温稠密乙烷等流体物性的第一性原理分子动力学研究

【摘要】：温稠密物质广泛存在于凝聚态物理、等离子体物理、天体物理等诸多基础研究领域和以惯性约束聚变为代表的应用装置设计研究中。温稠密物质的热物理性质对地幔物质的演化、惯性约束聚变、某些行星内部结构、超新星爆炸、高压条件新材料和炸药爆轰等研究中具有重要意义和应用价值。温稠密物质是高度瞬变的多体无序体系,研究中需涉及到强耦合、电子简并、强电离体系的多体量子效应等多种重要基本物理机制。本文采用基于有限温度密度泛函理论的第一性原理分子动力学方法模拟计算了温稠密物质的热物理性质,具体内容包括以下几个方面： 一、研究了温稠密一氧化碳(CO)流体体系沿着冲击压缩Hugoniot曲线上的热力学及电光学性质。对比模拟的冲击压缩Hogoniot状态方程与已有的理论和实验数据,表明了采用量子分子动力学方法计算的可靠性。通过分析冲击下体系的对关联函数分布、原子结构和电荷密度分布,给出了冲击压强下流体体系的化学分解图像。根据Kubo-Greenwood公式,计算了沿着冲击压缩Hugoniot曲线上体系的电学及光学性质,特别是在40GPa时,发现了体系的非金属-金属转变。 二、研究了极端条件下乙烷(C2H4)流体的状态方程和非金属-金属转变。由体系沿着等温线不同密度对应的对关联函数分布、光电能谱、原子结构和电荷密度分布,验证了乙烷体系非金属-金属转变与乙烷分子的化学分解过程的紧密关系。随着温度、压强增加,体系发生了化学分解形成分子或原子形式的氢和一些长烷烃链。然而在高压强乙烷的分解过程中并没有观察到金刚石结构碳形成。 三、计算了在极端情况下氮-氧流体体系的热物理性质。通过分析氮的氧化物(NO、N20和N02)流体体系及氮气+氧气混合流体体系的状态方程,验证了体系的Hugoniot点与初始密度、初始温度和初始分子结构状态的关系。利用Kubo-Greenwood公式,计算了氮的氧化物体系的电学及光学性质。详细分析氮的氧化物流体体系的对关联函数分布、原子结构和电荷密度分布,证实了体系分子的化学分解过程与体系非金属-金属转变之间的密切关系。 四、计算了扩展态铁流体体系的热物理性质。研究了铁在密度为常态密度的1/2-1/7范围内电学性质的变化。由铁的电阻随内能的变化关系判定在体积比φ=3-4时,体系发生了金属-非金属转变。分析系统的光电能谱、电荷密度分布及运用Drude-Smith模型拟合系统的动态电导,发现随着密度减小,系统的导电电子局域性逐渐增强,从微观上解释了电学性质的变化。 【关键词】：温稠密物质 第一性原理分子动力学 状态方程 非金属-金属转变
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O414.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 温稠密物质的研究背景及意义10-13
• 1.2 温稠密物质物性研究的实验技术及进展13-16
• 1.2.1 静态加压技术及进展14-15
• 1.2.2 动态加压技术及进展15-16
• 1.3 温稠密物质物性研究的理论研究及进展16-18
• 1.4 选题意义及论文安排18-20
• 第二章 第一性原理分子动力学方法的物理基础和软件介绍20-38
• 2.1 密度泛函理论21-27
• 2.1.1 密度泛函理论的物理基础21-26
• 2.1.2 有限温度密度泛函理论26-27
• 2.2 赝势和基函数27-28
• 2.3 第一性原理分子动力学28-32
• 2.3.1 Born-Oppenheimer分子动力学28-29
• 2.3.2 Car-Parrinello分子动力学29-30
• 2.3.3 系综与控温方法30-32
• 2.4 软件简介32-34
• 2.5 本文计算材料物性的方法34-37
• 2.5.1 状态方程34-35
• 2.5.2 径向分布函数35-36
• 2.5.3 电导系数与光学反射系数36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第三章 温稠密一氧化碳流体热力学性质的模拟计算38-50
• 3.1 引言38-40
• 3.2 计算方法40-42
• 3.3 一次冲击压缩Hugoniot状态方程42-43
• 3.4 一氧化碳流体体系沿着Hugoniot曲线的对关联函数分布43-45
• 3.5 极端情况下一氧化碳流体的电光学性质45-48
• 3.6 本章小结48-50
• 第四章 温稠密乙烷流体热力学性质的模拟计算50-63
• 4.1 前言50-53
• 4.2 计算方法53-54
• 4.3 烷流体系统的等温状态方程54-56
• 4.4 极端情况下乙烷流体体系的化学分解图像56-58
• 4.5 烷分子流体的电学和光学特性58-62
• 4.6 本章小结62-63
• 第五章 温稠密氮-氧体系热物理性质的模拟计算63-81
• 5.1 引言63-66
• 5.2 计算方法66-67
• 5.3 氮-氧体系的物态方程67-72
• 5.4 氮的氧化物流体体系的电光学特性72-79
• 5.5 本章小结79-81
• 第六章 扩展态铁的热力学性质的量子分子动力学模拟计算81-93
• 6.1 引言81-83
• 6.2 计算方法83-84
• 6.3 扩展态铁流体的状态方程84-87
• 6.4 扩展态铁流体的电学性质87-89
• 6.5 分析与讨论结果89-91
• 6.6 本章小结91-93
• 第七章 总结93-95
• 参考文献95-111
• 在读期间完成论文情况111-112
• 致谢112-113
• 个人简历113

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