Метастабильные димеры метана в столкновениях с атомами инертных газов: исследование методом классических траекторий

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Образование столкновительных комплексов, также называемых квазикомплексами (QC), метастабильными димерами или резонансами Фешбаха, исследовано для систем CH4–He, Ne, Ar методом классических траекторий. В расчетах использовались точные 3D классические уравнения Гамильтона в переменных действие–угол и точные неэмпирические поверхности потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия. Выбор параметров столкновений проводился методом Монте-Карло. Выполнен статистический анализ параметров QC, образующихся в столкновениях. Показано, что QC могут быть как короткоживущими, так и долгоживущими и характеризуются разнообразием межчастичных расстояний. Среди общего числа столкновений доля QC быстро растет с понижением температуры. Приводятся формулы, выявляющие вклад QC в сечения вращательной RT-релаксации CН4. Показано, что в рассмотренных смесях метана RT-релаксация в столкновениях с образованием QC оказывается гораздо более эффективной, чем в обычных неупругих соударениях.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. В. Иванов

Институт фотонных технологий, Федерального Научно- Исследовательского Центр «Кристаллография и фотоника» Российской Академии Наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: serg.ivanov.home@mail.ru
Россия, Москва (Троицк)

Список литературы

  1. Никитин Е.Е. Теория элементарных атомно-молекулярных процессов в газах. М.: Химия, 1970.
  2. Levine R.D., Bernstein R.B. Molecular reaction dynamics. Oxford (Engl.) Clarendon Press; NY: Oxford University Press, 1974.
  3. Heicklen J. Atmospheric chemistry. New York: Academic Press, 1976.
  4. Bradley J.N. Flame and combustion phenomena. London: Chapman and Hall, 1972; https://www.eolss.net/sample-chapters/c09/e4-14-03-01.pdf
  5. Watson W.D. // Acc. Chem. Res. 1977. V. 10. № 6. P. 221.
  6. Hirschfelder J.O., Curtiss Ch.F., Bird R.B. Molecular theory of gases and liquids. New York: Wiley and Sons. London: Chapman and Hall, 1954.
  7. Weakly Interacting Molecular Pairs: Unconventional Absorbers of Radiation in the Atmosphere. Proc conf., Dordrecht, Springer: 2003. P. 23; https://doi.org/10.1007/978-94-010-0025-3
  8. Vigasin A.A. // Chem. Phys. Lett. 1985. V. 117. № 1. P. 85; https://doi.org/10.1016/0009-2614(85)80410-3
  9. Molecular complexes in Earth’s, planetary, cometary, and interstellar atmospheres. Eds. Vigasin A.A., Slanina Z., Singapore: World Scientific Publ, 1998, P. 60.
  10. Ivanov S.V. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2016. V. 177. P. 269; https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2016.01.034
  11. Иванов С.В. // Оптика и спектроскопия. 2022. T. 130. № 12. С. 1778; https://10.21883/OS.2022.12.54081.4144-22
  12. Nesbitt D.J. // Chem. Rev. 2012. V. 112. № 9. P. 5062.
  13. Flatin D.C., Goyette T.M., Beaky M.M. et al. // J. Chem. Phys. 1999. V. 110. № 4. P. 2087.
  14. Billing G.D. // Chem. Phys. 1980. V. 50. № 2. P. 165; https://doi.org/10.1016/0301-0104(80)87036-4
  15. Cacciatore M., Billing G.D. // Ibid. 1981. V. 58. № 3. P. 395; https://doi.org/10.1016/0301-0104(81)80074-2
  16. Kurnosov A., Cacciatore M., Napartovich A. Chem. Phys. Lett. 2021. V. 775. P. 138680; https://doi.org/10.1016/j.cplett.2021.138680
  17. Weakly Interacting Molecular Pairs: Unconventional Absorbers of Radiation in the Atmosphere, edited by C. Camy-Peyret and A.A. Vigasin. Springer, Dordrecht, 2003, Р. 49.
  18. Ivanov S.V. // Mol. Phys. 2004. V. 102. № 16–17. P. 1871; https://doi.org/10.1080/0026897042000274766
  19. Miller W.H. Eds. Alder B., Fernbach S., Rotenberg M. Methods in computational physics. Advances in research and applications. V. 10: Atomic and molecular scattering. New York, London: Academic Press, 1971.
  20. Levine R.D. // Acc. Chem. Res. 1970. V. 3. P. 273.
  21. Asfin R.E.,Buldyreva J.V., Sinyakova T.N et al. // J. Chem. Phys. 2015. V. 142. № 85. P. 051101; http://dx.doi.org/10.1063/1.4906874
  22. Oparin D.V., Filippov N.N., Grigoriev I.M. et al. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 196. P. 87; https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2017.04.002
  23. Chistikov D.N., Finenko A.A., Lokshtanov S.E. et al. // J. Chem. Phys. 2019. V. 151, № 19. P. 194106.
  24. Chistikov D.N., Finenko A.A., Kalugina Yu.N. et al. // Ibid. 2021. V. 155. № 6. P. 064301; https://doi.org/10.1063/5.0060779
  25. Голяк И.С., Анфимов Д.Р., Винтайкин И.Б. и др. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 4. С. 3; https://doi.org/10.31857/S0207401x23040088
  26. Винтайкин И. Б., Голяк И. С., Королев П. А и др. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 5. С. 9.
  27. Родионов А.И., Родионов И.Д., Родионова И.П. и др. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 10. С. 61; https://doi.org/10.31857/S0207401X21100113
  28. Зеленов В.В., Апарина Е. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 10. С. 76.
  29. Дьяков Ю.А., Адамсон С.О., Ванг П.К и др. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 10. С. 22.
  30. Ларин И.К. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 3. С. 85; https://doi.org/10.31857/S0207401X20030085
  31. Hirota E. // J. Mol. Spectrocc. 1979. V. 77. P. 213.
  32. Свердлов Л.М., Ковнер М.А., Крайнов Е.П. Колебательные спектры многоатомных молекул. Москва: Наука, 1974.
  33. Herranz J., Stoicheff B.P. // J. Mol. Spectrosc. 1963. V. 10. P. 448.
  34. Herzberg G. Molecular Spectra and Molecular Structure II. Infrared and Raman Spectra of Polyatomic Molecules. 1991.
  35. Голдстейн Г. Классическая механика. Пер. с англ. М.: ГИТТЛ, 1957.
  36. Buck U., Kohl K.H., Kohlhase A. et al. // Mol. Phys. 1985. V. 55. № 6. P. 1255.
  37. Buck U., Kohlhase A., Secrest D. et al. // Mol. Phys. 1985. V. 55. № 6. P. 1233.
  38. Buck U., Schleusener J., Malik D.J., et al. // J. Chem. Phys. 1981. V. 74. № 3. P. 1707.
  39. Armstrong R.L., Blumenfeld S.M., Gray C.G. // Can. J. Phys. 1968. V. 46. № 11. P. 1331.
  40. Gray C.G. // J. Chem. Phys. 1969. V. 50. P. 549; https://doi.org/10.1063/1.1670844
  41. Gear C.W. Numerical Initial Value Problems in Ordinary Differential Equations. Englewood Cliffs №3: Prentice-Hall, 1971.
  42. Chapman S., Green S. // J. Chem. Phys. 1977. V. 67. № 5. P. 2317; https://doi.org/10.1063/1.435067
  43. Langer R.E. // Phys. Rev. 1937. V. 51. P. 669; https://doi.org/10.1103/PhysRev.51.669
  44. Smith L.N., Secrest D. // J. Chem. Phys. 1981. V. 74. № 7. P. 3882.
  45. Liu W.-K., Zhang Q., Lin S. et al. // Chin. J. Phys. 1994. V. 32. № 3. P. 269.
  46. Heil T.G., Secrest D. // J. Chem. Phys. 1981. V. 69. № 1. P. 219.
  47. Бёрд Г. Молекулярная газовая динамика. Пер. с англ. М.: Мир, 1981.
  48. Hartmann J.-M., Boulet C., Robert D. Collisional effects on molecular spectra: Laboratory experiments and models, consequences for applications. Amsterdam: Elsevier Science, 2008; https://doi.org/10.1016/B978-0-444-52017-3.X0001-5

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Радиальные функции V0(R) , V3(R) , V4(R) для систем He–CH4 [36], Ne–CH4 [37], Ar–CH4 [38].

Скачать (44KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Сравнение рассчитанных сечений вращательного перехода J0 = 1 → J молекулы СН4 в столкновениях с атомами Ar и Ne: а – система Ar–СН4 , кинетическая энергия столкновения Ecoll = 256.8 см-1: 1 – квантовый CC-метод [44], 2 – квантовый CS-метод [44], 3 – классический траекторный метод [45], 4 – настоящий 3D расчет (общее число траекторий составляет 402000); б – система Ne–СН4, кинетическая энергия столкновения Ecoll = 716.2 см-1. 1 – квантовый CS-метод [37], 2 – классический траекторный метод [45], 3 – настоящий 3D-расчет (общее число траекторий составляет 1273750).

Скачать (52KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Примеры трех траекторий с образованием квазикомплексов в столкновениях системы Ar–CH4. Расчет с использованием средней тепловой скорости v = (8kBT/pm)1/2 при T = 100 K для J0 = 5. Зависимости R(t) различаются прицельными параметрами и ориентациями углового момента молекулы CH4 .

Скачать (34KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Функции распределения вероятностей времен жизни tQC (а) и числа точек поворота N (б) для системы Ar–CH4. Роль потенциала взаимодействия при разных температурах: 1, 3 – простой эмпирический потенциал [39, 40]; 2, 4 – более точный потенциал [38].

Скачать (111KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Распределения времен жизни QC (а) и точек поворота (б) в столкновениях He–CH4, Ne–CH4, Ar–CH4. Т = 100 К.

Скачать (93KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Распределения минимальных размеров QC (расстояний наибольшего сближения Rmin) и максимальных размеров QC (наибольших расстояний между частицами Rmax) в столкновениях He–CH4, Ne–CH4, Ar–CH4. Т = 100 К.

Скачать (51KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Распределения прицельного параметра, при котором образуются QC в столкновениях He–CH4, Ne–CH4, Ar–CH4. Т = 100 К.

Скачать (89KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сечения образования QC: а – сечение образования QC при Т = 296 К как функция вращательного числа J; б – температурная зависимость сечения sQC(T) (результаты усреднены по всем значенимям J в условиях распределения Больцмана), bmax = 10 Å. Темные символы – все QC, светлые символы – только упругие QC.

Скачать (79KB)
Метаданные
10. Рис. 9. а – сечения вращательных переходов J0 = 7 → J молекулы CH4 в столкновениях с He, Ne, Ar при T = 296 K; б – сечения вращательных переходов J0 → J молекулы CH4 в столкновениях с Ar для разных J0. Т = 296 К. Сплошные символы – все столкновения, светлые символы – только QC. Переходы J0 → J = J0 соответствуют упругим столкновениям.

Скачать (185KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024