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时域有限差分法在双原子分子光谱量子力学计算中的应用

钟任斌  
【摘要】: 时域有限差分(FDTD)法是在时域中求解电磁场的一种数值计算方法。它把带时间变量的Maxwell微分方程转化为差分方程来求解其电磁场各分量。自从FDTD法创建以来,它主要被应用于研究一般的电磁场和电磁波计算,而用于量子力学计算研究的报导还较少见。 本文首先简要介绍了FDTD法的基本理论和发展,以及一般量子力学计算的常用方法,分析了双原子分子势能函数形式和双原子分子光谱特点。重点阐述了FDTD法应用于双原子分子光谱量子力学的计算,并在对边界作近似截断处理条件下计算了氧分子的基态和激发态的振动光谱。 其次,考虑到其应用范围的推广、物理模型的合理性以及数学逻辑上的严密性,本文以能量守恒为基础对前人提出的近似边界截断处理方法进行了改进,使得FDTD法应用于双原子分子光谱的量子力学计算在理论上更为合理,并将改进后的方法应用于氮分子的基态和激发态振动光谱计算。 最后,将计算所得光谱常数与实验结果进行了分析对比,结果令人满意。表明FDTD法本身及其改进后的截断处理在双原子分子振动光谱的量子力学计算方面是可行的。 FDTD法用于双原子分子量子力学计算不需要使用完备的基函数集合构造波函数,从而避免了因为基函数数目的无限大与实际计算的有限性之间的矛盾。该方法可直接用于时域计算、适于编写通用程序和并行计算,具有简单、直观、易于掌握的特点,从而为量子力学计算在方法上提供了一种新的选择。


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