Компьютерное моделирование процессов оптической накачки в реакциях фотоиндуцированного переноса электрона
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
Содержание
Введение
Глава 1.Модель сверхбыстрой рекомбинации зарядов с учетом оптической накачки
1.1 Общая схема реакции
1.2 Реорганизация среды
1.3 Электронные термы
1.4.Механизм реакции
1.5 Стохастическая модель рекомбинации
1.6.1Учет динамики оптической накачки ДАК
1.6.2 Учет спектральных характеристик импульса накачки
Глава 2. Численное моделирование
2.1 Тестирование
2.2 Влияние глубины накачки на форму начального диффузионного пакета и на кинетику фотовозбуждения
2.3 Влияние времени релаксации растворителя на кинетику накачки
2.4Влияние длительности импульса и глубины накачки на профиль диффузионного пакета
2.5 Влияние длительности импульса на кинетику фотовозбуждения
Заключение
Список литературы
Приложение А
Введение
Перенос электрона является одной из самых распространенных химических реакций, присутствующей в качестве элементарной стадии во многих химических процессах; например, в окислительно-восстановительных процессах, в электрохимических реакциях, в фотосинтезе. Участниками реакции являются - донор электрона (восстановитель) и акцептор электрона (окислитель), причем в качестве донорно-акцепторной пары могут выступать как отдельные молекулы или ионы, так и связанные фрагменты в пределах одной молекулы или молекулярного комплекса. Перенос электрона часто наблюдается в фотоиндуцированных химических реакциях. После поглощения фотона, нейтральная молекула переходит в возбужденное состояние, при этом существенно изменяются ее донорно-акцепторные свойства. Под действием короткого лазерного импульса удается создать значительную концентрацию молекул в возбужденном состоянии, которые могут играть роль донора или акцептора электронов.
Современная лазерная техника позволяет создавать световые импульсы длительностью в десятки фемтосекунд, что дает возможность наблюдать за динамикой элементарного акта сверхбыстрой фотохимической реакции [9, c. 3643]. Эти исследования дают подробную информацию о структуре исследуемых химических систем, а также о динамических свойствах их ближайшего окружения. Вместе с тем, интерпретация данных эксперимента возможна только в рамках адекватных моделей. В настоящее время для теоретического описания сверхбыстрых фотохимических процессов часто используется приближение мгновенного заселения возбужденного состояния [6, c. 8]. Это предположение не всегда оправдано, так как характерные времена химических превращений в системе часто сравнимы с длительностью импульса накачки. Последовательное описание таких реакций требует разработки специализированных моделей, явно учитывающих процесс фотовозбуждения донорно-акцепторной пары.
Целью выпускной квалификационной работы является исследование влияния динамических и спектральных характеристик импульса фотовозбуждения на кинетику сверхбыстрой рекомбинации зарядов в ДАК.
Решаемые задачи:
)разработка двухуровневой стохастической модели донорно-акцепторного комплекса, учитывающей процесс оптической накачки в рамках теории возмущений,
)разработка алгоритмов численного моделирования процессов фотовозбуждения ДАК в рамках метода случайных траекторий,
)тестирование разработанных алгоритмов путем сравнения численных результатов с известными аналитическими решениями в частных случаях,
)численное исследование кинетики сверхбыстрой рекомбинации зарядов в ДАКв различных режимах накачки.
Глава 1.Модель сверхбыстрой рекомбинации зарядов с учетом
оптической накачки
.1 Общая схема реакции
Рассмотрим процесс переноса электрона между двумя частицами в растворителе. Мы предполагаем, что частица движется от донора к акцептору. Донором (D) в ДАК (донорно-акцепторном комплексе) является молекула, отдающая электрон при межмолекулярном электронном переносе в растворителе. Акцептором (А) в ДАК является молекула, принимающая электрон при межмолекулярном электронном переносе в растворителе. Средой (или растворителем) в нашем случае является вещество, внутри которого происходят рассматриваемые процессы, имеющее свои химические и физические характеристики.
Рисунок 1 - Общая схема реакции электронного переноса.
1.2 Реорганизация среды
Переход электрона внутри ДАК влечет за собой изменение электронной плотности на доноре и акцепторе, и, как следствие, реорганизацию соседей обеих составляющих частиц (молекул, атомов). В то же время, это может привести и к трансформации самих молекул D и A в результате действия кулоновских сил, в случае если молекулы имеют сложную структуру. Составляющие их атомы меняют свое положение в пространстве, и молекула приходит в положение наименьшей потенциальной энергии, в положение равновесия. Молекулы окружения в свою очередь перемещаются в окрестности комплекса таким образом, чтобы максимально скомпенсировать изменение зарядов реагентов.
Рисунок 2 -Реорганизация полярного растворителя.
Эта особенность характерна для полярных растворителей. Их молекулы обладают дипольным моментом, который является основной действующей силой в переориентации окружения после перехода электрона. На рисунке: (1) - начальное состояние растворителя; (2) - конечное состояние полярного растворителя после реорганизации соседних час