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高壓下原子分子物理學(xué)術(shù)思想研究論文
今年是我國著名的物理學(xué)家和杰出的教育家芶清泉教授誕辰100周年。先生的學(xué)術(shù)生涯長達(dá)七十余載，他對我國原子分子物理、固體物理、高壓物理、物理力學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展做出過重大貢獻(xiàn)。在相當(dāng)長時期內(nèi)，先生是這幾個學(xué)科發(fā)展的規(guī)劃者、組織者、和領(lǐng)導(dǎo)者，他所培養(yǎng)的眾多弟子現(xiàn)在都是這些學(xué)科領(lǐng)域的科研中堅力量，甚至有的已成為學(xué)科領(lǐng)導(dǎo)者。他編著的《原子物理學(xué)》和《固體物理簡明教程》著作直接影響了我國幾代物理學(xué)子的成長。同時，由他創(chuàng)刊的《原子分子物理學(xué)報》以及他與經(jīng)福謙先生合作創(chuàng)刊的《高壓物理學(xué)報》這兩個學(xué)術(shù)交流和成果發(fā)布平臺大大促進(jìn)了這兩個研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)繁榮。在分享先生這些杰出貢獻(xiàn)的同時，我們通過回憶和總結(jié)先生的學(xué)術(shù)思想和深邃智慧，以表達(dá)對恩師的敬意，起到承前啟后和促進(jìn)學(xué)術(shù)進(jìn)步的作用。高壓下原子分子物理是先生提倡和發(fā)展的重要研究方向之一，其中蘊(yùn)藏著深刻的學(xué)術(shù)思想。上世紀(jì)80年代，我國科學(xué)事業(yè)迎來空前的大發(fā)展期。一方面，國防需求提出了大量的高壓凝聚態(tài)物理問題，另一方面，原子分子物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到能夠解決某些工程需求的水平。
特別是計算科學(xué)的迅速發(fā)展，使解決高溫高壓極端條件下某些物理問題成為可能。在此背景下，先生提倡從原子分子物理基本原理出發(fā)解決高溫高壓凝聚態(tài)物理問題，與國際上基于電子能帶論發(fā)展的固體物理相比，這種以發(fā)展原子分子物理新方法解決高溫高壓復(fù)雜問題的思路是一種極具特色的學(xué)術(shù)思想。
這個思想的基本內(nèi)涵包括：（1）物質(zhì)構(gòu)成觀：認(rèn)為在高溫高壓下物質(zhì)體系仍然由某些具有局域電子結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定單元構(gòu)成，如分子、原子、或離子等；（2）結(jié)構(gòu)變化觀：認(rèn)為在高溫高壓下這些相對穩(wěn)定單元的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)可以在一定程度內(nèi)發(fā)生變化，如鍵長、鍵角、取向、原子殼層結(jié)構(gòu)、電子密度分布等；（3）相互作用觀：這些相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)單元之間存在相互作用，即“原子間力”，如長程庫倫力，范德瓦爾斯力等；（4）能量最低原理：認(rèn)為體系結(jié)構(gòu)單元劃分、結(jié)構(gòu)變化、和相互作用這三個環(huán)節(jié)必須受能量最低原理約束，如通過變分法求解體系總能量。不難發(fā)現(xiàn)，先生所提倡的高壓下原子分子學(xué)術(shù)思想包含著豐富的哲學(xué)思想和系統(tǒng)性方法論。它在方法論上體現(xiàn)出分析與演繹相結(jié)合，在認(rèn)識論上體現(xiàn)了還原論與重構(gòu)論的統(tǒng)一。當(dāng)人們采用分析法和還原論思維在研究孤立原子分子物理問題方面取得了巨大成功的同時，自然會面臨演繹和重構(gòu)的挑戰(zhàn)，即如何基于局部的微觀分析方法獲得對高溫高壓復(fù)雜體系的系統(tǒng)認(rèn)識。這個學(xué)術(shù)思想既為原子分子物理問題提出了新的挑戰(zhàn)，也為解決高壓凝聚態(tài)物理問題提供了新的研究途徑。因此，它包含深刻哲理、豐富內(nèi)涵、深邃智慧、具有重要的學(xué)術(shù)價值和科學(xué)意義。高壓下原子分子物理學(xué)術(shù)思想在先生指導(dǎo)博士研究生論文過程中不斷得到發(fā)展。在王新強(qiáng)博士的學(xué)位論文中首先提出“離子重疊－壓縮模型”解決堿金屬氫化物晶體的高壓狀態(tài)方程和高壓結(jié)構(gòu)相變問題［1，2］。
在這個模型中，氫化鋰晶體被認(rèn)為由氫負(fù)離子和鋰正離子構(gòu)成；在高壓作用下氫負(fù)離子的電子云密度分布會由于離子間電子軌道重疊排斥效應(yīng)而受到壓縮；在晶體結(jié)合能表達(dá)式中包含了正負(fù)離子間庫倫勢能、鄰近離子對之間的短程排斥能、以及由離子的電子軌道壓縮效應(yīng)引起的部分壓縮能貢獻(xiàn)。排斥能和壓縮能的取值受體系總結(jié)合能極小條件約束。這個模型比較完整地體現(xiàn)了先生關(guān)于高壓下原子分子物理的學(xué)術(shù)思想，其中計算工作完全采用解析波函數(shù)和量子化學(xué)計算方法完成，計算軟件由研究作者自己編寫，給出了準(zhǔn)確的晶體結(jié)合能。先生一直非常推崇這項研究工作且把它當(dāng)作典型范例推廣，并希望理論研究能指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)工作。隨后裴春傳博士參與到氫化鈉和氫化鉀體系的研究工作中，也獲得一定成功［3］。與國際上流行的晶體能帶計算方法相比，“離子重疊－壓縮模型”的物理圖像最為清晰，它強(qiáng)調(diào)在晶體中電子云重疊排斥效應(yīng)的局域性貢獻(xiàn)。
在隨后幾年中，先生安排博士研究生繼續(xù)推廣這個研究思路，同時希望指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究獲得更大成功。芶先生安排我利用剛建立的二級輕氣炮加載設(shè)備開展氫化鋰高壓狀態(tài)方程與相變問題的實(shí)驗(yàn)研究，該項研究得到經(jīng)福謙先生的支持；又安排張中明博士采用相同的計算方法解決堿金屬鋰的鹵化物（LiF和LiCl）的高壓狀態(tài)方程問題。但這兩方面研究結(jié)果都出乎意料。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)實(shí)際氫化鋰晶體在高壓下比模型計算結(jié)果更易壓縮得多，表明上述模型并不如預(yù)期的完美［4］。張中明和我在王新強(qiáng)博士指導(dǎo)下將原先計算NaH和KH體系的程序用于LiF和LiCl體系研究，計算結(jié)果與預(yù)期差別也很大。不難發(fā)現(xiàn)，NaH和LiF，以及KH和LiCl，本來是兩個等電子體系，計算方法不能同時描述這兩個體系就意味著理論模型存在明顯缺陷。為此，先生感到很困惑，他也意識到“離子重疊－壓縮模型”可能低估了次鄰近離子的貢獻(xiàn)。由于研究計劃受阻，張中明的博士論文改為解決氟化鈉和氯化鈉晶體的高壓狀態(tài)方程問題［5］。高壓下原子分子物理學(xué)術(shù)思想在后續(xù)研究工作中得到進(jìn)一步發(fā)展。自“離子重疊－壓縮模型”在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論推廣兩方面都遇到挑戰(zhàn)之后，該模型的進(jìn)一步完善問題成為需要解決的關(guān)鍵。為了避開離子壓縮和次鄰近離子貢獻(xiàn)等因素，我們將這個模型應(yīng)用于氦原子體系。
我們注意到，先生本人早前計算過兩個氦之間排斥勢（即氦原子對勢），并計算過氦氣的二階維里系數(shù)［6］。我們采用這個勢計算液態(tài)氦的Hugoniot曲線，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果偏差很大［7］。這個結(jié)果讓我們意識到“離子重疊－壓縮模型”推廣到高壓情形時面臨自身問題，這個問題既不來自離子壓縮效應(yīng)（因?yàn)楹ぴ訕O難壓縮），也不來自鄰近粒子貢獻(xiàn)，而在于它忽視了多體相互作用。事實(shí)上，當(dāng)多個原子或離子的電子軌道發(fā)生重疊時，具有波動性的電子會發(fā)生復(fù)雜的干涉效應(yīng)，導(dǎo)致電荷密度分布發(fā)生明顯變化，這種變化的結(jié)果是破壞了短程排斥勢能按原子對的可加性，即表現(xiàn)出復(fù)雜的多體相互作用特征。
為了證實(shí)高壓下氦原子相互作用呈現(xiàn)出復(fù)雜的多體效應(yīng)，我對一系列氦原子團(tuán)簇的勢能進(jìn)行多體展開研究［8，9］，將兩體、三體、四體、五體關(guān)聯(lián)的貢獻(xiàn)分別計算出來進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)隨壓力增加多體貢獻(xiàn)確實(shí)增大，同時揭示了多體屏蔽效應(yīng)所導(dǎo)致的對勢軟化機(jī)理［10，11］。
采用類氦原子近似，我們計算了氫分子間三體和四體相互作用貢獻(xiàn)［12］。隨后，我們將氦團(tuán)簇的研究工作延伸到高壓下氦晶體中多體關(guān)聯(lián)貢獻(xiàn)的計算，并從結(jié)合能的多體展開式出發(fā)獲得了更準(zhǔn)確的總勢能計算方法［13－15］�；谛掳l(fā)展的晶體氦多體關(guān)聯(lián)計算方法，我們發(fā)展了“原子重疊—多體相互作用模型”，從氦原子間多體相互作用角度解決氦體系的高壓狀態(tài)方程精確計算問題［16，17］。計算結(jié)果不僅與現(xiàn)有高壓實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果一致，而且在100－200GPa壓力范圍內(nèi)給出了可靠的狀態(tài)方程。為了解決氫化鋰晶體高壓狀態(tài)方程，我們改進(jìn)了“離子重疊－壓縮模型”，發(fā)展了“粒子重疊－壓縮－多體相互作用模型”，并考慮了次鄰近離子貢獻(xiàn)，計算結(jié)果與現(xiàn)有高壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，獲得了該體系在100GPa壓力區(qū)高壓狀態(tài)方程［18］。后來，“原子重疊－多體相互作用模型”被應(yīng)用到其它惰性原子體系，包括氬、氪等體系，都能精確地給出這些體系的高壓狀態(tài)方程［19，20］。高壓下原子分子物理問題主要基于電子局域結(jié)構(gòu)的體系而提出，這類體系的總勢能可以通過局域累加求得。如果將這種方法用到電子的非局域運(yùn)動起決定作用的體系，例如金屬，多體展開式的收斂性差，因?yàn)樵谶@些體系中外圍次鄰近原子的貢獻(xiàn)大。
在固體電子理論非常盛行的今天，“高壓下原子分子物理”的提法是否已經(jīng)過時呢？我的回答當(dāng)然是否定的。這種學(xué)術(shù)思想強(qiáng)調(diào)相互作用的局域性以及從少體系統(tǒng)向多體系統(tǒng)再向晶體過渡的研究思路，具有非常清晰的物理圖像，可以直接推廣到無序系統(tǒng)和高溫液態(tài)系統(tǒng)的描述。這是基于總能量計算的固體電子能帶論無法獲得的認(rèn)識。再者，基于局域少體相互作用的計算方法不需引入密度泛函近似和對稱性限制，它是一種基于量子化學(xué)從頭算的精密計算方法。因此，即便在崇尚固體電子能帶論的今天，高壓下原子分子物理仍然具有學(xué)術(shù)生命力。
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