(guān).隨著(zhù)E。/n的增大,相對轉動(dòng)發(fā)生得越早但系的相互作用較強,初始運動(dòng)的能量大部分轉化為是持續時(shí)間以及相對轉動(dòng)能量越來(lái)越小.隨著(zhù)b的熱能,轉動(dòng)很小.隨著(zhù)b的增大,參與直接相互作用變化,轉動(dòng)能量先增大后又減小,在b=7a。的DIC的Na原子數減小,彈、靶團簇中原子受力不均勻,中轉動(dòng)能量達到最大值,稱(chēng)b=7a。為極值碰撞參參與作用的區域產(chǎn)生很大的集體流,為保持體系的數.此時(shí),轉動(dòng)能量大約為總能量的十分之一,這要平衡,出現較大的轉動(dòng).在b=7a。時(shí),轉動(dòng)達最大,比HIC過(guò)程中的轉動(dòng)小得多最大轉動(dòng)能可達總動(dòng)能的十分之一.而隨著(zhù)的繼續參考文獻增大,兩者之間的重疊部分逐漸變小,參與作用的粒子數減少,相互作用時(shí)間變短且作用強度減弱,集體1] Zhang Wenxian(張文獻), Liu lei(劉磊), Li Yufen(李流也減小,彈、靶主要以各自的初始速度運動(dòng),導致郁芬),etal.Chin.J.Atom.Mol.Phys.(原子分子物理轉動(dòng)越來(lái)越弱.由此得到,轉動(dòng)集體流從近中心到周學(xué)報),1999,4:592邊碰撞先増大后減小,最后在非常周邊碰撞處消失[2] Zhang Fengshou(張豐收), Ge lingxiao(葛凌霄也就是說(shuō),中心碰撞時(shí)相對轉動(dòng)能量并不是最大;存Nuclear Physics Review, 1998, 15: 38在一個(gè)極值碰撞參數(bn=7a);小于bn時(shí),隨著(zhù)b3] Zhang Fengshou(張豐收), Ge lingxiao(葛凌霄).Nuclear Multi-fragmentation(原子核多重碎裂), Beijing增加,相對轉動(dòng)變強,轉動(dòng)能量也增大;大于b時(shí),(北京): Science press(科學(xué)出版社),1998.10轉動(dòng)能量隨b的增加迅速地減小,到最后幾乎沒(méi)有41 Hortig g, Muller M.z.Phy、,1969,21:11相對轉動(dòng),因為在b很大時(shí),彈、靶團簇間的相互作5 Li Quan(李權), Lu hong(盧紅), Wang hongyan(王用已經(jīng)很微弱了紅艷),etal.Chin.J.Chem.Phys.(化學(xué)物理學(xué)報)2003,16:996 Kroto H W, Heath JR, O'Brien SC, Curl R F, Small04[7] Iijima S. Nature,1991,354:56[ 8]Tenne R, Margulis L, Genut M, Hodes G. Nature0.061992,360:444[9] Margulis L, Salitra G, Tenne R, Talianker M. Nature1993,365:113[10] Xu Xiulian(徐秀蓮), Zeng xianghua(曾祥華),WangFeng(王鋒),etal. Acta Phys.Sin.(物理學(xué)報)24681012142002,51:31[1] Zeng xianghua(曾祥華), Xu Xiulian(徐秀蓮),WangFeng(王鋒),etal. Acta Phys.-Chim.Sin.(物理化學(xué)圖3(a)、(b)圖分別是最大轉動(dòng)能量以及最大轉動(dòng)能量學(xué)報),2002,18:2與對應時(shí)刻總動(dòng)能的比值隨b的變化[12 Zhang FS, Suraud E, Spiegelman F, et al. Z. Phys.Fig 3 The changes with the collision parameter b1995,D35:131(a)Maximal rotational energy; (b) The ratio of[13] Zhang F S, Spiegelman F, Suraud E, et al. Physmaximal rotational energy to total kinetic energy中國煤化工[14]F. et al. ch4結論CNMHG[15] Zhang Fengshou(張豐收), Ge lingxiao(葛凌霄)采用距離相關(guān)緊密束縛的分子動(dòng)力學(xué)模型,研Chin.J.Aom.Mol.Phys.(原子分子物理學(xué)報),究鈉原子團簇的碰撞動(dòng)力學(xué)一些性質(zhì).我們發(fā)現:碰1997,14:583撞反應機隨參數有關(guān)對Na(3D)+Na系