密度泛函理论发展及其在原子碰撞模型中的应用

Density functional theory, as an approximation method for ab initio calculation of the electronic structure of inhomogeneous many-particle systems, is one of the most successfully and widely used methods in the computational condensed matter physics, materials science and quantum chemistry. Extending to the application of the excited state is one of the main directions of development of the density.functional theory. A unified point of view or model is urgently needed to explain all phenomena in collision experiment between heavy ion and atom/molecule. Current project, considering the application requirements in the theoretical study of atom collision as the guide and traction, basing on the innovative development of the time dependent density functional theory as the background and support, is.committed to the development of density functional theory and its application in atomic collision model.

原子、分子、离子间的碰撞反应是复杂的动态物理过程，是存在于天体物理、大气物理、大气化学、化学反应中最普遍的物理、化学现象之一。随着离子束技术的广泛应用，人们对重离子碰撞过程的研究兴趣日益增加，本项目拟以原子碰撞理论研究的应用需求为导向和牵引，以含时密度泛函理论方法的创新发展为底蕴和依托，走基础理论创新与应用需求牵引紧密相结合的科学研究道路，发展从电子密度中提取量子态分辨信息的方法，拓展密度泛函理论方法到原子、分子碰撞动力学理论模型激发态应用，以统一的观点和模型来解释中能重离子与原子/分子碰撞实验所有现象，阐明中能重离子与原子碰撞动力学机制和诱导小分子碎裂机制。

密度泛函理论的基本想法就是用电子密度取代电子波函数做为描写多电子体系的基本状态量，用密度泛函描述和确定体系的性质而不求助于体系波函数。与基于电子波函数的理论方法相比，密度泛函理论的形式发生了根本变化，放弃了电子波函数的概念，代之以电子密度为基本量，认为体系的所有物理信息包含在电子密度中。这产生了一个有关密度泛函理论应用的关键共性问题：如何从电子密度中提取出可观测物理量的信息？为此，本项目在含时密度泛函理论框架下探索和发展了一系列可能的从电子密度中提取出量子态分辨信息的路径方法，并成功地应用于一系列重离子与原子/分子碰撞动力学理论模型研究中，模型计算的结果与实验符合得很好。本项目取得的重要结果如下：1）首先我们发展、完善了一套从电子密度中提取激发态布居几率的方法及其程序。2）在结果1）的基础上，拓展、完善了一套非全裸重离子与原子/分子碰撞动力学理论模型及其程序，实现以统一的观点/模型来解释中能重离子与原子/分子碰撞动力学过程所有现象。3）在结果1）、2）的基础上，开展了重离子与典型惰性气体原子碰撞电子俘获反应中态选择截面、非全裸重离子-原子碰撞转移电离反应中电子-电子关联效应等研究；开展荷能离子与小分子碰撞过程分子的电离及碎裂动力学机制、多原子分子的同分异构化及分子键断裂的选择性等研究。本项目取得结果的特色与创新之处如下：1）在密度泛函理论源头创新，促进密度泛函理论拓展到激发态的应用，具有前沿性、科学性，具备方法、理论和知识产权特征。2）以统一的观点/模型来解释中能重离子与原子/分子碰撞动力学过程所有现象，不仅可以进一步加深对相关碰撞动力学过程及其规律的理解和认识，同时还可以为实验室聚变等离子体、天体等离子体的模拟，以及宇宙射线和低能太阳风辐照效应的模拟提供重要的原子参数，属于与实验物理结合密切、探索性强的新计算方法研究和模拟软件开发。