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亚乙烯基(H2C=C:)是有机反应和燃烧化学中重要的中间体,它和乙炔之间的异构反应是一个典型的1,2-氢迁移反应,所以,对它的动力学研究具有重要意义。而目前对这方面的研究并不充分,比如,前人对亚乙烯基振动态的全维量子动力学计算存在一些问题;另外,关于亚乙烯基的寿命,实验上还存在争议,已有的理论计算也没能合理解释,而目前还未见对其寿命进行全维量子动力学计算的报道。
本文发展了一种改进的PSO-PIST量子动力学理论方法(简称相空间优化-预条件迭代方法),成功编制了适用于任何四原子体系的计算程序,并将其应用到了亚乙烯基振动态和共振态的全维量子动力学计算中。其中,我们用CC-HH Jacobi坐标来描述体系的核运动,充分利用了该体系的原子交换和反演对称性;振动波函数用直积型的基函数展开,我们提出一种相空间优化结合物理图像的方法来获取高效的径向离散基表象基函数;引入一种基函数收缩方案来处理角度坐标;我们用PIST方法求解Hamiltonian矩阵,根据坐标之间的耦合强弱来划分内外坐标,以获得稀疏、规则的矩阵分块结构,用一种高效的preconditioner来提高迭代计算效率;自定义反应坐标并在该方向加入一种复吸收势来处理非束缚态问题。此外,我们还发展了一种根据波函数的简正模式投影来实现振动态定量指认的方法。
使用上述方法和程序,本文首先对亚乙烯基和氘代亚乙烯基(D2C=C:)的振动本征态进行了全维量子动力学计算。计算结果与实验吻合很好;解决了前人的全维计算中存在的一些问题,特别是分析和解释了前人对亚乙烯基v1(symmetric CH stretch)态的指认错误,给出了与实验相符的正确计算结果;本文还首次报道了若干具有典型亚乙烯基特征的振动本征态。此外,与其他研究组的全维量子动力学方法相比,本文的计算方法在计算效率上具有明显优势。
在振动态计算的基础上,本文首次对亚乙烯基和氘代亚乙烯基共振态的寿命进行了全维量子动力学计算。我们把亚乙烯基的异构按准共振处理,并使用复吸收势方法计算得到了不同振动态下亚乙烯基的存在寿命。其中,振动基态亚乙烯基的寿命达到302ps,大于之前的理论计算对亚乙烯基存在寿命的估计;亚乙烯基v2(CC stretch)和v4振动模式(out of plane)的激发态也有相当的稳定性;而v6(CH2 rock)模式的激发态容易向乙炔方向发生异构,其中3v6态亚乙烯基的寿命只有61fs。另一方面,我们也对文献中亚乙烯基寿命方面存在的争议进行了分析和解释。
此外,本文还使用简正模式Hamiltonian计算了亚乙烯基共振态的能量和寿命。计算发现,亚乙烯基的简正模式Hamiltonian对v2和v3振动模式(CH2scissors)描述比较好,而对v4模式描述较差。