Влияние электрического поля на скорость дрейфа центра масс полярных молекул

Современный этап развития атомной науки и техники характеризуется привлечением ряда новейших нетрадиционных технологий, обеспечивающих её прогресс на качественно новом базисе. В частности, интенсивно исследуется и анализируется возможность использования в ней мощных импульсов корпускулярного излучения, например – ускорителей прямого действия. Проблемы ядерного материаловедения требуют получения в промышленно значимых количествах многих элементов, использование которых ранее не предполагалось.

Физика и техника мощных импульсных ускорительных систем, а также обращение с соединениями особо чистых элементов в различных фазовых состояниях сопряжены с вопросами электродинамики сплошных сред. В частности, с изучением поведения на микро и макро уровне газообразных соединений, помещённых в электрические поля различных типов.

Настоящая работа посвящена аналитическому исследованию и численным экспериментам, результаты которых определяют параметры дрейфа многоатомных молекул в газообразных средах между планарными электродами при наложении апериодического осциллирующего электрического поля. Параметры поля в пространстве дрейфа таковы, что ионизация молекул отсутствует, а происходит лишь их поляризация. При постановке задачи принимается во внимание то, что на молекуле газа вследствие воздействия внешнего электрического поля наводится поляризационный заряд. То есть, на микроуровне газовая среда не является нейтральной. Наведённый поляризационный заряд взаимодействует с внешним полем, – задача является самосогласованной. Кроме этого предполагается, что наведённый заряд пространственно локализован на одном из участков молекулы, математически представленной в виде “гантели” со смещённым центром масс.

Систему дифференциальных уравнений составляют:

• уравнение поступательного движения центра масс,

• уравнение вращательного движения молекулы, представленной в виде микрообъекта с пространственно распределённой плотностью,

• уравнение сохранения момента количества движения.

Четвёртое уравнение описывает постоянство длины химических связей.

В ходе исследований, проведённых путём численного моделирования, получены результаты, которые показывают, что для каждого газа весь диапазон частот электрического поля можно условно разбить на три поддиапазона:

• при высоких частотах молекула газа монотонно дрейфует,

• при средних частотах, когда вклад вращательной компоненты движения в дрейф молекулы является значимым, зависимость значений абсолютного смещения молекулы из первоначального положения от времени становится немонотонной,

• при низких частотах молекула газа может рассматриваться как материальная точка, поскольку вращательная компонента движения молекулы газа не вносит существенного вклада; при этом границы данного поддиапазона зависят от природы рассматриваемого газа и изменяются от 800 Гц для тяжёлых до 500 кГц для лёгких газов.

На границе между поддиапазонами средних и высоких частот обнаружено явление параметрического резонанса.

По итогам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

• поляризованная молекула в газообразной среде, в отличие от классического диполя, движется под взаимодействием асимметричного переменного электрического поля,

• суммарное абсолютное значение смещения молекулы зависит от частоты электрического поля,

• при частотах внешнего поля в среднем диапазоне зависимость абсолютного суммарного смещения от времени приобретает ангармонический характер. Так как становится заметной сингулярность поведения поступательного движения центра масс молекулы при переориентации оси поляризации, которая происходит при смене знака напряжённости внешнего поля,

• работа в дальнейшем имеет перспективы развития для изучения влияния электрического поля на скорость дрейфа центра масс многоатомных полярных молекул, находящихся в жидкой фазе, где необходимо вводить поправки на взаимодействие между молекулами.