Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634655)
Контекстум
.
Оптика атмосферы и океана

Оптика атмосферы и океана №1 2008 (154,00 руб.)

0   0
Страниц89
ID200471
АннотацияЖурнал посвящен проблемам атмосферной оптики, включая спектроскопию, турбулентность, нелинейные явления в атмосфере и океане. Кроме того, к основным направлениям журнала относятся дистанционное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности с космических, наземных, судовых и самолетных станций; исследования, связанные с климатом и экологией, а также созданием, испытанием и применением приборов и методов для таких исследований, включая обработку получаемой информации (обратные задачи, передача изображений, адаптивная оптика, лазеры, лидары.
Оптика атмосферы и океана : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2008 .— №1 .— 89 с. — URL: https://rucont.ru/efd/200471 (дата обращения: 23.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

М.А. Булдаков , В.Н. Черепанов , Н.С. Нагорнова Функции динамической поляризуемости молекул LiH и Li2 1 Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск 2 Томский государственный университет Поступила в редакцию 3.07.2007 г. Предложено аналитическое описание тензора динамической электронной поляризуемости ii(R, ) двухатомных молекул LiH и Li2 как функций их межъядерного расстояния R и частоты внешнего электромагнитного поля . <...> Описание базируется на оценках верхних и нижних границ ii(R, ), которые рассчитываются с помощью известных функций статической поляризуемости молекулы ii(R, 0), конечного числа энергий возбужденных электронных состояний молекулы Em(R) и моментов электродипольных переходов (di)0m(R). <...> Введение Электронная поляризуемость двухатомной молекулы представляет собой тензор второго ранга, который имеет две независимые компоненты zz(R, ) и xx(R, ) = yy(R, ), каждая из них задает поверхность в координатах межъядерного расстояния R и частоты внешнего электромагнитного поля (ось z декартовой системы координат совпадает с осью молекулы). <...> Функции поляризуемости молекулы LiH [4] рассчитаны ab initio методом в диапазоне 2,0 R 12,0 а.е. для статического поля и двух частот = 0,0147 и 0,0294 а.е., но точность этих расчетов заметно ниже, чем для молекулы водорода. <...> Целью данной работы является получение поверхностей поляризуемости zz(R, ) и xx(R, ) = yy(R, ) молекул LiH и Li2 в основном электронном состоянии. <...> Аналитическое представление функций динамической поляризуемости Квантово-механическое выражение для динамической электронной поляризуемости двухатомной молекулы в основном электронном состоянии представляется в виде (а.е.) <...> Хотя выражение (1) является формально корректным для любой частоты (вдали от резонанса), оно малопригодно для расчетов динамической поляризуемости молекулы из-за бесконечного числа слагаемых. <...> Тем не менее это выражение можно использовать для расчета верхних и нижних границ функций динамической <...>
Оптика_атмосферы_и_океана_№1_2008.pdf
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 21, ¹ 1 (2008) СПЕКТРОСКОПИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ УДК 539.194 Ì.À. Áóëäàêîâ1, Â.Í. ×åðåïàíîâ2, Í.Ñ. Нагорнова2 Функции динамической поляризуемости молекул LiH и Li2 1 Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск 2 Томский государственный университет Поступила в редакцию 3.07.2007 ã. Предложено аналитическое описание тензора динамической электронной поляризуемости αii(R, ω) двухатомных молекул LiH и Li2 как функций их межъядерного расстояния R и частоты внешнего электромагнитного поля ω. Описание базируется на оценках верхних и нижних границ αii(R, ω), которые рассчитываются с помощью известных функций статической поляризуемости молекулы αii(R, 0), конечного числа энергий возбужденных электронных состояний молекулы Em(R) и моментов электродипольных переходов (di)0m(R). Введение Электронная поляризуемость двухатомной молекулы представляет собой тензор второго ранга, который имеет две независимые компоненты αzz(R, ω) и αxx(R, ω) = αyy(R, ω), каждая из них задает поверхность в координатах межъядерного расстояния R и частоты внешнего электромагнитного поля ω (ось z декартовой системы координат совпадает с осью молекулы). В настоящее время наиболее полно поверхности поляризуемости рассчитаны для молекулы водорода [1, 2]. В работе [1] проведен расчет поляризуемости молекулы H2 в диапазоне межъядерных расстояний 0,6 ≤ R ≤ 10,0 à.å. для ряда частот ω = 0,07200; 0,15351; 0,19785; 0,23538; 0,25000; 0,30000 à.å. на основе специального высокоточного ab initio метода [3], использующего волновые функции Джеймса–Кулиджа. В работе [2] предложен метод, позволяющий в аналитическом виде описывать поверхности поляризуемости двухатомной молекулы, и с высокой точностью проведены расчеты αii(R, ω) молекулы водорода в интервале изменений R ∈ [0, ∞) и на частотах ω ≤ 0,6 à.å. Из других работ, в которых представлены поляризуемости αii(R, ω) в широком диапазоне изменений R и ω, следует отметить расчеты поверхностей поляризуемости молекул LiH [4] и N2 [5]. Функции поляризуемости молекулы LiH [4] рассчитаны ab initio методом в диапазоне 2,0 ≤ R ≤ 12,0 à.å. для статического поля и двух частот ω = 0,0147 и 0,0294 à.å., но точность этих расчетов заметно ниже, чем для молекулы водорода. В работе [5] приведено аналитическое описание поверхностей поляризуемости молекулы N2, однако использованные в этой работе приближения дают заметно завышенную оценку функций αii(R, ω), при этом частотная область ее определения ограничена частотой первого разрешенного электродипольного электронного перехода. Наряду с этими работами имеется ряд ab initio расчетов (ñì., íàïðèìåð, [6–14]), в которых представлены лишь небольшие участки поверхностей поляризуемости различных двухатомных молекул в окрестности их равновесных положений Re и достаточно широком диапазоне частот. Целью данной работы является получение поверхностей поляризуемости αzz(R, ω) и αxx(R, ω) = αyy(R, ω) молекул LiH и Li2 в основном электронном состоянии. Для расчета поверхностей поляризуемости использован метод, предложенный нами в работе [2], который позволяет получить функции αzz(R, ω) и αxx(R, ω) = αyy(R, ω) в аналитическом âèäå. 1. Аналитическое представление функций динамической поляризуемости Квантово-механическое выражение для динамической электронной поляризуемости двухатомной молекулы в основном электронном состоянии представляется в виде (à.å.) αω = 0 ii(, ) 2∑ m 0  ω R ≠ ER E R  () – ( ) – mim 00 2 ER E R d R m () – ( ) ( ) ( ) 2 2 , (1) где (di)0m(R) – i-ÿ компонента дипольного момента перехода между основным и возбужденными электронными состояниями с энергиями E0(R) и Em(R), а суммирование проводится по бесконечному числу возбужденных состояний, включая и состояния непрерывного спектра (здесь и далее под энергиями E0(R) и Em(R) понимается чисто электронная ýíåðãèÿ, в которую не включена потенциальная энергия отталкивания ядер молекулы). Хотя выражение (1) является формально корректным для любой частоты ω (вдали от резонанса), оно малопригодно для расчетов динамической поляризуемости молекулы из-за бесконечного числа слагаемых. Тем не менее это выражение можно использовать для расчета верхних и нижних границ функций динамической поляризуемости αii(R, ω) двухатомной молекулы, зная лишь ее функции статической поляризуемости αii(R, 0), а также конечное число электронных энергий Em(R) и моментов переходов (di)0m(R) [2]. Функции динамической поляризуемости молекул LiH и Li2 5
Стр.1
Пусть нам известны функции αii(R, 0) и E0(R) для основного электронного состояния и функции Em(R) и (di)0m(R) для k нижних возбужденных электронных состояний молекулы. Тогда выражение (1) можно представить в виде αω = ii(, ) 2 R 2. () () () () +  − −−ω mk m ∑ [Em(R) – E0(R)]2/{[Em(R) – E0(R)]2 – ω2} во втором слагаемом выражения (2) монотонно убывает по аби αmin Для задания верхней и нижней границ αmax ii (R, ω) воспользуемся òåì, что множитель солютной величине с ростом m для частот, удовлетворяющих условию ω < Ek+1(R) – E0(R). На основании этого выражения для верхней и нижней границ поляризуемости можно записать в виде [2]: αω= ii (, ) 2 R 22 max 00 ∑ и αω = ii (, ) 2 R 22 min 00 ∑ +  ER  −ω   0() () 2 m m() () () ( ER 1 0  m 0 22 00 2 2. () ( ) mk mE RE R ∑ =+1 ( ) () − 0 Процедуру суммирования по бесконечному числу возбужденных состояний (включая состояния непрерывного спектра) во вторых слагаемых в выражениях (3) и (4) можно избежать, используя квантово-механическое выражение для статической поляризуемости молекулы [ñì. выражение (1)]: α= + − ii(,0) 2 R + ∑ ii (, ) ( ,0) max ii +  − −−ω 2– () ( m m ∑ 6 1 k dR E R − E R ) = ER E R ER E R  ( ) ( im – ) 0 0    ER E R +   2   −−ω k+1 ER E R 0 () () k 1() () 2 − 0  m() () 2 22 00  m() () αω = α 0 RR ER E R ER E R    () ( ) k  k+1 −−ω +1() ( ) 2 − 0 2 2 2 + 2 i k dR) m m() ( ∑ () ( im 0 = ER E R) 2 1 2. () () mk m =+1ER E R () ( − im 0 dR) 0 0 (5) С учетом (5) выражения (3) и (4) могут быть переписаны в виде 2 k dR E Rm() ()E R 2 = ER E R ER E R − ) ( ) ( )  + im − −−ω dim R 2 (4) +  0  ω−− −() ()  mk m ER E R + k 1() ( ) 2 − 0 ER E R k+1() () =+1  ()0 () 2 2 ∑ ER E R m m() ( ) () ( 2 1 0  m 0 m dRi 0 2 (3) k dR E Rm() (E R) 2 = ER E R ER E R − ) ( ) () im  + − −−ω 2 1 =+ ER E R ER E R − im 0 m 0 m m() (  ( ) () dR E Rm() ()E R  ∑ = ER E R ER E R − im 1 0 m 0 2 22 00 2 22 00 − −−ω) () () 2 и αω  ER ii (, ) = α ( ,0) RR ii k dR E Rm() ()E R ×−  ( ) ( )  + 2    E R ER ER   −−ω − ω    () ( ) m( ) () − 00 22 m 00  (2) ii (R, ω) ± αω− αii 2 max где α – ii (, ) E R ER ER  () () 22 22 (7)  , в которых суммы с бесконечным верхним пределом устранены. Сама же функция динамической поляризуемости двухатомной молекулы может быть представлена как RR RR=αω ± ∆αω (8) ( ,ω) αω = min ii(, ) ii(, ) ii( , ), ii(R, ω) – оценочная функция динамической поляризуемости αii(R, ω); ∆αii(R, ω) – погрешность определения функции αii(R, ω), вносимая рассматриваемым ìåòîäîì. Выражения (6)–(8) корректно описывают функцию αii(R, ω) в области частот до ωk+1 = Ek+1(R) – E0(R). Î÷åâèäíî, что при k → ∞ функция α – ∆αii(R, ω) – к íóëþ. Отметим òàêæå, что ∆αii(R, ω) равна нулю при ω = 0, поскольку αmax = αmin ii (R, 0) = αii(R, 0), и монотонно возрастает с увеличением ω (ω < ωk+1). Динамическая поляризуемость αii(R, ω) может быть также представлена в виде дисперсионного разложения Коши, которое корректно описывает частотную зависимость поляризуемости в длинноволновой области спектра. В этом случае функции α – и ∆αii(R, ω) могут быть записаны в виде (2 2) −− αω = nn n=0 ii(, ) RS R ∞ ∆α ω = ∆ nn (2 2) n=0 ii(, ) и погрешностью определения n-го коэффициента Коши и зависят от межъядерного расстояния молекулы. Эти функции имеют следующий вид: где Si R и ∆Si −− SR Rα (,0) 2 (2 2) n i () ×+ + −   +∑ () ( )  0  k dR) m m 1 = ER E R ER E R   2    () ( + () ()  im − +  0 –, () () (6) ∆= ii  (2n 2) −− Булдаков М.А., Черепанов В.Н., Нагорнова Н.С. SR R dR ER E R   k   ()   () 2() −  α (,0) −∑ m m = 1 im 0 Ek R ER ER   () ( 1 00 11 − 22nn (11) −   ) 2 0(  )   Ч Ek R ER ER  2 1 00 11 m() ( − 0 nn ( ) ) 2n – =× 22 ii (2 2)()n RS R ∞ ∑ ∑ −− −− i (2 2)()n R ( ) , ω 2 (10) являются оценкой −− i ( ) , ω 2 ii(R, ω) (9) ii(R, ω) стремится к αii(R, ω), а погрешность ii (R, ω) = R RR αω+ α max ii (, ) 2 min ii ( ,ω) ±  −ω   0() ER () 22 min 00 2 2 + 2∑ER E R k 1 m m() () = ( ) () − dim R 0 Ч
Стр.2
 ×−  nn  −      () Ek R ER ER  + () ( −− ) коэффициентов Коши ∆S i ëþ, а сама оценка (2 2)()n i SR ∑() 2 −− (2n 2) i = 1 00 11 . 22 (12) Очевидно, что при k → ∞ погрешность оценки (–2n–2)(R) стремится к íóSR стремится к хорошо известному выражению для коэффициентов Коши: () m m() (   ER E R) dR 0 0 i m() − 2 21 n+ при произвольном межъядерном расстоянии R. 2. Результаты расчета Изложенный выше метод применен для построения функций динамической поляризуемости молекул LiH и Li2, находящихся в основных электронных состояниях 1∑+ и 1∑g +. Матричные элементы дипольного момента для компонент тензора поляризуемости αzz(R, ω) и αxx(R, ω) ≡ αyy(R, ω) определяют для них различные правила отбора по Λ, где Λ – собственное значение проекции орбитального момента электронов на ось молекулы. Так, для компоненты тензора поляризуемости αzz(R, ω) возбужденные электронные состояния Em(R), в которые разрешены переходы, определяются правилом отбора ∆Λ = 0 (1∑+ → 1∑+, α, à.å. 400 2 300 αzz 200 100 αõõ 0 24 6 a αõõ, à.å. 30 35 40 45 50 0 а – данная ðàáîòà; б – ab initio расчет [4] (1 – ω = 0; 2 – ω = 0,0147 à.å.; 3 – ω = 0,0294 à.å.); â, г – данная работа (ñïëîøíûå линии – αmax Ðèñ. 1. Функции поляризуемости αxx(R, ω) и αzz(R, ω), верхние и нижние границы αmax ii (Re, ω), штриховые – αmin 0,02 0,04 0,06 0,08 в ii (Re, ω) и αmin ii (Re, ω) молекулы LiH: Функции динамической поляризуемости молекул LiH и Li2 7 ii (Re, ω), кружки – ab initio расчет [19]) ω, à.å. 30 40 50 60 70 80 90 0 8 R, à.å. 0 24 6 8 б αzz, à.å. R, à.å. 1 2 3 1 100 αõõ 300 αzz 200 1 2 3 1 3 400 2 (13) g → u), а для компонент αxx(R, ω) ≡ αyy(R, ω) – правилом отбора ∆Λ = 1 (1∑+ → 1Π, g → u). Молекула LiH Компоненты тензора поляризуемости αii(R, ω) молекулы LiH рассчитывались с использованием численных значений возбужденных электронных уровней энергии Em(R) (по два нижних уровня симметрии 1∑+ и 1Π) из работы [15] (çà вычетом электростатической энергии отталкивания ядер Z1Z2/R). Недостающие значения электронных уровней энергии в области малых межъядерных расстояний (R < 1,8 à.å. для возбужденных состояний 1Π и R < 2 à.å. для возбужденных состояний 1∑+) были доопределены интерполяцией с помощью кубического сплайна к соответствующим состояниям объединенного атома Be [16]. Значения дипольных моментов переходов (di)0m(R) в эти состояния рассчитаны в работе [17] и для R < 1,75 а.е. доопределены нами аналогичным образом до значений дипольных моментов переходов между соответствующими состояниями атома Be. Функции Em(R) и (di)0m(R), а также функции статической поляризуемости αii(R, 0) из работы [18] были использованы далее для расчетов верхних и нижних границ функций динамической поляризуемости αii(R, ω) и ее оценочной функции α – α, à.å. 3 ii(R, ω) основного состояния молекулы LiH (см. выражения (6)–(8) с k = 2). На ðèñ. 1 представлены рассчитанные 0,02 0,04 0,06 0,08 г ω, à.å.
Стр.3