Решение задач на тему: Модель сверхбыстрой рекомбинации зарядов с учетом оптической качки

Введение

Перенос электрона является одной из самых распространенных химических реакций, присутствующей в качестве элементарной стадии во многих химических процессах; например, в окислительно-восстановительных процессах, в электрохимических реакциях, в фотосинтезе. Участниками реакции являются - донор электрона (восстановитель) и акцептор электрона (окислитель), причем в качестве донорно-акцепторной пары могут выступать как отдельные молекулы или ионы, так и связанные фрагменты в пределах одной молекулы или молекулярного комплекса. Перенос электрона часто наблюдается в фотоиндуцированных химических реакциях. После поглощения фотона, нейтральная молекула переходит в возбужденное состояние, при этом существенно изменяются ее донорно-акцепторные свойства. Под действием короткого лазерного импульса удается создать значительную концентрацию молекул в возбужденном состоянии, которые могут играть роль донора или акцептора электронов.

Современная лазерная техника позволяет создавать световые импульсы длительностью в десятки фемтосекунд, что дает возможность наблюдать за динамикой элементарного акта сверхбыстрой фотохимической реакции [9, с. 3643]. Эти исследования дают подробную информацию о структуре исследуемых химических систем, а также о динамических свойствах их ближайшего окружения. Вместе с тем, интерпретация данных эксперимента возможна только в рамках адекватных моделей. В настоящее время для теоретического описания сверхбыстрых фотохимических процессов часто используется приближение мгновенного заселения возбужденного состояния [6, с. 8]. Это предположение не всегда оправдано, так как характерные времена химических превращений в системе часто сравнимы с длительностью импульса накачки. Последовательное описание таких реакций требует разработки специализированных моделей, явно учитывающих процесс фотовозбуждения донорно-акцепторной пары.

Целью выпускной квалификационной работы является исследование влияния динамических и спектральных характеристик импульса фотовозбуждения на кинетику сверхбыстрой рекомбинации зарядов в ДАК.

Решаемые задачи:

) разработка двухуровневой стохастической модели донорно-акцепторного комплекса, учитывающей процесс оптической накачки в рамках теории возмущений,

) разработка алгоритмов численного моделирования процессов фотовозбуждения ДАК в рамках метода случайных траекторий,

) тестирование разработанных алгоритмов путем сравнения численных результатов с известными аналитическими решениями в частных случаях,

) численное исследование кинетики сверхбыстрой рекомбинации зарядов в ДАКв различных режимах накачки.

Оглавление

- Введение

- Модель сверхбыстрой рекомбинации зарядов с учетом оптической накачки 1.1 Общая схема реакции

- Реорганизация среды

- Электронные термы

- Механизм реакции

- Стохастическая модель рекомбинации

- Учет динамики оптической накачки ДАК

- Учет спектральных характеристик импульса накачки Глава 2. Численное моделирование

- Тестирование

- Влияние глубины накачки на форму начального диффузионного пакета и на кинетику фотовозбуждения

- Влияние времени релаксации растворителя на кинетику накачки

- Влияние длительности импульса и глубины накачки на профиль диффузионного пакета

- Влияние длительности импульса на кинетику фотовозбуждения Заключение

- Список литературы

- Приложение А

Заключение

В данной работе исследовано влияние динамических и спектральных характеристик импульса фотовозбуждения на кинетику сверхбыстрой рекомбинации зарядов в ДАК. Разработаны модели и численные алгоритмы, позволяющие моделировать как оптическую накачку без учета спектрального состава импульса возбуждения, так и двухуровневая стохастическая модель электронного переноса, принимающая во внимание спектральные характеристики импульса лазерного излучения. Получено аналитическое выражение для скорости некогерентного оптического электронного перехода в рамках теории возмущений по величине оптической связи. Получено аналитическое выражение для вероятности оптического перехода в течение заданного интервала времени, на основе которого разработаны алгоритмы компьютерного моделирования процессов накачки. Результаты тестирования расчетных алгоритмов показали полное совпадение с известными аналитическими решениями в частных случаях. С помощью полученных алгоритмов проведены серии численных расчетов,

Список литературы

1.Зусман Л.Д. К теории реакций электронного переноса в полярном растворителе // ТЭХ. - 1979. - Т.15. - N 3. - С.227-233.

. Иванов А.И., Федунов Р.Г., Феськов С.В. Влияние частоты возбуждающего импульса на динамику обратного переноса электрона. Стохастическая модель // Журн. Физ. Хим. - 2004. - Т. 123. - 135-13540р.

. Иванов А.И., Ионкин В.Н., Феськов С.В. Ускорение рекомбинации фотовозбужденных донорно-акцепторных комплексов высокочастотной колебательной модой // Журнал физической химии - 2008. - т. 82. - N 2. - С. 1-7.

. Ландау Л. Д., Лившиц Е. М., Квантовая механика. Нерелятивистская теория, 3 изд., М., - 1974.

. Феськов С.В. Метод броуновского моделирования в задачах расчета динамики электронного переноса // Выч. методы и прогр. - 2009. - Т. 10. - С.202-210.

. Феськов С.В. Электронный перенос в конденсированных средах: основый теории и методы численного моделирования [Текст]// учеб.-метод. пособие / С. В. Феськов; Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2010. - 52с., ил.

7. А. I. Ivanov, R. G. Fedunov, S. V. Fes'kov. The Influence оf the Exciting Laser Pulse Frequency оn the Dynamics оf Back Electrоn Transfer: а Stochastic Model // Russian Journal оf Physical Chemistry, Vol. 78, Nо. 8, 2004, рр. 1270-1276.

. Feskov S., Gladkikh V., Burshtein Anatoly I. Kinetics оf non-thermal electron transfer controlled by the dynamical solvent effect // Chemical Physics Letters - 2008. - 6 June. -71-75 р.

. Serguei V. Feskov, Vladimir N. Ionkin, Anatoly I. Ivanov, Hans Hagemann, Eric Vauthey. Solvent and Spectral Effects in the Ultrafast Charge Recombination Dynamics оf Excited Donor-Acceptor Complexes // J. Phys. Chem. А 2008, 112, 594-601 р.

. Risken Н. The Fokker-Planck equation: Methods оf solurion and applications. - Berlin: Springer-Verlag, 1989. - 475 р.

. Roman G. Fedunov, Serguei V. Feskov, Anatoly I. Ivanov, Olivier Nicolet, Ste´phane Page's, Eric Vauthey. Effect оf the excitatiоn pulse carrier frequency оn the ultrafast charge recombinatiоn dynamics оf donor-acceptor complexes: Stochastic simulations and experiments // Journal оf chemical physics. - 2004. - 20 August. - N 8. -3643-3656 р.

. Pages S., Lang В., Vauthey Е. Ultrafast spectroscopic investigation оf the charge recombination dynamics оf ion pairs // J. Phys. Chem. А. - 2004. - V.108. -549-557 р.