【摘要】：溫?zé)岢砻芪镔|(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)問(wèn)題是高能量密度物理研究的前沿和熱點(diǎn)課題,是研究天體物理、行星內(nèi)部、慣性約束聚變的物理基礎(chǔ),對(duì)極端條件下材料的設(shè)計(jì)有重要的意義。溫稠密物質(zhì)是指密度在固體密度附近,溫度在幾個(gè)電子伏到幾十個(gè)電子伏之間(費(fèi)米溫度附近)。同樣,熱稠密物質(zhì)是指密度在固體密度附近,溫度在幾百個(gè)電子伏到幾千個(gè)電子伏之間。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,人們可以在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生溫?zé)岢砻芪镔|(zhì)。這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái),主要包括以美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置為代表的大型激光設(shè)備,X射線自由激光器,以及氫氣炮沖擊壓縮平臺(tái)等,實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生溫?zé)岢砻芪镔|(zhì)的技術(shù)日漸成熟。由于物質(zhì)溫度較高,動(dòng)力學(xué)過(guò)程快,傳統(tǒng)的光學(xué)診斷方法不能很好地診斷出物質(zhì)的狀態(tài)及動(dòng)力學(xué)性質(zhì),當(dāng)前,發(fā)展最快的是利用X射線湯姆孫散射技術(shù)診斷溫?zé)岢砻芪镔|(zhì)狀態(tài)。理論上,由于溫?zé)岢砻芪镔|(zhì)密度較高,跨越了弱耦合和強(qiáng)耦合區(qū)間,現(xiàn)有很多理論模型的適用性需要驗(yàn)證,同時(shí),電子也包含了部分簡(jiǎn)并和強(qiáng)簡(jiǎn)并區(qū)域,因此量子效應(yīng)的影響也需要考慮。特別是電子離子溫度弛豫過(guò)程,現(xiàn)有的理論模型跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差很大。這給研究溫?zé)岢砻芪镔|(zhì)性質(zhì)帶來(lái)了重大的挑戰(zhàn)。首先,本文利用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法研究了稠密氫中電子離子能量弛豫過(guò)程,離子溫度固定在10 eV,電子溫度從20 eV到200 eV,電子數(shù)密度從1.0×10~(22)cm~(-3)到1.0×10~244 cm~(-3),在此條件下,電子處于全電離情況下。為了解決分子動(dòng)力學(xué)中“庫(kù)侖災(zāi)難”問(wèn)題,我們引入了兩種勢(shì)函數(shù),一種是HM勢(shì)函數(shù),一種是截?cái)嗟膸?kù)侖勢(shì)函數(shù)。通過(guò)與現(xiàn)有理論模型的對(duì)比顯示,經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)結(jié)果能夠很好地與現(xiàn)有的理論模型符合,同時(shí),我們研究了電子的交換效應(yīng)對(duì)弛豫過(guò)程的影響,結(jié)果顯示電子的交換作用使電子離子弛豫過(guò)程變慢,并且只有當(dāng)耦合參數(shù)Γ0.6時(shí),電子的交換效應(yīng)才明顯。接著,為了深入理解溫度弛豫過(guò)程中電子的量子效應(yīng)和離子的強(qiáng)耦合作用的影響,我們引入了電子力場(chǎng)方法(electron force field method)。本質(zhì)上,電子力場(chǎng)方法是一種波包動(dòng)力學(xué)方法,離子用點(diǎn)電荷表示,電子用高斯波包表示,其中包含電子質(zhì)心的平動(dòng)和徑向的振動(dòng)。另外,動(dòng)力學(xué)方程是通過(guò)把高斯波包帶入薛定諤方程中得到的。這樣就可以自洽地考慮分子的解離、電離、以及電子的激發(fā)和復(fù)合,而不需要人為地定義哪些電子是自由的,哪些電子是束縛的。本文利用電子力場(chǎng)方法繼續(xù)研究了稠密氫中能量弛豫問(wèn)題,結(jié)果顯示,電子離子能量弛豫速率遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的理論模型以及經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法,這跟現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。本文對(duì)比了電子力場(chǎng)方法和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法的平衡態(tài)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散系數(shù)以及平均自由程,深入分析了導(dǎo)致弛豫速率變慢的原因。結(jié)果表明,電子的簡(jiǎn)并、非局域化、量子散射以及與稠密環(huán)境的耦合共同導(dǎo)致電子離子溫度弛豫速率變慢。最后,本文利用電子力場(chǎng)方法對(duì)溫?zé)岢砻軞涞妮斶\(yùn)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)Green-Kubo公式計(jì)算電子的電導(dǎo)和熱導(dǎo)。對(duì)于熱稠密區(qū)域,由于溫度比較高,電子波包會(huì)彌散,并且電子溫度在費(fèi)米溫度以上,體系處于非簡(jiǎn)并區(qū)域,我們利用控制波包的方法,不讓電子波包振蕩,并且通過(guò)選取合適的波包大小,結(jié)果能夠很好地與經(jīng)典模型符合。同時(shí)我們考慮了離子間的碰撞對(duì)電子輸運(yùn)性質(zhì)的影響。結(jié)果顯示,離子的碰撞使電子的電導(dǎo)變小。
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TL632

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