BrO、BeB、CP+、SiC+、NS+分子离子的光谱及跃迁特性研究
含有Br,Be,Si,C和N的双原子分子离子，在众多物理应用及化学化工制作等领域都扮演着重要角色。例如：氧化溴(BrO)自由基在平流层臭氧的催化反应中起着重要影响。硼化铍(BeB)是一种相对稳定的自由基，因其低密度、高硬度、高声速等特点而被广泛应用于铍合金制造及核工业领域。碳、磷、硅等元素在恒星周围含量丰富。CP+离子在恒星、大气以及星际空间中有可能大量存在，因此对CP+离子光谱性质的研究在近几年成为天体物理学的研究热点。对于自由基SiC，当前的天体物理学中已有部分认知，当然，人们也期望在探索外星际空间的过程中同样可以观测到SiC+离子。NS自由基作为一种星体分子，在早年的星际空间研究中已得到证实，然而直到2018年人们通过研究冷分子云、恒星前核及激波的光谱才发现NS+离子也是一种星体分子。所以，系统地研究含Br,Be,Si,C,N的双原子分子的电子结构和光谱不仅具有重要理论价值，在工业生产、星际探索等领域也具有重要应用价值。 本论文对于BrO和BeB自由基以及CP+、SiC+和NS+离子的研究主要围绕Λ-S束缚态与Ω态的势能曲线、光谱常数、振动能级等光谱性质以及振动谱带带头(band origins)、Franck–Condon因子、爱因斯坦系数、辐射寿命等跃迁特性这两方面进行。 第一，利用内收缩多参考组态相互作用(icMRCI+Q)方法结合相关一致基组计算了BrO自由基12个Λ-S态，BeB自由基16个Λ-S态，CP+离子18个Λ-S态，SiC+离子12个Λ-S态以及NS+离子8个五重低电子态的势能曲线(PECs)。为提高势能曲线的精确度，计算中考虑核价相关修正和标量相对论修正，并将势能外推至完全基组(CBS)极限。运用计算出的势能曲线，得到对应Λ-S束缚态的光谱常数和振动能级，其中包括平衡核间距Re、离解能De、激发能Te、谐振频率ωe、一阶和二阶非谐振常数ωexe和ωeye、转动常数Be以及转动因子αe等，将计算的光谱常数与文献中已有的实验数据和理论数据进行对比。除此之外，还研究了自旋轨道耦合效应对这些双原子分子自由基和离子光谱常数及振动能级的影响。计算方法是运用Davidson修正的icMRCI+Q理论方法并结合Breit-Pauli耦合算符进行的。文中计算了BrO自由基中选取的4个Ω态，BeB自由基的36个Ω态，CP+离子的50个Ω态以及SiC+离子的27个Ω态的势能曲线，预测了自旋轨道耦合效应对这些电子态的光谱性质产生的影响。对于BrO自由基，计算结果显示24Π态是排斥态；A2Π态有单势垒；12Δ,12Σ+,12Σ-,22?-,24Σ-,14Σ+,14Δ和14Π态是弱束缚态；A2Π和32Π态之间存在避免交叉；考虑自旋轨道耦合作用时，X2Π,A2Π,14Δ,14Π和24Π态是反转态。对于BeB自由基，计算结果表明d4Δ，e4Σ+，g4Π，24Σ+态，I2Σ+有双势阱，但是d4Δ,e4Σ+,g4Π态以及h4Π态的第二个势阱是弱束缚态；考虑自旋轨道耦合效应的作用时，G2Π,b4Π和g4Π态是反转态。对于CP+离子，计算结果得出13Σ+,15Σ+,15Σ-和15Δ态有双势阱；25Σ+态有一个单势阱和一个势垒；25Π态是排斥态；考虑自旋轨道耦合效应时13Σ+,23Σ+和15Σ+态是反转态。对于SiC+离子，12个Λ-S态都是束缚态；b2Π,14Π,24Π和24Σ-态有单势垒；b2Π和14Π态有双势阱；14Π态与24Π态之间存在避免交叉。对于NS+离子，研究的五重态中不存在排斥态；并且没有势垒态和双势阱态的出现；其中，15Δ态和25Δ态是弱束缚态；这些势能曲线之间有许多交叉。 第二，基于获得的势能曲线、光谱常数以及振动能级，采用icMRCI+Q方法并借助LEVEL程序对上述双原子分子不同Λ–S态之间的跃迁进行了比较全面的研究计算。其中，研究了BrO自由基X2Π-A2Π,12Δ-12Σ-,14Π-14Σ+,12Σ--22Σ-,A2Π-12Δ和14Δ-a4Σ-的跃迁特性；BeB自由基A2Σ+-X2Π,B2Π-X2Π,B2Π-A2Σ+,C2Δ-X2Π,C2Δ-B2Π,D2Σ--X2Π,D2Σ--B2Π,E2Σ+-X2Π,E2Σ+-A2Σ+,E2Σ+-B2Π,G2Π-X2Π,I2Σ+-X2Π,G2Π-B2Π,G2Π-A2Σ+和G2Π-C2Δ的跃迁特性；CP+离子的25对电子态(23Π–X3Π,23Π–13Σ-,23Σ+–23Π,23Σ+–X3Π,13Σ+–X3Π,23Π–13Σ+,13Δ–X3Π,13Σ-–X3Π,23Σ+–13Σ+,21Π–11Π,11Δ–11Π,21Π–21Σ+,21Π–11Σ-,11Σ-–11Π,21Π–11Δ,21Σ+–11Π,25Σ+–15Π,13Δ–23Π,15Σ+–15Π,21Π–11Σ+,15Δ–15Π,15Σ-–15Π,21Σ+–11Σ+,11Π–11Σ+和25Σ+–15Σ+)的跃迁特性；SiC+离子22Σ-–e2Π,24Σ-–14Π,e2Π–d2Σ+,24Σ-–X4Σ-,22Π–a2Δ,e2Π–c2Σ-,22Σ-–c2Σ-,14Π–14Σ+,14Π–X4Σ-,14Π–A4Δ,24Π–A4Δ,24Π–14Σ+,24Π–14Π,24Π–24Σ-和24Π–X4Σ-的跃迁特性；NS+离子15对五重态(35Σ+–15Π,25Δ–25Π,35Σ+–25Π,25Δ–15Π,25Δ–15Δ,35Σ+–25Σ+,35Σ+–15Σ+,25Σ+–15Π,15Δ–15Π,25Π–15Σ+,25Π–25Σ+,25Π–15Δ,25Σ+–15Σ+,15Π–15Σ+和25Π–15Π)跃迁自发辐射的振动谱带带头、Franck–Condon因子及爱因斯坦系数，并计算出它们的自发辐射寿命。对于SiC+和NS+离子，还研究了所涉及跃迁的振动谱带带头和自发辐射的光谱范围。具体来说，对于SiC+离子，24Π和24Σ-态振动能级的无旋辐射寿命约为10-7s，22Σ-态和14Π态第一个势阱是10-5–10-6s，e2Π态是10-5s，14Π态第二个势阱的非常短；22Σ-和c2Σ-态之间,e2Π和a2Δ态之间，24Σ-和X4Σ-态之间，24Π和X4Σ-态之间,14Π态第一个势阱和X4Σ-态之间,以及14Π态第二个势阱和14Σ+态之间的很多辐射爱因斯坦系数都较大，结合辐射寿命，可以确认上述辐射应该不难探测到。对于NS+离子，25Σ+，15Π，35Σ+和25Π态振动能级的无旋辐射寿命分别约为10-5–10-6s、10-5s以及10-4–10-5s，15Δ和25Δ态产生的自发辐射其振动能级的无旋辐射寿命非常长；25Σ+–15Σ+跃迁的光谱范围扩展由可见区域到近红外区域，大部分强辐射都是可见光，只有少数在近红外区域；对于25Π–15Σ+，所有的辐射都落在可见光区域；对于25Π–15Π，光谱范围从可见光区扩展到红外区；强辐射在近红外区域；对于25Π–25Σ+跃迁，其光谱范围在红外区；对于35Σ+–15Σ+，光谱主要位于可见区和近紫外区，强烈的辐射集中在可见区域；对于35Σ+–15Π，光谱范围从可见光区延伸到红外区，这个系统最强烈的辐射是在红外区域。 综上所述，本文不仅系统研究计算了BrO、BeB自由基以及CP+、SiC+和NS+离子Λ–S态的光谱常数，丰富扩展了以往文献的相关数据记录，同时也首次报道了各分子Ω态的光谱常数和跃迁特性，填补了这一研究的空缺，并利用自发辐射振动谱带的跃迁结果为进一步的实验研究提供了重要的理论指导。
双原子分子离子;势能曲线;光谱常数;跃迁特性;自旋轨道耦合
河南师范大学
博士
物理学、原子与分子物理
孙金锋
2019
中文
O562.3
2020-07-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）