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能壘都是一個與溫度無關的反應通道

更新時間:2023-11-25 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

室溫的本質,是分子、原子的內部震動的動能,以及整體的平移運動的動能。氣溫越高,震動越劇烈,平移運動的速率也越快。其實有平移的運動,就有分子間的撞擊,這些撞擊,既改變兩個分子的平移運動的速率,也改變兩個分子內部震動。正是通過這些方法,實現二氧化碳和液體分子的熱傳導,達到熱平衡,也就是在統計上,每位分子的內部震動的動能,以及整體的平移運動的動能大致差不多——更詳盡的,則是動能的大小概率,根據玻爾茲曼函數分布。真正理解體溫,可能須要一定的化學基礎分子熱運動的劇烈程度,但寬泛而言,清楚如下的事實即可:FcR物理好資源網(原物理ok網)

鍵能,是一個與氣溫無關的量,無論氣溫為多少,只要分子結構是一樣的,鍵能就是一樣的。但氣溫越高,內部震動也越劇烈,可以覺得假如劇烈到一定程度,震動的動能才能與鍵能相當的時侯,就有可能造成破裂——但應當記住,鍵能只與頓時的分子構象有關,和原子的運動速率沒有關系,也就是和氣溫沒有關系。FcR物理好資源網(原物理ok網)

能壘,也是一個與氣溫無關的量,一個物理反應,不管氣溫為多少,只要走的是同一個反應通道,能壘都是一樣的。其實,不同的水溫,也就有了不同的動能,這種動能,還能幫助分子跨過能壘,因而促使反應更容易——但這絕不是指氣溫下降造成能壘增加!FcR物理好資源網(原物理ok網)

迸發態、激發能,原理上也與氣溫無關。也只與頓時的分子結構有關。但不同水溫下,分子的平衡結構有一定的變化,甚至會逗留在不同的亞穩態結構,這就造成出現了氣溫影響了迸發態的表象。FcR物理好資源網(原物理ok網)

分子的震動,估算震動的原理也十分簡單,也就是在平衡位置(能量最高點)對結構進行微小改變,這樣得到能量與結構的變化趨勢,也就是得到能量與鍵長鍵角的關系(一階梯度、二階梯度,其中二階梯度就是力),其實也可以用解析的方法,通過公式推論得到能量的梯度,梯度得到之后,就得到震動譜。須要注意的是,這個估算過程,和氣溫沒有任何關系。而氣溫的本質,無非就是氣溫越高,振幅越大,震動能量越大而已,反過來說,震動越劇烈,造成所謂的氣溫越高。因而可以估算不同水溫下的熱力學性質,這種熱力學性質,實際上就是在不同水溫下,震動的劇烈程度。簡而言之,震動譜和氣溫沒有關系,熱力學性質由震動譜決定,與氣溫有關系——是通過玻爾茲曼分布對震動劇烈程度進行分布,玻爾茲曼分布是和濕度有關的一個分布函數,通過這些分布,將體溫考慮進來。用一個形象的比喻:理想的彈簧的震動性質,實際上只和彈簧的彈性系數有關,理想彈簧的彈性系數和氣溫沒有關系,但氣溫越高,彈簧彈的越劇烈,具體有多劇烈,就是用玻爾茲曼分布公式來確定。FcR物理好資源網(原物理ok網)

能量分解,是與氣溫無關的一個東西。就好象勢能面是與氣溫無關,一樣的道理。之所以升溫容易反應,只不過是熱量提供了能量,致使分子抵達了能量較高的結構而已。并不是說氣溫不同,所以勢能面不同了。無論多少度的能量分解,都是一樣。電子的能量,只與分子結構有關,和分子的熱運動的能量(震動情況)無關。在熱運動(震動)過程中,分子的結構每一霎那都在改變。每一霎那的能量分解都不同,而且只依賴當時那一霎那的結構。FcR物理好資源網(原物理ok網)

總的來說,量子物理估算,都是基于一個靜態的結構。而實際上,原子總是在運動的,雖然是在絕對零度,原子也是在運動的。只不過氣溫越低,運動越是平緩、幅度越微弱。所以就算是在絕對零度,量子物理估算的也只是在運動中的某一個頓時的結構的性質。一般,我們做能量最小化,得到的結構就是絕對零度的時侯的震動的一個平衡位置分子熱運動的劇烈程度,形象的說,一個彈簧在震動的時侯,有一個狀態是平衡狀態,與這個狀態相比,拉長會有回縮的趨勢,壓縮會有伸長的趨勢。FcR物理好資源網(原物理ok網)

而分子動力學模擬,本身原理十分簡單,在給定一個原子的分布以后,軟件一般會隨機地給那些原子一個初始的速率,同時估算出在這個情況下,每位原子的受力,這樣原子的初始座標、初始速率、力(也就得到了加速度)都有了,因而接出來怎么運動,就確定了。在這樣的加速度下運動一個時間段(在分子動力學模擬中,稱作時間步長timestep),之后再度估算每位原子的座標、速度、力(加速度)。這么重復。在timestep以內,覺得加速度不變,這實際上是一個粗糙的近似,由于只要在運動,力肯定是變化的,也就是說加速度是變化的。但真正完全精確的連續精確地處理加速度,這不現實,也沒有必要。由于力場本身就不精確。FcR物理好資源網(原物理ok網)

為此,假如使用的力場是絕對精確的,這么timestep越小,結果越精確,但timestep越小計算量越大;同時力場本身就不是精確的,所以timestep過小沒有意義,并不會減小精度,但也不能過大,過會議帶來很大的偏差(誘因如上一段所說)。通常合鐵錠體材料,timestep大概為1~2fs,而涉及物理反應的模擬,通常timestep不能太大,0.25fs是合適的。FcR物理好資源網(原物理ok網)

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