高密度天体プラズマにおける非平衡相転移の動力学

稠密天文等离子体中非平衡相变的动力学

• 批准号: 16740313
• 负责人: 北村 光
• 金额: $ 1.54万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16740313/
• 关键词: 液体水銀; クラスター; 多体相互作用; 状態方程式; 気体-液体転移; 金属-非金属転移; 会合流体; 天体内部物質; 核生成; 極性流体; 気体-液体相転移; 水銀; 励起状態; 量子化学計算; 発光スペクトル; 相分離; 荷電粒子; 溶媒和; プラズマ

水銀の気体-液体相転移の機構を微視的な原子間相互作用に立脚して説明するため、まず、分子中二原子分子法とよばれる量子化学計算法を用いて、原子数3-7(配位数2-4.3)の水銀クラスターの伸縮振動に対するポテンシャルエネルギー曲線を計算した。その結果、多数の原子が同時に接近すると、6s,6p電子状態の混合が起こり、近距離領域で引力的な多体原子間相互作用(すなわち会合効果)が生ずることを見出した。その強さは、配位数の増大あるいは最近接原子間距離の減少とともに強くなることがわかった。さらに、配位数の大きな体心立方構造(配位数8)および面心立方構造(配位数12)の金属固体に対しても同様に多体ポテンシャルを計算したところ、-原子あたり1eV近くに達することがわかった。このようにして得られた多体ポテンシャルを含む全ポテンシャルエネルギー関数を、剛体球流体系の相関関数を用いて統計平均することによって自由エネルギーを求め、それを剛体球直径(変分パラメータ)に関して最小化する「変分会合流体理論」を構築した。この理論に基づいて、経験的パラメータを用いずに、水銀、の状態方程式や気体-液体共存線の実測データを、気体から液体金属領域にいたる広範な密度・温度にわたって精度良く再現することに初めて成功した。さらに、比熱、音速、圧力などの熱力学量を計算し、それらが実験データを良く説明することを示した。ただし、金属-非金属転移近傍では多体ポテンシャルの評価が困難であり、理論と実験の状態方程式にやや不一致が見られた。なお、この理論は、ミクロな原子間力、メゾスケールの多原子間相互作用、マクロな熱力学といった異なる階層の物理を一つの体系に包括している点に特色がある。また、きわめて一般的な定式化に基づいた理論であるため、他の液体や天体内部物質に応用できることが期待される。

为了解释基于微观原子相互作用的汞气体相过渡的机制，首先使用称为DioTomic Molecule方法的量子化学计算方法计算了原子量为3-7的汞簇振动的势能曲线。结果，发现当许多原子同时接近6s，6p电子状态时，会导致近距离区域发生有吸引力的多体原子相互作用（即，关联效应）。发现强度随着配位数的增加或减小最近的距离而增加。此外，当类似地计算出具有以人体为中心的立方结构（坐标数8）和面部以面式的立方结构（坐标数12）的金属固体相似计算的多体电位时，发现每个原子达到近1 eV。构建了一个“可变关联流体理论”，其中使用硬球体流体系统的相关函数在统计上平均，包括以这种方式获得的总势能函数，以确定自由能，并将其最小化相对于硬球直径（可变参数）。基于这一理论，这是我们第一次能够准确地重现汞状态的方程以及在不使用经验参数的情况下，从气体到液态金属区域，从气体到液体金属区域的范围广泛的密度和温度范围内，气体液体共存线的实际数据。此外，计算了热力学量，例如特定的热量，声速和压力，并表明它们可以很好地解释实验数据。但是，很难评估金属非金属过渡附近的多体潜力，并且该理论和实验方程之间存在一些差异。该理论的特征在于它能够将不同的物理层涵盖，例如微原子力，中尺度的多原子相互作用和宏观动力学，成为一个系统。此外，由于该理论基于非常一般的公式，因此可以预期它可以应用于天体内部的其他液体和材料。

项目成果

Ion-induced nucleation in polar fluids

极性流体中的离子诱导成核

• 发表时间: 2005
• 期刊: 物性研究 84巻・6号
• 作者: H.Kitamura;A.Onuki
• 通讯作者: A.Onuki

Analysis of excited mercury clusters with diatomic potential energy curves

用双原子势能曲线分析激发态汞团簇

• 发表时间: 2006
• 期刊: Chemical Physics Letters 425
• 作者: H.Yoneda;H.Morikami;K,Ueda;R.M.More;Hikaru Kitamura;Hikaru Kitamura
• 通讯作者: Hikaru Kitamura

Theoretical potential energy surfaces for excited mercury trimers

激发态汞三聚体的理论势能面

• 发表时间: 2006
• 期刊: Chemical Physics 325(2006) 325
• 作者: Isozaki;Y.;Kawahata;H.;Minoshima;K;T.D.Matsuda;Hikaru Kitamura
• 通讯作者: Hikaru Kitamura

Equation of state for expanded fluid mercury : Variational theory with many-body interaction

膨胀流体汞的状态方程：多体相互作用的变分理论

• 发表时间: 2007
• 期刊: J. Chem. Phys (in press)
• 作者: M.;Kojima;Y.;Sunatsuki;S.;Iijima;N.;Matsumoto;F.;Dahan;J.P.;Tuchagues;松本 尚英;H.Kitamura;米田仁紀;H.Kitamura;H.Kitamura
• 通讯作者: H.Kitamura

The role of attractive many-body interaction in the gas-liquid transition of mercury

吸引多体相互作用在汞气液转变中的作用

• 发表时间: 2007
• 期刊: JOURNAL OF PHYSICS : CONDENSED MATTER 19
• 作者: M.;Kojima;Y.;Sunatsuki;S.;Iijima;N.;Matsumoto;F.;Dahan;J.P.;Tuchagues;松本 尚英;H.Kitamura
• 通讯作者: H.Kitamura