Loading...
| Friend's email | |
| Your name | |
| Your email | |
| enter code | |
This page was sent successfuly
- Type of Document: M.Sc. Thesis
- Language: Farsi
- Document No: 46945 (04)
- University: Sharif University of Technology
- Department: Physics
- Advisor(s): Saddighi Bonabi, Rasoul
- Abstract:
- In this project, ionization and dissociation of nitrogen, methane and formaldehyde molecules through interaction by intense femto-second lasers have been investigated. The optimum shape of laser pulses for dissociation of methane and formaldehyde molecules for controlling the dissociation paths into desired products are obtained. Based on time dependent density functional theory and quantum optimal control theory, the calculations are carried out in intensities at the range of 1014-1016 Wcm-2 with pulse durations of 4 -20fs. Octopus package is used as a powerful computational program. By using, quantum optimal control theory, optimum laser pulses with manipulation of amplitude, phase and spectrum elements for controlling chemical reactions CH4→ CH3+ H , CH4→ CH2+ 2H, COH2→ CH2+ O, N2→ 2N are achieved. Due to breaking the strong bond of C=O and maintaining the C-H weak bonds of formaldehyde, three optimim laser pulses are used. It is noticed that when the frequency ranges of laser pulses are doubled, it leads to 60% faster dissociation of N2 molecule. Due to importance of the molecular dynamics dependence on the laser orientation with respect to the symmetry axis of the molecule, different molecular orientations are investigated and optimal molecular orientations are estimated to achieve maximum ionization and dissociation of methane and formaldehyde molecules. Furthermore, the time dependent electron localization function, the time dependent nuclear dynamics, the time dependent of molecular states occupations and the electron density are presented to analyze the time evolution of molecular dynamics. By simple semi-classical Ehrenfest molecular dynamics, time variation of bond length, and orientation effects are studied
- Keywords:
- Femtosecond Laser ; Time Dependent Density Functional Theory ; Optimal Control ; Formaldehyde ; Pulse Shaping
Digital Object List
-
محتواي کتاب
- view
Bookmark
- شکل(1-3): حالات زمانی مختلف برای ایجاد حرکات مولکولی همدوس با در اختیار داشتن امکانات تجربی افزایش پهنا و قابلیت انتخاب را نشان میدهد. در هر مورد مولکول مورد نظر از حالت پایه الکترونی ارتعاشی S0 شروع و با میدان الکتریکی حالات مختلف برهمکنش میکند.A ) میدان ضعیف لیزر با پهنای پالس نانوثانیه، B) میدان ضعیف لیزر با پهنای زمانی فمتوثانیه، C) میدان قوی لیزر با پهنای زمانی فمتوثانیه، D) قابلیت کنترل مسیر واکنش با میدان قوی لیزر و پهنای زمانی فمتوثانیه ..........................................7
- روش های آزمایشگاهی تبدیل مولکول های گازی به دو صورت پلاسما در راکتورهای تخلیه الکتریکی و لیزر انجام میگیرد[14 و15]. روش پلاسما در یک محیط پلاسمای غیر تعادلی انجام می شود که با تخلیه الکتریکی الکترونهای پر انرژی با مولکول گاز برخورد می کنند و این برخورد موجب شکست مولکول مورد نظر میشود می توان محصولات خروجی را به طور نسبی با تغییر ولتاژ و فرکانس کنترل کرد. در روش لیزرهای پرتوان فمتوثانیه بهدلیل زیاد بودن شدت لیزر ، شدت تحریک زیاد است و همچنین این روش نیاز به دما و فشار بالای آزمایشگاهی ندارد. لیزر های فمتوثانیه با داشتن پهنای وسیع فرکانسی زیاد، به سیستم های شکل دادن پالس قابلیت تنظیم دامنه، فاز و مؤلفههای طیفی را می دهد که به پژوهشگر ها امکان مطالعه و کنترل دقیق دینامیک واکنش شیمیایی در مقیاس زمانی کوتاه را می دهد که در نهایت امکان انتخاب پذیری محصولات را فراهم می سازد.
- 1-6 پیشینه تاریخی لیزرهای پرتوان
- شکل(1-1): تکنیک تقویت پالس جیغی(CPA) برای تولید پالس های فمتوثانیه.
- 1-7 فرایند استفاده از لیزر برای تبدیل گاز نیتروژن و متان و فرمالدهید
- اغلب آزمایشگا ه های جهان در چیدمان تجربی خود از لیزر های نانوثانیه برای تجزیه مولکولی مختلف استفاده می کنند. این لیزر ها ارزان هستند و برای بسیاری از کشورها نیز قابل دسترس می باشند [20]. در کنار این کارها همچنین از فرایند فوتوکاتالیستی در بعضی از آزمایشگاههای تحقیقاتی جهان ، در جهت تجزیه مولکول متان استفاده می شود[21]. در کنار آزمایشگاهای جهان ،آزمایشگاه تحقیقاتی لیزر دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف نیز تحقیقاتی تجربی در مورد تجزیه مولکول متان با لیزرهای نانوثانیه هارمونیک دوم یاگ به طول موج 532 نانومتر، انجام شده است و عوامل مؤثر در بالا بردن میزان تجزیه مولکولی متان از جمله فشار و میزان تابشدهی مورد بررسی قرار گرفته است[22].بر روی مولکول فرمالدهید نیز گزارش تجزیه مولکولی با چیدمان آزمایشگاهی زیر انجام شده است:
- /
- شکل(1-2): چیدمان آزمایشگاهی تجزیه مولکول فرمالدهید با استفاده از لیزرهای نانوثانیه.
- 1-8 دلایل استفاده از لیزر های فمتوثانیه برای کنترل واکنش شیمیایی
- مرتبه حرکت الکترون و هسته در واکنش شیمیایی به ترتیب از مرتبه آتوثانیه و فمتوثانیه است به طوری که امکان انتخاب پذیری محصولات واکنش شیمیایی با استفاده از لیزر نانوثانیه وجود ندارد. بدبن ترتیب لیزر های فمتوثانیه به دلیل دارا بودن ویژگی هایی که بسیار مناسب برای کنترل واکنش شیمیایی هستند، می توانند واکنش شیمیایی را کنترل کنند و رویای دیرباز شیمیدان ها وفیزیک دان ها را محقق کنند[23-18].
- احمد زویل به خاطر ایده ی کنترل دینامیک واکنشهای شیمیایی با استفاده از نور همدوس در مرتبه فمتوثانیه برنده جایزه نوبل شیمی 1999 شد. تغییر شکل پالس لیزر تنها چند دهه است تحقق یافته است که باعث شکلدهی پالس لیزر به طور دلخواه می شود. Judson و Rabitz در سال 1994 اولین کسانی بودند که امکان کنترل واکنش شیمیایی را به صورت تجربی با شکل دادن پالس لیزر مورد بررسی قرار دادند [32]. وقتی سیستم به قدر کافی پیچیده است از الگوریتم بهینهسازی همراه با حلقه مسیر بسته برای کنترل بهینه استفاده میشود[33]. این لیزرها به دلیل پهنای زمانی کم از نظر زمانی هم مرتبه با دوره تناوب فرکانس ترازهای ارتعاشی مولکول و حرکت هسته است و به دلیل پهنای زیاد فرکانسی می توان آن ها را با سیستم های خاص ، شکل داد، که امکان انتخابپذیری محصولات واکنش شیمایی را فراهم میسازد. از جمله مزایای استفاده از لیزر نسبت به روش های های دیگر برای کنترل واکنش شیمیایی مقرون به صرفه بودن آن، کنترل واکنش در یک مرحله، مشاهده دقیق حرکت مولکولی به صورت واقعی ، امکان کنترل دقیق محصولات هر واکنش شیمیایی متناظر با شکل پالس لیزر مورد استفاده و بالا بودن بهره تولید محصولات میباشند. به تازگی گزارشات مربوطه به مشاهده حرکت الکترون وقتی در حال چرخش بدور هسته است در Nature،Science به چاپ رسیده است[34و35].
- در برهمکنش لیزر پر شدت با مولکول به دلیل امکان تحریک الکترون های اوربیتال های داخلی تر مطالعه و بررسی یونیزاسیون مولکولی و دینامیک مولکولی ، بسیار پیچیده است. رفتار مولکول در مواجه با لیزر پر شدت یک رفتار غیرخطی است به طوری که پارامتر های زیادی این برهمکنش را تحت تأثیر قرار میدهد .از پدیدههایی که معمولا در برهمکنش لیزر و مولکول می توان مشاهده کرد عبارتند از یونیزاسیون چند فوتونی، یونیزاسیون میدانی ، مکانیزم تونل زنی، انفجار کولمبی ، پدیده باز پراکندگی ، و تولید هارمونیکهای مراتب بالای است[42-46].
- کنترل واکنش شیمیایی و بهینه سازی محصولات امروزه مورد توجه بسیاری شرکت ها و محققان قرار گرفته است. یکی از روش های قدیمی کنترل واکنش شیمیایی روش سنتزی کنترل توزیع تکانه ی اولیه مولکولها قبل از برخورد است. در واقع این روش معروف به کنترل پسیو است و محصولات نهایی به وسیله شرایط اولیه واکنش انتخاب می شود. اما لیزرها به عنوان کنترل فعال و معرف واکنشهای شیمیایی می توانند مورد استفاده قرار بگیرند. شکل دادن پالس لیزر یکی از این روش ها است که هم به صورت تجربی و هم به صورت نظری در دنیا مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است. در حقیقت این روش با دادن انرژی کافی به مد ارتعاشی خاص مولکولی که شکست پیوند در آن انجام می شود قابل انجام است. انتخاب یک تراز ارتعاشی خاص در مولکولهای چند اتمی به دلیل جفتشدگی بین تراز های ارتعاشی ،عملی سخت و غیر ممکن است. باز توزیع انرژی بین تراز های ارتعاشی دوباره منجر به از بین رفتن انتخابپذیری روی تراز های ارتعاشی میشود. پس در حالت کلی اگر زمان آرامش ارتعاش داخلی IVR سریع تر از انجام واکنش باشد انرژی اندرکنش به جای چند تراز انتخابی روی تمام تراز های ارتعاشی پخش میشود. با تولید و ساخت لیزر های فمتو ثانیه و حتی کوتاهتر قادر به مشاهده تشکیل پیوند یا شکست پیوند و گذار بین تراز ها می توانیم باشیم و حتی میتوان انرژی لیزر را فقط در یک تراز دلخواه به طوری که اعمال انرژی سریع تر از زمان آرامش ارتعاش داخلی باشد ،ذخیره کرد. لیزرهای فمتو ثانیه دارای پهنای فرکانسی وسیعی هستند و می تواند چندین تراز ارتعاشی را همزمان تحریک کند، که تحریک همدوس این ترازها می تواند باعث بسته موج هایی شود که موجب کنترل یک محصول خاص از طریق اثرات تداخل سازنده و ویرانگر بسته های موج شود. توسعه اخیر تکنولوژی لیزر در دستکاری دامنه ، فاز ، شکل و مؤلفه های طیفی پالسهای بسیار کوتاه فرصتی نو برای کنترل واکنشهای شیمیایی ارائه میدهد . بنابراین می توان با دستکاری پارامتر های زمانی و مکانی لیزر، واکنشهای شیمیایی را کنترل اکتیو کرد[53].
- /