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由于惰性原子具有相对简单的满壳层电子分布结构,它们成为检验量子理论的理想体系。在低温下惰性原子间依靠较弱的范德瓦尔斯力形成晶体,而对于色散相互作用,目前的密度泛函理论并不能准确描述。因此,对惰性元素晶体的量子理论计算一直是计算物理中具有挑战性的课题之一。
本文基于团簇理论和量子化学计算方法,通过对高压固态氖和氪中多体相互作用对晶体结合能的贡献的研究,给出了它们在较宽压缩范围内的高压物态方程,并在理论上揭示了原子间多体相互作用与压强之间的依赖关系。主要研究内容即:fee晶体氖、氪中的两体相互作用、三体相互作用、四体相互作用对晶体结合能的贡献,及相应晶体的零点振动能和及它们对物态方程的影响。文章中采用量子化学从头算方法对不同密度下单个原子势能的多体展开式进行收敛性和截断性的研究,并根据晶体结合能的多体展开式计算了晶体室温下的物态方程。
本文的计算结果表明,当固氖最近邻原子间距R在2.7~2.6A范围内时,多体展式中仅保留两体项就能很好地描述晶体的结合能,当R在2.6~1.9A之间取值时,必须考虑到三体项;R继续减小到1.7A时,就需要考虑四体项:固氖中原子势能展开到三体项时,理论结果就能够很好地解释目前固氖的高压实验(0~208GPa)数据。对于固态氪而言,最近邻原子间距R在4.0~3.1A,多体展式中仅考虑两体项及三体项就能很好地描述固氪的结合能;当R小于3.1A时,多体展式中必须加入四体项的贡献,此时该项弥补了由三体作用带来的过大负效应,考虑到四体相互作用后,理论计算结果已经可以圆满地解释目前的高压实验数据(0~130GPa)。