范德华复合物Kr-H2O、Ne-H2S及Ar-H2S的势能面和振转光谱的理论研究

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由于范德华分子间相互作用力在许多重要的物理、化学和生命过程中都起着重要的作用,因而范德华复合物的结构和性质在目前的实验和理论研究中都受到了广泛的关注。范德华复合物的高分辨分子光谱可以提供相关分子间势能面和动力学的有用信息。由于范德华复合物中的分子间相互作用力较弱,分子间振动的频率低且振幅大,因此需要构建体系的全域势能面来确定束缚态能级和预测振转光谱。同时,通过将计算预测的光谱与实验观测到的高分辨光谱进行比较,可以帮助我们检验势能面的质量。本文以大气中广泛存在且在生命体中有重要作用的分子所构成的范德华复合物体系Kr-H2O、Ne-H2S和Ar-H2S为研究对象,将H2O和H2S分子近视为刚性转子,构建了它们的高精度三维从头算分子间势能面,很好地解释了相关转动光谱的实验结果,如转动跃迁频率,平均结构参数,核四级矩耦合常数等,从而为这类体系的光谱研究提供了一种很好的理论手段。本文主要研究结果如下:1.在原有的研究由惰性气体原子与CO2、N20等线性分子组成的范德华复合物体系的理论方法基础上,重新选择坐标系、哈密顿方程和基函数形式,推导振转能级计算公式,并编写相关计算程序,发展了一套新的应用于由惰性气体原子与H20和H2S等非线性分子组成的范德华复合物体系的光谱理论计算方法和程序。2.采用CCSD(T)方法和包含键函数的大基组计算了Kr-H2O复合物体系的三维从头算分子间势能面,该势能面包含了一个平面氢键型全域极小值、两个平面型一级鞍点和一个二级鞍点。采用径向DVR/角度FBR方法和Lanczos算法计算得到了16种不同同位素Kr-H2O复合物体系在基态∑(O00)和第一激发态∑(101)的转动跃迁频率、平均结构参数和核四极耦合常数χaa(17O)及χaa(D),并分析了这些复合物分子在这两个态时内部水分子单体的自由转动程度,这些计算值和相关实验值吻合的很好,并呈现出相同的同位素效应趋势和规律。3.采用超分子方法和CCSD(T)方法计算了Ne-H2S和Ar-H2S复合物体系的三维分子间势能面。这两个势能面都存在一个平面T型全域极小值和一个平面型局域极小值,以及两个平面型一级鞍点和一个二级鞍点。其中Ne-H2S和Ar-H2S复合物的全域极小值的势阱深度分别为71.57cm-1和177.48cm-1。采用径向DVR/角度FBR方法和Lanczos算法计算了8种不同同位素Ne-H2S和4种不同同位素Ar-H2S复合物体系的振转能级,以及它们在基态∑(O00)和第一激发态∑(101)的转动跃迁频率,这些计算的跃迁频率与实验值的绝对误差在0.015cm-1以内,并呈现出相同的同位素效应趋势和规律。同时,我们还计算分析了不同同位素Ne-H2S和Ar-H2S在∑(000)和∑(101)态的平均结构参数和波函数性质,并比较了Ne-H2S、 Ne-D2S和Ar-H2S. Ar-D2S复合物分子在这两个态时内部H2S和D2S单体的自由转动极限程度,其大小顺序分别为:∑(Ooo)(Ne-H2S)> E(000)(Ne-D2S)>∑(101)(Ne-H2S)>∑(101)(Ne-D2S),∑(000)(Ar-H2S)>∑(101)(Ar-H2S)>∑(000)(Ar-D2S)∑(101)(Ar-D2S)。本文的从头算势能面和光谱理论计算方法对于由惰性气体原子与H20和H2S等非线性分子组成的范德华复合物体系的研究具有一定的适用性。通过与实验值相比较,证明了我们的势能面和光谱计算方法的高精确度。我们所提供的理论计算方法对于解释和预测分子间振转态实验结果,提供分子动力学信息,揭示分子间作用力的本质,都有着重要的指导意义。
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