Введение к работе
Атуалъ: їсть тежи: Взаимодействие атомных частиц с поверхностями твердых тел в последнее время занимает все более видное место в физике конденсированного состояния. Процесс взаимодействия атомных частиц с поверхностью твердого тела - это важный источник информации об элементном составе, степени релаксации, примесях, дефектах кристаллической решетки поверхностного слоя, изучение которого имеет фундаментальное значение для многих областей современной науки и техники.
Изучение поведения водорода на поверхности твердого тела представляет одно из интереснейших направлений в физике и физической химии взаимодействия атомных частиц с поверхностями. Предельная простота электронных свойств и малая масса атомов водорода, определявщие, в частности, возможность анализа явлений на микроскопическом уровне, делают систему водород-металл уникальными для изучения широкого" класса проблем данной области. Хемосорбция является первой стадией любого взаимодействия водорода с металлами. Понимание механизма этого явления необходимо для выбора эффективных катализаторов и режимов их работы. Различные свойства металов,-в частности коррозионные и прочностные, а также создание материалов, фильтрующих водород (палла-диевые фильтры), зависят от количества растворенного металлом водорода, поглощение которого металлом начинается с процесса хе-мосорбции.
Следует отметить развитие представлений о реконструкции поверхности при хемосорбціш водорода, о миграции ири создании существенно неравновесных термодинамических условий в результате взаимодействия с атомными или ионными потоками водорода. В пос-
- г -
ледним случае при рассматронии процессов раствореїшя и диффузии должно учитываться влияние больших степеней заполнения междууз-лий водородом и радиационных дефектов, образущих неподвижние или подвижные комплексы водород-дефект.
Но повестку дня поставлено изучение квантовой теории процессов взаимодействия атомов газа с поверхностью твердого тела, в которых существенную роль играют корреляционные явления. Наиболее характерним примером таких процессов является рекомбинация атомов газа на поверхности твердого тела. Реакция поверхностной рекомбинации атомов газа играет важную роль во многих процессах, протекающих как в естественных, так и в искуствонют условиях. Ряд явлений - дифракцию атомов легких газов на поверхностях, теплообмен меящу газом к твердым телом и других,- можно считать достаточно хорошо изученными как с экспериментальной, так и с теоретической точек зрения. Наряду с этим, необходимо отметить, что в литературе фактически отсутствуют работы, посвященные квантовому описании происходящих на поверхностях твердих тел с участием двух и более атомов газа, в том число простейших католических химических реакций. Указанный пробел, очевидно, можно объяснить, во-первых, сложностью мяогочастичних расчетов вообще и на поверхности, в частности, и, во-вторых, относительной "молодостью" данной области - первая работа, с которой начинается современная квантовая теория взаимодействия атомов газа с поверхностями была опубликована лтіь в 1970 г.
Целью работы являлось развитие нового подхода к изучению системы водород-ион поверхности, нового подхода к изучению процесса хемосорбции водорода на поверхности металлов и созданкэ
квантовой теории процесса рекомбинации атомов водорода на по верхности твердого тела.
Научна новизна: В диссертационной работе исследованы зарядовые состояния системи протон-ион поверхности, проанализирована возмоглость образования связанных состояний в этой системе.
К изучению процесса адсорбции атомарного водорода на по верхностях твердих тол бил применен подход "поверхностной моле-кули", позволяющий провести анализ адсорбционных явлений без привлечения громоздкого матиматического аппарата. Кроме того, для изучения адсорбции водорода на поверхностях металлов бил привлечен метод двухчастичных функционалов плотности. В рамках обоих методов произведены числешше расчеты, для чего был разработан комплекс программ для ЭВМ. Анализ результатов показывает, что первый метод, несмотря на исключительную простоту используемой модели и математического аппарата, обеспечивает хорошее качественное согласие с экспериментальными данными и результатами
V.,
более мощных физических моделей. Результаты, полученные с помощью второго метода, хорошо количественно согласуются с дашшми эксперимента.
Предложен метод теоретического описания процесса рекомбинации атомов газа па поверхности твердого тела в рамках квантовой теории рассеяния нерелятивистских частиц, позволяющий одновременно учитывать" как перестройки в газовой фазе, так и колебательные возбуждения катализатора. Из анализа проведенных расчетов реакции рекомбинации атомов водорода на поверхности L1F(001) для бесфононного и однофононного процессов предсказана принци шальная возможность осуществления реакции резонансным способом.
_ 4 -
Показано, что в широком интервале температур, отвечающем условию бэсструктурности атомов, для описания взаимодействия тепловых атомов с поверхностью твердого тела может быть применен формализм двух квантовых частиц в поле. Доказывается, что корректный учет фонон-обцонного взаимодействия между атомами может быть осуществлен мэтодами теории возмущений.
Проведено исследование спектральних свойств оператора Шредингера для системы двух атомов в поло поверхности, позволяющее предсказать возможность образования связанной пары атомов в слое адсорбированного газа при температуре около абсолютного пуля при наличии сколь угодно слабого мзііатомного притяжения.
Яршшическая и тучная ценность результатов диссертации состоит в том, что они могут быть положены в основу для развития квантовой теории диффузии и, в частности, диффузии водорода, которая отличается аномальними явлениями в переходных металлах, а также могут быть использованы для развития квазиклассичоских методов описания процессов рассеяния мэдлоншх (тепловых) частиц поверхность!) твердых тел и могут найти широкое применение в материаловедении и в водородной энергетике.
Практическая значимость поверхностной рекомбинации обуславливает необходимость точного и аффективного выбора катализатора в той или иной ситуации. Непосредственный экспериментальный поиск необходимого катализатора может не привести к желательным результатам, если он нэ подхропля'тся знанием количественных закономерностей каталического воздействия того или иного вещества. Необходима теория, ' позволяющая количественно прогнозировать каталичиские воздействия твердых тел на процесс рекомбинации
атомов газа.
Апробация работы: Основные результаты диссертации докла-давались на X I Международной конференции по электронным и атомним столкновениям (Нью-Йорк, США, 1989), на семинаре по атомной спектроскопии (Ростов-Ввликий, 1990), а также на научных семинарах группы теории рассеяния в НИИНФ МГУ.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объел работы: Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения, изложена на 120 страшщвх машинописного текста, содержит 19 рисунков, 3 таблицы и библиографический список из 148 наименований.
