Phát xạ sóng hài thông tin cấu trúc phân tử HCN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TSKH Lê Văn Hoàng Sinh viên thực hiện: Đặng Hoàng Thủy Tiên Khóa học 31 (2005 -2009) Tháng 04/2009,Thành phố Hồ Chí Minh Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa học luận văn tốt nghiệp này, nhận động viên, giúp đỡ hỗ trợ nhiệt tình từ cha mẹ, gia đình, thầy cô, nhà trường, người thân bạn bè. Thông qua luận văn tốt nghiệp, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất người. Tôi gửi lời cảm tạ chân thành đến Cha Mẹ tôi, người bên đem lại nguồn sức mạnh giúp nỗ lực. Tôi xin đồng gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến thầy Lê Văn Hoàng – giáo viên hướng dẫn trực tiếp- người thầy tận tình giúp đỡ hướng dẫn, định hướng cho suốt trình nghiên cứu hoàn chỉnh luận văn thầy Nguyễn Ngọc Ty - giảng viên khoa Vật Lý Đại học Sư Phạm TP. HCM – người thầy dẫn giúp giải khó khăn thời gian thực luận văn. Cùng bạn đồng khóa, xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy cô thuộc khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm TP.HCM suốt khóa học truyền đạt kiến thức, dạy học làm người, làm thầy tương lai. Xin cám ơn bạn bè trải qua khó khăn, hạnh phúc quãng thời gian đại học này. Sau xin gửi lời chúc sức khỏe hạnh phúc đến gia đình, thầy cô, bạn bè. Xin cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 04 năm 2009 Đặng Hoàng Thủy Tiên SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng LỜI MỞ ĐẦU K hoa học kỹ thuật phát triển, người ngày cần tìm hiểu trình xảy nhanh chóng tự nhiên, ví dụ chuyển động electron quanh hạt nhân, thời gian sống hạt bản, phản ứng hóa học, sinh học khoảng thời gian femto giây nhỏ hơn… Từ nảy sinh nhu cầu nghiên cứu giải đáp bí ẩn. LASER [1] loại tia sáng đặc biệt. Dựa đặc tính LASER: photon phát mang lượng h , ánh sáng đơn sắc; photon đồng pha tạo chùm ánh sáng kết hợp, giúp cho LASER gây tác dụng mạnh; ra, LASER có tác dụng định hướng tốt, nhà khoa học thấy triển vọng cho hướng nghiên cứu này. Yêu cầu đặt tạo xung LASER có cường độ cao. Việc nghiên cứu tạo xung LASER siêu ngắn có cường độ cao, vào năm cuối kỷ 20 hình thành nên lý thuyết “Lý thuyết chế phát xạ sóng hài bậc cao” (Theory of High-order Harmonic) [10]. Thành tựu mở đường cho loạt ứng dụng kỳ diệu mà trước chưa đạt được, có việc chụp ảnh phân tử LASER siêu ngắn, quan sát trình phân tử cấp độ thời gian femto giây. Sử dụng xung LASER siêu ngắn chiếu vào phân tử để kích thích phát sóng hài bậc cao phân tử, nhà khoa học thu thông tin cho phép họ tái tạo cấu trúc phân tử. Bằng cách đó, nhà khoa học chụp ảnh orbital phân tử chúng biến đổi phản ứng hóa học, điều mà trước chưa thực [11]. Việc thu thông tin cấu trúc phân tử có ý nghĩa SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng quan trọng, từ chỗ người chưa biết, đến ước mơ điều chỉnh, can thiệp vào trình trung gian phản ứng hóa học điều thành thực với thành tựu nghiên cứu bước đầu công bố vào năm 2004 [11], nghiên cứu giáo sư Cokum–Canada. Với mong muốn nghiên cứu lĩnh vực vật lý tìm hiểu ứng dụng thực tế, tác giả chọn đề tài “PHÁT XẠ SÓNG HÀI VÀ THÔNG TIN CẤU TRÚC PHÂN TỬ HCN” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp. Luận văn nhằm kiểm chứng nhận dịnh sóng hài có chứa thông tin phân tử, tìm hiểu thông tin cấu trúc HCN thông qua sóng hài thu được. Trong trình thực luận văn tác giả nhận nhiều điều bổ ích thông qua việc tìm hiểu kiến thức mới, học hỏi không đủ việc tìm tòi bắt kịp phát triển thời đại nhu cầu. Chính thế, thông qua luận văn tốt nghiệp tác giả mong muốn “món quà” gửi đến bạn đọc yêu thích Vật lý nói chung sinh viên khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm TPHCM nói riêng hiểu biết sơ khởi lĩnh vực mẻ, hấp dẫn đầy triển vọng Vật lý học. Hướng đến mục tiêu tác giả chủ trương trình bày nội dung luận văn cách xúc tích, đơn giản cho bạn đọc có kiến thức vật lý đại cương hiểu được. Mục tiêu đòi hỏi tác giả phải viết ngôn ngữ phổ thông, dễ hiểu, hạn chế dùng công thức toán học chưa thật cần thiết, tăng cường minh họa hình ảnh. Luận văn tác giả trình bày thành phần với mục tiêu rõ rệt chương, giúp người đọc nắm nội dung chương: Mục I: Lược sử LASER. Cơ chế phát xạ sóng hài. Mục II: GAUSSIAN cấu trúc lượng HCN. Mục III: Phát xạ sóng hài nghiên cứu động học phân tử HCN/ HNC. Để thuận tiện cho việc theo dõi luận văn, tác giả tóm lược nội dung chính. Mục I: “LASER” thuật ngữ ngày quen thuộc nhiều người, lẽ LASER thâm nhập vào nhiều lĩnh vực sống. Các ứng dụng LASER dễ dàng tìm thấy đời sống hàng ngày, máy đọc SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng đĩa CD, máy quét mã vạch siêu thị, máy in LASER văn phòng… đến phẫu thuật LASER y khoa ứng dụng thông tin liên lạc, quân nghiên cứu khoa học . Tuy nhiên, lâu quen với việc sử dụng ứng dụng khoa học công nghệ đưa vào thực tế tìm hiểu chúng. Trong phần thứ mục tác giả dành đôi trang giới thiệu nét LASER bao gồm lịch sử phát minh LASER, phận cấu tạo nguyên tắc hoạt động LASER giúp người đọc hiểu thêm thành tựu khoa học này. Phát minh LASER phát minh tình cờ hai nhà khoa học Charles Hard Townes Arthur Leonard Schawlow tìm cách chế tạo công cụ để giúp họ nghiên cứu cấu trúc phân tử, không nghĩ chế tạo thiết bị cách mạng hóa nhiều lĩnh vực đời sống, từ công nghệ thông tin đến y khoa, từ dân đến quân sự… Việc phát minh LASER công trình nhiều nhà khoa học. Tuy nhiên, phần lịch sử, tác giả tóm tắt trình phát minh LASER thông qua hoạt động hai nhà khoa học Townes Schawlow, hai người coi cha đẻ LASER (mặc dù người chế tạo LASER Theodore Harold Maiman) giới thiệu tiểu sử vắn tắt hai nhà khoa học này. Để người đọc có nhìn tổng quát trước nghiên cứu chi tiết LASER, tác giả trình bày sơ lược cấu tạo nguyên tắc hoạt động LASER. Nguyên tắc hoạt động LASER đơn giản, để nghiên cứu chi tiết LASER cần phải có khái niệm dùng cho LASER. Trong đó, quan trọng hai khái niệm xạ cưỡng nghịch đảo nồng độ. Các khái niệm trình bày mục I.2. Tiếp theo, tác giả trình bày chi tiết ba phận LASER, cấu tạo nguyên tắc hoạt động chúng. Trong phần tác giả không sâu thông tin biết nhiều qua tài liệu, tác giả giới thiệu điều cần thiết để bắt đầu nghiên cứu vấn đề đặt luận văn. Nhìn chung, nội dung trang bị cho người đọc kiến thức sơ LASER mà không sâu nghiên cứu chi tiết, mục tiêu luận văn Lý thuyết phát xạ sóng hài ứng dụng tìm hiểu thông tin cấu trúc phân tử HCN. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Chính lý đó, tác giả không trình bày ứng dụng LASER, ứng dụng LASER đa dạng đời sống tìm hiểu ứng dụng việc lý thú. Nghiên cứu sâu sở kỹ thuật LASER một đề tài đáng quan tâm, nhiên việc không phù hợp với mục tiêu luận văn. Bạn đọc muốn tham khảo thêm sở kỹ thuật LASER tìm đọc sách “Cơ sở kỹ thuật LASER” (Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển – NXBGD) [2] Ngoài ra, phần thứ hai mục thứ này, tác giả đề cập đến hướng phát triển -LASER siêu ngắn. Quá trình rút ngắn chiều dài xung LASER tác giả trình bày theo tiến trình thời gian. Kể từ thiết bị LASER phát minh Maiman vào năm 1960, tiến triển công nghệ LASER đạt chuyển biến to lớn. Cường độ chùm LASER tăng lên nhiều lần, độ dài xung LASER giảm đáng kể. Trong năm 1990, Zewail et al [12] tạo xung LASER ngắn vào cỡ femto giây, điều có ý nghĩa việc chụp ảnh nhanh phản ứng hóa học thực hiện. Nó mở lĩnh vực gọi femtochemistry (hóa học thang thời gian femto giây 10-15s). Nỗ lực rút ngắn chiều dài xung LASER tiếp diễn. Trong năm gần hai nhà nghiên cứu người Canada tiến sĩ Bandrauk Corkum tạo nên cách mạng khoa học phân tử cách xây dựng cách khái niệm lĩnh vực có tên gọi “attosecond science” (Khoa học thang thời gian atto giây) (10-18s) [Nature]. “Attosecond Science” làm bùng nổ vật lý hóa học đến với ý tưởng đổi việc sử dụng xung LASER siêu ngắn cường độ cao để chụp ảnh phân tử chí điều khiển phân tử cách tối đa. Xung atto giây mở hướng nghiên cứu lĩnh vực liên quan thang thời gian siêu ngắn. Một khả hứa hẹn thay đổi cho hiểu biết vật chất. Cả Science Nature, hai số tờ báo khoa học tên tuổi giới nêu phát triển xung atto giây 10 thuận lợi quan trọng tất ngành khoa học vào năm 2002. Nội dung quan trọng phần thứ hai mục I chủ yếu xoay quanh chế phát xạ sóng hài bậc cao (High order Harmonic Generation-viết tắt HHG), SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng chế giúp tạo xung cực ngắn cho LASER có độ dài xung ngắn, cường độ cao tương tác với phân tử. Để bạn đọc hiểu chế này, khuôn khổ luận văn, tác giả trình bày cách dễ hiểu mô hình tương tác LASER - phân tử (có minh họa hình ảnh) theo mô hình ba bước Lewenstein [10] không sâu vào sở lý thuyết. Các bước mô tả chi tiết mục I.4.3 Cơ chế tương tác LASER siêu ngắn-phân tử phát xạ sóng hài. Sự tương tác LASER với nguyên tử phi tuyến, nghĩa nguyên tử phản ứng khác cường độ LASER khác nhau. Khi trường LASER yếu so với trường Coulomb nguyên tử LASER khuấy nhiễu nhẹ trạng thái nguyên tử ion hóa xảy theo chế đa photon, nghĩa nguyên tử hấp thụ liên tiếp nhiều photon để chuyển lên trạng thái kích thích. Khi trường LASER mạnh so với trường Coulomb (cường độ LASER khoảng 1014W/cm2) ion hóa xảy theo chế xuyên hầm, tức electron xuyên hầm qua hàng rào tạo Coulomb nguyên tử trường LASER để vùng phổ liên tục. Nếu trường LASER mạnh so với trường Coulomb đỉnh rào trở nên thấp electron. Do đó, electron vượt qua rào vào vùng liên tục – ion hóa vượt rào. Tóm lại qua phần thứ I này, nguời đọc có hiểu biết tổng quát LASER tiến trình phát triển từ lúc đời đến nay, hiểu chế phát xạ sóng hài bậc cao, thấy vai trò xung LASER siêu ngắn bước phát triển khoa học nói chung khoa học phân tử nói riêng qua làm sở tiếp tục tìm hiểu mục thứ II. Mục II mục III trình bày hai nội dung luận văn. Sau tìm hiểu chế tạo xung siêu ngắn phát xạ sóng hài bậc cao HHG. Tác giả giới thiệu đến bạn đọc việc trích xuất thông tin phân tử HCN từ sóng hài phát chiếu LASER 800nm, 2.1014 W/cm2, 30 fs tương tác với HCN. Đến có lẽ bạn đọc nảy sinh câu hỏi: Tại HHG lại chứa thông tin phân tử? Tìm hiểu mục II bạn đọc trả lời câu hỏi này. Những thông tin khoảng cách SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng nguyên tử phân tử HCN trình bày luận văn thạc sĩ tác giả Nguyễn Đăng Khoa [4]. Ở đây, tác giả sâu tìm hiểu trình chuyển đổi đồng phân HCN/HNC thông qua việc khảo sát mặt phẳng (Potential Energy Surface–viết tắt PES). Để thực điều tác giả thiết lập mô hình tương tác LASER–phân tử máy tính. Trong luận văn, tác giả sử dụng Source code nhóm nghiên cứu TSKH Lê Văn Hoàng viết lập trình FORTRAN đề tính toán sóng hài LASER tương tác với HOMO phân tử dựa mô hình Lewenstein. Từ đó, tác giả sử dụng số liệu thu vẽ phụ thuộc cường độ sóng hài theo góc định phương. Ngoài sử dụng chương trình GAUSIAN để tính mặt (PES) phân tử HCN. Trong luận văn tác giả sử dụng phần mềm Origin 6.1 để vẽ, dựa điểm cực trị mặt năng, tác giả xác định đồng phân HCN/HNC trạng thái chuyển tiếp. So sánh với kết thực nghiệm khẳng định GAUSIAN cho kết lý thuyết phù hợp. Phân tử chuyển đổi từ đồng phân sang đồng phân khác nào? Câu hỏi tác giả nghiên cứu mục III “Phát xạ sóng hài nghiên cứu động học phân tử HCN” (Molecular Dynamics- viết tắt MD). Các nghiên cứu gần việc dùng LASER siêu ngắn kích thích kiểm soát trình đồng phân hóa HCNHNC cho kết chứng tỏ rằng: việc chuyển từ trạng thái HCN sang HNC phần đóng góp hạt nhân Hydro nhận đủ lượng để vượt qua hàng rào năng, hiệu ứng xuyên hầm đóng vai trò nhỏ. Điều cho ta ý tưởng sử dụng hiệu ứng phát xạ sóng hài tương tác HNC với laser cường độ mạnh với xung siêu ngắn cở femto giây để ‘quan sát’ trình đồng phân hóa, kích thích việc mô quỹ đạo cổ điển trình chuyển đổi HCN-HNC động học phân tử với gần Born-Oppenheimer (BOMD) sử dụng phần mềm Gaussian [6]. Bằng cách thay đổi động ban đầu (vận tốc) nguyên tử Hydro cho kết khác nhau. Kết trình bày mục III ghi nhận hình ảnh cấu trúc phân tử trình chuyển tiếp. Ở đây, thấy trình chuyển đổi từ đồng SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng phân HCN/HNC mô máy tính. Thực điều này, hy vọng HHG giúp tìm hiểu dạng phân tử phức tạp hơn. Đó nội dung tác giả trình bày luận văn. Trong khuôn khổ luận văn tác giả trình bày nét yếu vấn đề. Mong bạn có nhìn khái quát kiến thức sơ lĩnh vực để tiếp tục nghiên cứu tương lai. Tác giả mong nhận góp ý xây dựng bạn để luận văn hoàn thiện hơn. Hy vọng luận văn tài liệu hữu ích cho bạn việc học tập nghiên cứu Vật lý. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Mục I LƯỢC SỬ LASER CƠ CHẾ PHÁT XẠ SÓNG HÀI Trong chương tác giả giới thiệu nét LASER bao gồm lịch sử phát minh, phận cấu tạo nguyên tắc hoạt động LASER. Đồng thời tác giả giới thiệu nỗ lực nhằm rút ngắn độ dài xung LASER nhà khoa học, kể từ máy LASER đời đến năm đầu kỷ 21. I.1 LƯỢC SỬ LASER Ngày thiết bị sử dụng LASER diện nhiều nơi, khách quan mà nói, hiểu hạn chế. LASER từ viết tắt cụm từ tiếng Anh Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation nghĩa khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng bức. Vậy LASER ? Những thông tin thú vị LASER: Ngày nay, LASER trở thành ngành công nghiệp thu hút hàng triệu đôla. Những ứng dụng thông thường LASER dễ dàng nhìn thấy thiết bị quang siêu thị máy đọc đĩa CD, DVD. Không LASER dùng để cắt thép kim loại khác. Nó sử dụng SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Bước 1: Cài đăt chương trình Hướng dẫn thừa nhận việc bạn cài đặt chương trình máy tính bạn. Chỉ dẫn cho việc cài đặt nằm gói chương trình. Bước 2: Chuẩn bị file input Một file input hoàn chỉnh có dạng sau, phần tách dòng trắng bạn phải ý nguyên tắc này. Chúng ta giải thích số thông số cần quan tâm. %chk=HCN.chk %mem=6MW %nproc=1 #opt b3lyp/6-31+g(d,p) geom=connectivity Tên file Phương pháp tính Gaussian job type method (dòng trắng) Title Card Required 01 C H B1 N B2 A1 B1 1.07000000 B2 1.14660000 A1 180.00000000 1.0 3.0 (dòng trắng) Số I điện tích (phân tử trung hòa nên điện tích 0). Số II Spin (dòng trắng) Nguyên tử chọn làm gốc. Đánh số C-1, H-2, N-3 B1- khoảng cách nguyên H tới nguyên tử đánh số 1(C) B2 tương tự B1, A1: góc ( N_ nguyên tử gốc_nguyên tử thứ 2) (dòng trắng) Giá trị tính từ Gaussian Bước 3: Chạy chương trình Gaussian: Khởi động Gaussian:  Cách 1: Nhấp chuột vào biểu tượng shortcut chương trình  Cách 2: Start  Programs  Gaussian 03W Gaussian 03W. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Bây cửa sổ chương trình mở ra: Trước chạy Gaussian job, bạn phải cung cấp file input. Vào menu File để tạo file input xác định file sẵn có. Để tiện trình làm việc lưu trữ, dùng file input thiết lập từ bên đưa vào chương trình. Trước tiên ta cần có file input giới thiệu. Sau vào menu File  chọn Open  mở file input. Xuất cửa sổ sau: SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Ta chỉnh sửa liệu vùng cấu trúc phân tử. Chú ý việc chọn nguyên tử làm gốc dẫn đến xác định giá trị đại số liệu.Sau hoàn tất file input, ta tiếp tục chạy chương trình tính toán Gaussian cách nhấp vào nút RUN. Chương trình mở hộp thoại Enter Job OUTPUT Filename Ta chọn nơi lưu file đặt tên cho file Output. Nhấn nút Save. Chương trình bắt đầu làm việc, đến Run progress báo Progressing Complete tức chương trình chạy xong. Mở file .out để xem kết tính toán từ chương trình. Bước 4: Kiểm tra đọc kết file out Xem kết tính toán Gaussian ta mở file .out. File out file chuẩn bị cho việc chạy HHG chương trình FORTRAN gồm hai phần liên quan đến orbital nguyên tử orbital phân tử. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng GAUSSVIEW Gaussview chương trình tạo nhằm minh họa kết tính toán từ Gaussian hình vẽ thông số tính toán điện tích, khoảng cách nguyên tử, tần số dao động … Đặc biệt hình ảnh orbital nguyên tử (AO), orbital phân tử (MO). Sau hướng dẫn cách sơ lược cách sử dụng Gaussview để thiết lập nhanh thông số tính toán từ Gaussian. Trong Gaussian, thiết lập cấu trúc giả định ban đầu cho phân tử khó khăn phải tuân thủ nguyên tắc ghi số liệu giả định chương trình. Khi thực việc ghi số liệu giả định thường gặp sai phạm, chương trình tính toán tính không đầy đủ yêu cầu đưa ra. Khi ta thấy chương trình lên thông báo lỗi sau: Để khắc phục khó khăn này, ta thiết lập cấu trúc phân tử giả định Gaussview. Trong tương tác laser phân tử tương tác laser orbital có chứa điện tử có lượng cao (Highest Occupied Molecular Orbital _viết tắt HOMO) chủ yếu. Vì việc khảo sát HOMO điều quan trọng. GaussView giúp ta hiển thị hình ảnh HOMO. Ở đây, hướng dẫn bạn chạy Gassview tìm HOMO HCN. Khởi động Gaussview: Start  All Programs  Gaussview  Gaussview SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Hoặc Cick chuột vào shortcut chương trình. Giao diện Gaussview bao gồm nhiều cửa sổ, thêm vào nhiều hộp thoại xuất trình làm việc. Thiết lập cấu trúc giả định HCN Cách 1: Đối với cấu trúc phân tử thông thường, chương trình thiết lập sẵn, ta Click vào R- Group Fragment (biểu tượng chữ R) Toolbars Sau Click vào button hiển thị cửa sổ sau: Ta thiết lập cấu trúc giả định phân tử HCN, chọn cyano, sau nhấp vào hình cửa sổ màu tím ta tìm thấy phân tử HCN giả định. Cách 2: Tùy vào loại phân tử ta lấy sẵn mẫu cung cấp sẵn từ chương trình. Tuy nhiên trường hợp phân tử sẵn chương trình ta thiết lập cấu trúc phân tử theo cách sau. Nhấp chọn Element Fragment (Biểu tượng chữ C góc trái hình). SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Xuất hộp thoại Select Element , giúp người dùng thiết lập cấu trúc phân tử cần khảo sát. Lưu ý chọn thành phần, người dùng phải click vào cửa sổ màu tím để xác nhận thành phần chọn, chọn sang thành phần khác. Khi thiết lập xong, cửa sổ màu tím ta có cấu trúc giả định phân tử HCN. Ta hiển thị trục tọa độ, tên nguyên tố, …bằng cách click chuột phải vào cửa sổ màu tím chọn hiển thị cần thiết. Ngoài ta thay đổi trực tiếp góc liên kết nguyên tử cách click vào biểu tượng góc liên kết thay đổi khoảng 00 đến 1800. Bên cạnh chương trình cung cấp cho người dùng phân tử có cấu trúc phân tử dạng vòng benzen… cung cấp cấu trúc giả định chương trình. Sau thiết lập xong cấu trúc giả định, ta bắt đầu chạy chương trình Gaussian cách click vào SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên chọn Gaussian: Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Màn hình hiển thị cửa sổ giúp ta lựa chọn cách tính toán Gaussian. Trong ta chọn Optimization để chương trình tính toán lại cấu trúc hợp lý HCN. Sau chọn để chọn phương pháp tính toán basic set (bộ hàm sở). Tùy thuộc vào mục đích tính toán mà ta sử dụng phương pháp tính riêng, giới hạn luận văn giới thiệu cách sử dụng Gaussview việc tìm hiểu phương pháp tính hàm sở không giới thiệu đây. Trong trường hợp HCN, tác giả chọn phương pháp tính sau: Sau chạy chương trình tính toán Gaussian, cách nhấn nút , lúc chương trình hỏi ta có save lại thông số nhập vào không, ta chọn save. Giả sử file save đặt tên HCN.gif, sau nhấn Ok thấy cửa sổ sau: Chương trình Gaussian thực tính toán vài giây. Khi hoàn tất: SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Sau mở file theo đường dẫn sau: C:\G03W\Scartch\tênfile.chk Khi GaussView xuất thêm cửa sổ nhỏ (màu tím) cấu trúc phân tử sau tính toán từ Gaussian. Lúc này, ta đóng cửa sổ tím ban đầu chứa cấu trúc giả định phân tử. Để xem lại kết tính toán ta click vào Results  View File. Tiếp theo ta tiếp tục dùng kết tính toán để tìm orbital phân tử HCN. Có hai cách tìm orbital phân tử: Cách 1: Vào Edit  MOs (viết tắt từ Molecule Orbital) Cách 2: Click trực tiếp vào biểu tượng công cụ. Cả hai cách đề cửa sổ: GaussView giúp ta hiển thị hình ảnh HOMO cách chọn Trong mục Add Type chọn HOMO, chọn Orbital cần tính xong ta click vào biểu tượng , chờ vài giâysẽ thấy hình ảnh HOMO cần vẽ phân tử HCN sau: SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng FORTRAN ĐO HHG DO TƯƠNG TÁC LASER-PHÂN TỬ Ta biết cường độ LASER thay đổi tuần hoàn theo thời gian, vòng tuần hoàn ta gọi xung. Trong xung, thời điểm LASER đạt cường độ cực đại gọi cường độ đỉnh. Khi dùng xung LASER tương tác ta phải xét đến yếu tố sau xung LASER:  Cường độ đỉnh  Độ dài xung  Tần số  Pha Ở đây, ta chọn xung Laser có: Cường độ đỉnh: 2.1014 W/cm2, độ dài xung: 30 fs, tần số:  có lượng 1,551 eV, bước sóng: =800 nm, pha: =0  Bước 1:Chạy get_wf_xie-modifyO2.f Source Code viết chương trình FORTRAN nhóm nghiên cứu TSKH Lê Văn Hoàng viết. B1 Chuẩn bị File Input: Để chạy get_wf_xie-modifyO2.f ta cần hai file input: file chứa thông tin orbital nguyên tử (*.atom) file chứa thông tin orbital phân tử (*.molecule) Hai file có từ file *.out chạy chương trình Gaussian. File *.atom: Chọn phần “AO basis set in the form of general basis input” SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng File 2: *.molecule. Chọn phần “Molecular Orbital Coefficients” 19 19 Chú ý: Khi lưu mục save as type ta phải chọn All Files, SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp B2 GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Quy định giá trị tham số Mở file: dipole.h file quy định giá trị số. VD: Pi=3.141592654 B3 Chạy get_wf_CHN.f Trong ta kiểm tra thông tin NAB, NSHELL phù hợp với thông tin file *.molecule (các thông tin đánh dấu phần trên) Số thông tin phân tử (trong VD có 19 thông tin phân tử 1, có thông tin phân tử 2, có 19 thông tin phân tử 3) Chú ý nút hình. Số lớp elctron phân tử(trong VD phân tử có lớp, phân tử có lớp, phân tử có lớp) SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Ta nhấn nút sau:  Complie: để chuyển thông tin sang ngôn ngữ máy.  Nếu lỗi: phía hình có thông tin sau:  Nếu có lỗi: máy báo sau có dẫn đến vị trí có lỗi, nhờ ta sửa lỗi dễ dàng (trong VD: máy báo lỗi dòng open1(1,file="coe.MOLECULE")  Built: kiểm tra cấu trúc thông tin.  Execute Program: chạy HOMO File xuất có dạng input.wf  Bước 2: Chạy LewMol_2.2.f, source code viết FORTRAN sử dụng mô hình Lewenstein để tính toán HHG phát phân tử, nguyên tử tương tác với laser cường độ mạnh. B1 Chuẩn bị File input: Khi chạy LewMol cần file sau: File omega-new.in chứa thông tin laser sử dụng: (có số)  Số thứ bội số chu kì, sau n chu kì, ta có xung  Số thứ hai(x 1014) cường độ đỉnh.  Số thứ ba: tần số omega (eV)  Số thứ tư pha (pi)  Số thứ năm ion hóa. 30fs. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng File Rinfo.inp để kiểm tra xem thông tin có giống file *.gif Guassian không?  NAtom: số nguyên tử phân tử (trong ví dụ ta thấy có nguyên tử)  Units: đơn vị dùng, đơn vị Bohr ghi số 1, đơn vị Ams ghi số (trong ví dụ ta chọn đơn vị Ams nên ghi số 2)  Dòng tọa độ nguyên tử, rút từ file *.gif  Dòng tiếp đại lượng mà LewMol_2.2.f tính, ta tính ghi 1, không tính ghi 0. File Orient.in chứa thông tin góc hợp vectơ phân cực laser trục phân tử. B2 Chạy LewMol_2.2.f Sau chuẩn bị sẵn sàng file input, làm bước tương tự chạy file: get_wf_CHN.f cho kết file hhg.dat, file kết có cột: cột bậc HHG, cột giá trị bình phương dipole theo phương song song, cột giá trị log10 dipole theo phương song song, cột giá trị bình phương dipole theo phương song song, cột giá trị log10 dipole theo phương song song. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Tuy nhiên, bậc HHG lẻ, khó sử dụng, ta sử dụng hhg-average-newH.f để tính gần bậc HHG.  Bước 3: Chạy hhg-average-newH.f Tương tự chạy: hhg-average-newH.f cho kết file hhg-power.dat. Kết có cột tương tự file hhg.dat: cột bậc HHG, cột giá trị bình phương dipole theo phương song song, cột giá trị log10 dipole theo phương song song, cột giá trị bình phương dipole theo phương song song, cột giá trị log10 dipole theo phương song song. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trần Trác, Diệp Ngọc Anh, Quang học, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2005. [2] Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển, Cơ sở kỹ thuật LASER, Nhà xuất Giáo dục, 2005. [3] Nguyễn Ngọc Ty, Nguyễn Đăng Khoa, Lê Văn Hoàng. Thông tin động cấu trúc phân tử C2H2 sóng hài bậc cao sử dụng xung LASER siêu ngắn. Tạp chí KH (ĐH Sư Phạm TP HCM), Khoa học tự nhiên, số 12, tr. 119-130 [4] Nguyễn Đăng Khoa. Luận văn thạc sĩ, trường Đại học Khoa học tự nhiên TP. Hồ Chí Minh, 2008. [5] Nguyễn Đông Hải khóa luận tốt nghiệp LASER siêu ngắn ứng dụng chụp ảnh phân tử, trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh. 2006 [6] James B. Foresman, Æleen Frisch, Exploring Chemistry with electronic Structure Methods, 2nd edition, Gaussian Inc., Pittsburgh, PA. [7] Nguyen Ngoc Ty, Le Van Hoang, Le Anh Thu, Chii-Dong Lin, Tracking HCN/HNC Isomerizing Process by UltraShort Intense LASER, 2009. [8] Le Van Hoang, Nguyen Ngoc Ty, Le Anh Thu, Chii-Dong Lin C Jin, Retrieval of interatomic separations of molecules from LASER-induced highorder harmonic spectra, J. Phys. B 41 (2008) 085603-8 [9] Peter Hannaford, Femtosecond LASER Spectroscopy. 2005 [10] M.Lewenstein, Ph. Balcou, M. Yu. Ivanov, Anne L’Huillier P.B. Corkum, Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser field. 1994 SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng [11] Anh Thu Le, R Della Picca, P D Fainstein, D A Telnov, M Lein. Theory of high-order harmonic generation from molecules by intense LASER pulse. 2008 [12] Zewail A H (2000) J. Phys. Chem. A Vol.104, p. 5660 [13] Itatani et al (2004), Nature, Vol. 432 [14] J. Itatani, J. Levesque. Hiromichi Nikura, H.Pépin, P.B. Corkum D.M Villeneuve. Tomographic imaging of molecular orbitals, Nature , Vol.432, 2004 [15] M Protopapas, C H Keital P L Knight. Atomic phusics with super-high intensity lasers. 1996 SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên [...]... đồng phân của HCN  Sóng hài mang thông tin cấu trúc phân tử Khi xung LASER cỡ femto giây tương tác với phân tử, điện tử HOMO được giải phóng quay lại va chạm với phân tử mẹ Phát ra tần số gấp nhiều lần LASER chiếu vào xảy ra chính vào giai đoạn va chạm nên nó mang nhiều thông tin cấu trúc của phân tử SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Mục II GAUSSIAN VÀ CẤU TRÚC... mà trước nay chưa từng đạt được, trong đó có việc chụp ảnh phân tử bằng LASER siêu ngắn Sử dụng một xung LASER siêu ngắn chiếu vào phân tử để kích thích sự phát sóng hài bậc cao của phân tử, các nhà khoa học có thể thu được những thông tin cho phép họ tái tạo cấu trúc phân tử Bằng cách đó, các nhà khoa học đã chụp ảnh được các orbital phân tử khi chúng biến đổi trong các phản ứng hóa học, điều mà trước... khái niệm cơ bản của vật lý phân tử có liên quan và các bước thiết lập mô hình tương tác của LASER và phân tử HCN và đồng phân của nó là HNC Từ đó ta thấy rằng có thể phân biệt được đồng phân HCN và HNC thông qua việc khảo sát cường độ sóng hài theo góc định phương Đồng thời, tác giả tìm hiểu quá trình chuyển đổi đồng phân HCN/ HNC thông qua việc vẽ mặt phẳng thế năng của phân tử Để thực hiện mục đích... một trong những đối tượng nghiên cứu rộng rãi, có cấu trúc phân tử khá đơn giản (cấu trúc thẳng) Trong các đám mậy lạnh và đậm đặc người ta còn nhận thấy sự có mặt đồng phân HNC Chính những yếu tố trên phân tử HCN phù hợp chọn để khảo sát quá trình đồng phân hóa từ HCN đến HNC cùng các tác nhân của nó Tổng quan Hydrogen cyanide Công thức phân tử HCN Phân tử gam 27.03 g/mol Biểu hiện Khí hoặc chất lỏng... LASER siêu ngắn là giúp nghiên cứu thông tin cấu trúc của nguyên tử (phân tử) Ở luận văn này tác giả khảo sát về cấu trúc phân tử HCN phụ thuộc vào vị trí của nguyên tử Hydro (H( R, )) và mô phỏng quá trình chuyển đổi đồng phân từ HCN sang HNC bằng cách khảo sát mặt phẳng thế năng (Potential Energy Surface – viết tắt PES) theo hai tham số khoảng cách R từ nguyên tử Hydro đến vị trí được chọn làm gốc... tác giả trình bày ngắn gọn đặc điểm của phân tử được chọn nghiên cứu trong luận văn hydrogen cyanide HCN Tiếp đến tác giả giới thiệu các bước tiến hành thiết lập mô hình tương tác LASER phân tử trên máy tình, nhằm thu được thông tin câu trúc phân tử, và tính HHG phát ra trong tương tác tương ứng Cuối cùng dùng chương trình GAUSSIAN để khảo sát thế năng của phân tử thông qua số liệu tính được từ HHG SVTH:... thu được từ nguyên tử được nghiên cứu và biết được nhờ vào tính đối xứng qua tâm Tuy nhiên, phân tử là hệ không đẳng hướng, và sự sắp xếp hỗn độn của phân tử cản trở các nhà nghiên cứu trong việc tìm hiểu chi tiết về đặc trưng vật lý của HHG phát ra từ phân tử Nhưng gần đây khả năng sắp xếp và định phương phân tử bằng LASER phát triển tạo điều kiện khởi đầu để khám phá HHG từ phân tử, từ những đối xứng... của tất cả các trạng thái liên kết khác ngoài trạng thái cơ bản vào quá trình phát xạ sóng hài là không đáng kể (ảnh hưởng của thế phân tử mẹ lên electron ở đây được bỏ qua) Sử dụng hai giả thuyết trên, Lewenstein đã mô tả quá trình phát xạ sóng hài như sau Ta đã biết, khi trường LASER được chiếu vào nguyên tử thì nguyên tử sẽ bị ion hóa theo cơ chế đa photon, xuyên hầm, hay vượt rào phụ thuộc vào... phát Hình 1.2.2 Sự phát xạ tự phát Khi nghiên cứu quá trình tương tác giữa ánh sáng và vật chất, Einstein cho rằng không những các hạt phát xạ một cách ngẫu nhiên mà còn có thể phát xạ do tác động của bên ngoài, được gọi là sự phát xạ cưỡng bức (phát xạ kích động) Đó chính là quá trình vật lý cơ bản qui định hoạt động của máy LASER Nó diễn ra khi có sự tương tác giữa photon và nguyên tử bị kích thích... ứng va chạm giữa những nguyên tử hoặc phân tử khí với những điện tử tự do chuyển động nhanh dưới tác dụng của điện trường ngoài Do va chạm với những điện tử nhanh, những nguyên tử hoặc phân tử khí trong bình với áp suất thấp (0.011mmHg) sẽ bị ion hóa hoặc kích thích hóa Người ta quan tâm nhiều tới trường hợp kích thích hóa, khi đó những điện tử của nguyên tử hoặc phân tử được nhận được năng lượng do . “PH ÁT XẠ SÓNG HÀI VÀ THÔNG TIN CẤU TRÚC PHÂN TỬ HCN làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp. Luận văn nhằm kiểm chứng nhận dịnh sóng hài có chứa thông tin phân tử, và tìm hiểu thông tin cấu trúc HCN. chương: Mục I: Lược sử LASER. Cơ chế phát xạ sóng hài. Mục II: GAUSSIAN và cấu trúc năng lượng HCN. Mục III: Phát xạ sóng hài nghiên cứu động học phân tử HCN/ HNC. Để thuận tiện cho việc. nghiên cứu chi tiết, bởi vì mục tiêu của luận văn này là Lý thuyết phát xạ sóng hài và ứng dụng tìm hiểu thông tin cấu trúc phân tử HCN. SVTH: Đặng Hoàng Thủy Tiên Luận văn tốt nghiệp GVHD: TSKH