反応シミュレーション実験

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    量子化学実験
    化学反応過程シミュレーション
    序論
    今回の実験においては量子力学を使った運動問題を解く方法として量子古典折衷法を用いシミュレーションを行った。これは衝突ペアの電子状態は量子力学で求め、重い原子核の運動は古典力学を用いて行うというものである。今回は、
    (Ⅰ) D+H2→DH+H
    (Ⅱ) F+H2→FH+H
    の二つの化学反応式において、衝突エネルギー、標的分子の振動状態、衝突系がつくるポテンシャル障壁の高さ(遷移状態)などについて考える。
    概論
    まず、序論でも述べた量子古典折衷法について詳しく説明する。
    (Ⅰ) D+H2→DH+H
    の反応において、三個の原子の間に働くポテンシャルを、三つの原子間距離を固定して電子状態のシュレーディンガー方程式を解くとFig.1のようなポテンシャル面を得る。Fig.1は始めDがH2に衝突する前はD‐H距離が長く、ポテンシャル面の谷の位置にいるが、D‐H距離が小さくなるにつれて谷を矢印の方向に進み、やがてエネルギー障壁である鞍点を越えてD‐Hを生成して、今度はH-H間距離が長くなるとポテンシャル面の谷へと上がっていく。このポテンシャル面と(Ⅰ)の反応の原子の動きは別に求め、それぞれのシュレーデリンガー方程式、古典力学を用いる。これが量子古典折衷法である。
    鞍点では(Ⅰ)の反応の場合D‐H距離とH‐H距離が等しくなり、三個の電子は遷移状態D‐H‐Hにある。その直後のトランジェクトリーは方向を変える。化学反応とは鞍点を曲がりながら越えていくことであり、そのポテンシャルエネルギーの峠を越えるためには十分な運動エネルギーが必要となる。衝突の際の運動エネルギーが不十分であると反応は鞍点を越えることができずに、再びもとの原子間距離に戻る。また、化学反応のトラジェクトリーの中には単純に峠を越えていかずに鞍点付近でしばらく滞在して複雑な挙動を示しその後反応へと進むものなどがある。また、(Ⅱ)の逆反応においては活性化エネルギー(運動エネルギー)を持つことも重要であるが、それでは反応が進行しない。(Ⅱ)の正反応では鞍点を越えたFH分子はうねりながら上方へと移動していく。このうねりはF‐H距離の伸び縮みを表しておりHF分子の振動を表している。この反応を前期障壁(Early Barrier)の反応と呼ぶ。(Ⅱ)の逆反応では、HFの振動がない場合、充分な運動エネルギーを持っていたとしてもトランジェクトリーは鞍点を超えることができない。この反応を後期障壁(Late Barrier)の反応という。(Ⅱ)の逆反応では衝突前のHF分子が振動している必要があり、その反応が絶妙なときに、トランジェクトリーは鞍点を越える。
    今回の実験では(Ⅰ)な反応と逆反応についてRelative Translational Energyを変えて鞍点を越えるぎりぎりのエネルギーや、エネルギーが大きすぎて正面の壁に反射してトランジェクトリーが戻ってくる最小の値を求めた。また、鞍点付近に長く滞在しているようなエネルギーについても求めた。(Ⅱ)の反応と逆反応についてはVibrationd Energyを変えて鞍点を越えないぎりぎりのエネルギーを求めた。
    実験
    まず、(Ⅰ)に反応と逆反応についてVibrationd Energyを0に固定して、Relative Translational Energyを変えて計算した。まず、(Ⅰ)の活性化エネルギーよりも高い最小の値を求めた(A-1)また、その逆反応についても求めた。(A-2)
    次にTypical Examplesの中か

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    量子化学実験
    化学反応過程シミュレーション
    序論
    今回の実験においては量子力学を使った運動問題を解く方法として量子古典折衷法を用いシミュレーションを行った。これは衝突ペアの電子状態は量子力学で求め、重い原子核の運動は古典力学を用いて行うというものである。今回は、
    (Ⅰ) D+H2→DH+H
    (Ⅱ) F+H2→FH+H
    の二つの化学反応式において、衝突エネルギー、標的分子の振動状態、衝突系がつくるポテンシャル障壁の高さ(遷移状態)などについて考える。
    概論
    まず、序論でも述べた量子古典折衷法について詳しく説明する。
    (Ⅰ) D+H2→DH+H
    の反応において、三個の原子の間に働くポテンシャルを、三つの原子間距離を固定して電子状態のシュレーディンガー方程式を解くとFig.1のようなポテンシャル面を得る。Fig.1は始めDがH2に衝突する前はD‐H距離が長く、ポテンシャル面の谷の位置にいるが、D‐H距離が小さくなるにつれて谷を矢印の方向に進み、やがてエネルギー障壁である鞍点を越えてD‐Hを生成して、今度はH-H間距離が長くなるとポテンシャル面の谷へと上がっていく。このポテンシャル面と(Ⅰ)の..

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