碱金属团簇碰撞动力学研究

第17卷第5期化学物理学报Vo.17,No.52004年10月CHINESE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS20041003-7713/2004/05-543-4碱金属团簇碰撞动力学研究徐秀莲*,陈红霞,周朋霞",曾祥华a.扬州大学物理科学与技术学院,复杂性科学中心,扬州225002b,盐城师范学院物理系,盐城224002)摘要:采用距离相关紧密束缚的分子动力学模型,研究了钠原子团簇的碰撞动力学行为.研究得出,对Na3D)十Nas系统,碰撞参数为b=Ωa。时,对应于深度非弹性碰撞过程(DC),在b=13a。时,则对应于准弹性碰撞过程.另外,得到碰撞过程中存在转动,其能量大小与碰撞能量E-/n以及碰撞参数b均有关系.随着E/n的增大,相对转动减小;随着b的变化,转动能量先增大后减小.在b=7a。时转动最大,最大转动能量可达总能量的十分之关键词:钠原子团簇;紧束缚分子动力学模型;相对转动;深度非弹性碰撞中图分类号:O456文献标识码: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引言由中子和质子组成的原子核体系与由价电子和离子组成的碱金属团簇体系很类似,它们都是典型的多金属团簇因为具有许多新奇特异的物理、化学体费体但由工闭能休系中电磁相互作用的性质,一直是人们关注的热点,最近,人们发现长程中国煤化为有别于原子和原子碱金属团簇表现出典型的集体运动模式,这是因为核体、CNMHG金属团簇碰撞表现出Supported by the National Natural Science Foundation of China (60072032)and Foundation of the Education Commission of芳数据 of china(031B140152* Corresponding author, E-mail: xuxiulian@ sina, com Received 19 June 2003; in final form 5 December 2003544化学物理学报第17卷来了与重离子碰撞不同的现象.原子团簇碰撞的和湮灭算符;矩阵元h为通过用3s轨道做基并包研究为人们认识原子团簇的动力学性质提供了可括3p轨道微扰的距离相关的量;p(R)、t(R)和能2.目前,包括了原子核自由度的典型理论方法有。(R)分别对应原子间距离为R时的离子离子斥两种:一种是量子化学类型的计算,如采用局域密力、ss和spn的转换积分,所用参数见文献[12]度近似( Local Density Approximation)LDA的Car在 DDTB- MD计算中,对初态团簇中的每一个Parinello技术,但只能用于处理很小数目的原子原子,坐标空间的位置和其具有最低能量的基态位团簇;第二种如考虑了原子核自由度的 Jellium模置相同初始时,入射弹团簇和碰撞靶团簇相距大约型和经验的 Nilsson势模型等,往往需预先考虑40a0(此处a0=0.529A,是Bohr半径),使两者之些对称性近年来,分子束、团簇束技术的发展已经间无相互作用在动量空间,初始时给团簇一个的热能够进行原子团簇之间的碰撞,于是迫切需要理论激发,原子随时间演化满足牛顿方程:方法对团簇碰撞中岀现的现象给予解释。.在d 2Born- Oppenheimer近似下,人们发展了一个距离相VER关的紧束缚分子动力学模型( Tight-binding Molec-其中E,为 Born-Oppenheimer势能面;m;和r分ular Dynamics) DDTB-MD6.它是一个简化的别为第i原子的质量和坐标.作用到每个原子上的Born-Oppenheimer势能面上的从头计算法(abin力由 Hellmann-Feynman定理给出,即tio)MD.采用 DDTB-MD系统研究钠原子团簇Nan的结构、热力学和碰撞动力学性质0-151,计算结果在碰撞过程中,时间步长为1fs,热化时间取能够很好地符合 ab initio的计算结果和实验结果为2ps体系的总能量E、势能E和动能E关系在以往的团簇研究中0:,我们得到大分子团簇的形成与初始团簇的几何构型有关,与入射道参数(能量、不同的体系以及不同的碰撞参数等)相关EL=ER+E, Ek并且在碰撞过程中也观察到了与重离子碰撞相似的n1、n2分别为弹、靶团簇的原子数目动能E4由相反应机制.本工作将继续研究团簇碰撞过程的动力对动能E和热能E1组成:学的行为,通过跟踪各体系碰撞过程中的空间结构,Er= Ere+e讨论碰撞过程中转动的行为,以及由转动引起的能erl=1量耗散现象.这方面深入的讨论并不多见.对NaPi)存在平面结构的Dh(2D),势能为-3.311eV,和空定义团簇之间相对转动能量为间结构的C(3D),势能为-3.349eV.我们讨论的是结构较为稳定的Na6(3D)、Na两团簇之间的碰Em=Em弹+E吧=21+2l撞这里J弹、J粑、Ⅰ弹、l粑分别是弹、靶团簇的角动量和转动惯量,它们分别定义为2模型J×J靶在计算团簇的动力学过程中,要确定团簇的Born-Oppenheimer势能面,它是通过距离相关的紧mr:, I束缚的单电子哈密顿量本征值的和来确定的,即3结果与分析3.1反应机制对碰撞参数的依赖关系hi= h o)+h(2)中国煤化工原子碰撞能量En/n0(Ra)-t2(R)CNMH(果表明,团簇间发生相0+h2互作用的时间为2.7ps,相互作用使弹靶团簇体系-t,(R,))t(r)t(RikRR发生形变,该形变能使团簇发生转动,体系激发能增ERr大.在转动过程中不同的原子所获得的能量不同,部其中,a和种教癆别为s轨道上i基和j基的产生分转动能量高的原子处于较高的激发态很容易被发第5期徐秀莲等:碱金属团簇碰撞动力学研究545射,使体系的能量降低并被束缚在团簇的位垒中,成随时间的变化关系图.在此,我们用E。/E来描述为一个稳定的复合体系.这种将初始动能转变成复相对转动.图2b描述的是该体系在Epo/n=1eV合体系的内部激发能,高激发的复合体系通过发射b分别为0a。、9a、13a0时转动能量E随时间的单聚体(或二聚体)而衰变的能量耗散过程,与重离变化.从图2可以看出转动主要发生在碰撞阶段,碰子碰撞中的DC反应机制相似.图1a是相对动能、撞前及平衡后转动均很小几乎可以忽略.且Es/n动能以及热能随时间的变化关系.可以看岀初始的越大转动发生得越早,但持续的时间以及相对转动集体能量大部分转化为系统的內部激发能,这种过却越小.由此,我们可以知道转动主要是由弹、靶团程说明了DlC的存在.当b=13a。时,由于碰撞参数簇间的相互作用引起的,碰撞过程中弹、靶团簇靠得增大,弹、靶团簇中的原子几乎没有参与直接相互作较近,相互作用较大,团簇的各原子所受作用力不均用,而且由于初始的能量较大,这种相互作用只改变等,且弹、靶团簇所受作用力不在一直线上,从而产了团簇的形状,随着时间的弛豫各自成为独立的团簇,碰撞为准弹性碰撞.如图1b所示,热激发能改变rc=2 ev/n很小,团簇主要以初始的集体速度运动pro =1.5 eV02至23000Time/fs4000Time/fs0250200.150.1000060006o008000Time/fs图2a.Em/Epm随时间的变化;随时间的变化图1动能、相对动能、热能随时间的变化Fig. 1 Changes of Et, Erel, Eth with the timeb. Changes of Erot with the time生了力矩,最终引起了转动.碰撞前、碰撞后,弹、靶3.2团簇碰撞过程中的转动团簇相距较远,势场作用很小,几乎不会引起转动.在碰撞的初始时刻,我们给靶团簇随机地扭转个角度以保证其碰撞的随机性,同时去除弹、靶团E大提地早可以解释为Emn/n越簇的转动能量,这样保证弹、靶团簇在没有转动的情大时弹、靶团簇相互靠近得越况下碰撞,但是随着碰撞的进一步深入,弹、靶团簇CNMHG时相对运动速度越快,弹、靶团簇靠近过后背离得也越快,所以持续的时间间发生了相对转动,该转动在深度非弹性碰撞中尤反而短至于E/n越大相对转动却越小,这是因为突出.图2a是碰撞体系Na(3D)+Nas在b=为,E/n越大,越过势垒的能力越强,势场的相对9a,E万5、1.0cV时相对转动能影响就越小,势场引起的相对转动也就越小546化学物理学报第17卷从图2b我们看出,b对转动能量E的大小也统,碰撞参数b为Ωaσ对应DIC(深度非弹性碰撞),有很大的影响为进一步讨论E对b的依赖关系,为13a。则对应准弹性碰撞;在碰撞过程会产生了较图3给出了碰撞体系Na(3D)十Na8在不同碰撞参大的转动,该转动与碰撞能量E/n以及碰撞参数数b下最大转动能量的结果.中心碰撞时,弹、靶体b有关.随着E。/n的增大,相对转动发生得越早但系的相互作用较强,初始运动的能量大部分转化为是持续时间以及相对转动能量越来越小.随着b的热能,转动很小.随着b的增大,参与直接相互作用变化,转动能量先增大后又减小,在b=7a。的DIC的Na原子数减小,弹、靶团簇中原子受力不均匀,中转动能量达到最大值,称b=7a。为极值碰撞参参与作用的区域产生很大的集体流,为保持体系的数.此时,转动能量大约为总能量的十分之一,这要平衡,出现较大的转动.在b=7a。时,转动达最大,比HIC过程中的转动小得多最大转动能可达总动能的十分之一.而随着的继续参考文献增大,两者之间的重叠部分逐渐变小,参与作用的粒子数减少,相互作用时间变短且作用强度减弱,集体1] Zhang Wenxian(张文献), Liu lei(刘磊), Li Yufen(李流也减小,弹、靶主要以各自的初始速度运动,导致郁芬),etal.Chin.J.Atom.Mol.Phys.(原子分子物理转动越来越弱.由此得到,转动集体流从近中心到周学报),1999,4:592边碰撞先増大后减小,最后在非常周边碰撞处消失[2] Zhang Fengshou(张丰收), Ge lingxiao(葛凌霄也就是说,中心碰撞时相对转动能量并不是最大;存Nuclear Physics Review, 1998, 15: 38在一个极值碰撞参数(bn=7a);小于bn时,随着b3] Zhang Fengshou(张丰收), Ge lingxiao(葛凌霄).Nuclear Multi-fragmentation(原子核多重碎裂), Beijing增加,相对转动变强,转动能量也增大;大于b时,(北京): Science press(科学出版社),1998.10转动能量随b的增加迅速地减小,到最后几乎没有41 Hortig g, Muller M.z.Phy、,1969,21:11相对转动,因为在b很大时,弹、靶团簇间的相互作5 Li Quan(李权), Lu hong(卢红), Wang hongyan(王用已经很微弱了红艳),etal.Chin.J.Chem.Phys.(化学物理学报)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(徐秀莲), Zeng xianghua(曾祥华),WangFeng(王锋),etal. Acta Phys.Sin.(物理学报)24681012142002,51:31[1] Zeng xianghua(曾祥华), Xu Xiulian(徐秀莲),WangFeng(王锋),etal. Acta Phys.-Chim.Sin.(物理化学图3(a)、(b)图分别是最大转动能量以及最大转动能量学报),2002,18:2与对应时刻总动能的比值随b的变化[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中国煤化工[14]F. et al. ch4结论CNMHG[15] Zhang Fengshou(张丰收), Ge lingxiao(葛凌霄)采用距离相关紧密束缚的分子动力学模型,研Chin.J.Aom.Mol.Phys.(原子分子物理学报),究钠原子团簇的碰撞动力学一些性质.我们发现:碰1997,14:583撞反应机随参数有关对Na(3D)+Na系