Khóa Luận Tốt Nghiệp Về Ảnh Hưởng Của Hàm Phân Bố Định Phương Phân Tử

Khóa luận nghiên cứu ảnh hưởng của hàm phân bố định phương phân tử đến kết quả chụp ảnh cắt lớp phân tử nitơ, cung cấp cái nhìn sâu sắc về vật lý.

• Tác giả: Trần Hồng Nghĩa
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Văn Hoàng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Ảnh Hưởng Của Hàm Phân Bố Định Phương Phân Tử
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
• 1.1. Phương pháp chụp ảnh cắt lớp thực nghiệm
• 1.2. Phương pháp chụp ảnh cắt lớp bằng mô phỏng lý thuyết
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Mô hình ba bước Lewenstein về sự phát xạ sóng hài bậc cao
• 2.2. Chụp ảnh cắt lớp phân tử với sự định phương tuyệt đối
• 2.3. Chụp ảnh cắt lớp phân tử với sự đóng góp của hàm phân bố định phương phân tử
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ
• 3.1. Kết quả tính toán cường độ sóng hài với hàm phân bố định phương phân tử
• 3.2. Kết quả hình ảnh HOMO phân tử nitơ với các hiệu quả định phương khác nhau
• 3.3. Phân tích hình ảnh mặt cắt của hàm sóng và khoảng cách liên hạt nhân
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Khóa Luận Tốt Nghiệp Về Hàm Phân Bố Định Phương Phân Tử

Khóa luận tốt nghiệp về hàm phân bố định phương phân tử là một chủ đề nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực vật lý và hóa học. Nghiên cứu này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cấu trúc phân tử mà còn mở ra những ứng dụng thực tiễn trong công nghệ laser và quang học. Việc tìm hiểu về hàm phân bố xác suất và cách nó ảnh hưởng đến các hiện tượng vật lý là rất cần thiết cho việc phát triển các công nghệ mới.

1.1. Khái Niệm Về Hàm Phân Bố Định Phương Phân Tử

Hàm phân bố định phương phân tử (HPB) mô tả cách mà các phân tử phân bố trong không gian. Nó giúp xác định các đặc tính của phân tử như độ phân cực và cấu trúc hình học. HPB là một yếu tố quan trọng trong việc phân tích dữ liệu từ các thí nghiệm chụp ảnh cắt lớp.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Hàm Phân Bố

Nghiên cứu về hàm phân bố định phương phân tử không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển các công nghệ mới. Việc hiểu rõ về HPB giúp cải thiện độ chính xác trong các thí nghiệm và mô phỏng, từ đó nâng cao chất lượng nghiên cứu.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Hàm Phân Bố Định Phương

Một trong những thách thức lớn trong nghiên cứu hàm phân bố định phương phân tử là việc xác định chính xác các thông số mô tả sự phân bố của phân tử trong không gian. Các yếu tố như độ chính xác của thiết bị thí nghiệm và sự phức tạp của các mô hình lý thuyết có thể ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu. Việc tìm ra các phương pháp mới để cải thiện độ chính xác là rất cần thiết.

2.1. Những Khó Khăn Trong Việc Xác Định HPB

Việc xác định hàm phân bố định phương phân tử gặp khó khăn do sự phức tạp trong cấu trúc phân tử và các yếu tố môi trường. Các thí nghiệm hiện tại thường không đủ độ nhạy để phát hiện những thay đổi nhỏ trong HPB.

2.2. Ảnh Hưởng Của Các Yếu Tố Môi Trường

Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đến hàm phân bố định phương phân tử. Điều này tạo ra những thách thức trong việc duy trì điều kiện thí nghiệm ổn định để có được kết quả chính xác.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Hàm Phân Bố Định Phương Phân Tử

Để nghiên cứu hàm phân bố định phương phân tử, các nhà khoa học thường sử dụng mô hình ba bước Lewenstein. Phương pháp này cho phép tính toán và mô phỏng sự phát xạ sóng hài từ các phân tử dưới tác động của laser xung cực ngắn. Việc áp dụng mô hình này giúp cải thiện độ chính xác trong việc chụp ảnh cắt lớp phân tử.

3.1. Mô Hình Ba Bước Lewenstein

Mô hình ba bước Lewenstein là một phương pháp lý thuyết quan trọng trong việc mô phỏng sự phát xạ sóng hài. Nó giúp giải thích cơ chế phát xạ sóng hài khi laser tương tác với phân tử, từ đó cung cấp dữ liệu cần thiết cho việc chụp ảnh cắt lớp.

3.2. Ứng Dụng Phần Mềm Tính Toán

Sử dụng phần mềm tính toán như Gaussian và Gaussview giúp mô phỏng và phân tích dữ liệu sóng hài. Các phần mềm này cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện các tính toán phức tạp và thu thập dữ liệu chính xác cho việc phân tích.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hàm Phân Bố Định Phương Phân Tử

Hàm phân bố định phương phân tử có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, đặc biệt trong lĩnh vực quang học và công nghệ laser. Việc hiểu rõ về HPB giúp cải thiện các thiết bị quang học và phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực này. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng HPB có thể nâng cao độ chính xác trong việc chụp ảnh cắt lớp phân tử.

4.1. Ứng Dụng Trong Công Nghệ Laser

Hàm phân bố định phương phân tử đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ laser. Việc tối ưu hóa HPB giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị laser, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.2. Ảnh Hưởng Đến Kết Quả Chụp Ảnh Cắt Lớp

Nghiên cứu cho thấy rằng hàm phân bố định phương phân tử có ảnh hưởng lớn đến kết quả chụp ảnh cắt lớp. Việc áp dụng HPB giúp cải thiện độ chính xác và độ phân giải của hình ảnh thu được.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu về hàm phân bố định phương phân tử không chỉ mang lại những hiểu biết sâu sắc về cấu trúc phân tử mà còn mở ra nhiều hướng đi mới trong nghiên cứu khoa học. Việc phát triển các mô hình lý thuyết và ứng dụng thực tiễn sẽ giúp nâng cao chất lượng nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hàm phân bố định phương phân tử có ảnh hưởng đáng kể đến các hiện tượng vật lý. Việc áp dụng HPB đã giúp cải thiện độ chính xác trong các thí nghiệm chụp ảnh cắt lớp.

5.2. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các hàm phân bố định phương mới để cải thiện độ chính xác trong các thí nghiệm. Việc mở rộng nghiên cứu sang các phân tử khác cũng sẽ mang lại nhiều giá trị mới cho lĩnh vực này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM I. Laser xung cực ngắn Laser có tên tiếng Anh là “Light Amplification Stimulated Emission of Radiation” ( laser ) — sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức. Cơ chế hoạt động của laser dựa trên việc dùng photon kích thích vào các điện tử ( trong môi trường hoạt tính ) ở mức năng lượng cao đẻ khi chuyền xuống mức năng lượng thấp hơn, điện tử sẽ phát xạ ra hai photon có cùng năng lượng, củng pha, cùng phương, cùng độ phân cực gọi là những photon đồng nhất. Photon kích thích Erk, Hình 1.

Sự phát xạ chim photon đồng nhất ( laser } nhờ photon kích thích vào điện tứ ở mức năng lượng cao của môi trường hoạt tính. Laser có hai chế độ làm việc là chế độ liên tục và chế độ xung. Trong dé tài nay, chúng tôi chỉ đề cập đến laser làm việc ở chế độ xung. Laser làm việc ở chế độ xung có vector cường độ điện trường (hay còn gọi vector phân cực điện) E biến thiên phụ thuộc thời gian theo quy luật ham lượng giác: E = Eo(t)cos (wt + @).

Như vậy, sẽ có những thời điểm cường độ điện trường E hoàn toàn bị triệt tiêu và những thời điểm cường độ điện trường E đạt cực đại. Đô thị cường độ điện trưởng của laser làm việc theo chê độ xung. Laser làm việc ở chế độ xung được đặc trưng bởi những thông số như sau: + Cưởng do laser: được kí hiệu là I, là bình phương môđun của vector cường độ điện trường. Nếu gọi cường độ đỉnh của laser ứng với biên độ của điện trường là I, thì cường độ hiệu dung I), của một xung laser bằng một nửa cường độ định.

+ Độ đài xung: được ký hiệu là t,, là khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai lần cường độ I bằng The ( hình 3 ). + Tân số laser: được ký hiệu là @ xuất hiện trong biểu thức điện trường của laser: E = E,(t)cos (wt + @). Tan số laser liên hệ với bước sóng laser bởi công thức 4 = 2nc/œ với c là vận tốc ánh sáng trong chân không. + Hình dạng xung: được quyết định bởi quy luật biến thiên của E(t) mà chúng ta có xung dang Gauss, dạng vuông, dạng sin’.

Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng xung dang sin’. Dé thị của cường độ laser theo thời gian. Trong hình 3, I là cường độ của laser với I, là cường độ đỉnh và I, là cường độ hiệu dụng của xung laser. Dé thực hiện quá trình phát xạ sóng hài bậc cao khi cho laser tương tác với phân tứ, laser được sử dụng phải là laser xung cực ngắn cường độ cao.

Laser xung cực ngắn là laser làm việc ở chế độ xung và có độ đài xung là cực nhỏ vào khoảng 10'S giây. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng laser xung cực ngắn có cường độ đỉnh là 2.10! W/em’, độ đài xung là 30.10” giây, bước sóng là 800 nm và xung hình dang sin’. Trong lich sử phát triển laser xung cực ngắn, các nhà khoa học đã có cuộc chạy đua rút ngắn độ dài xung của xung laser. Từ xung laser 10” giây ( 1960 ), họ đã rút ngắn đến xung laser 12.

Tuy nhiên, thời gian chuyên động của điện tử là vào khoảng 0. Vì vậy với độ đài xung này, chúng ta vẫn chưa thể chụp ảnh của điện tử. Do đó trong tương lai, độ dài xung laser sẽ tiếp tục được rút ngắn hơn nữa. Phương pháp chụp ảnh cắt lớp thực nghiệm Trong thực nghiệm, quá trình chụp ảnh cắt lớp phân tử được thực hiện với sự tham gia của hai loại laser: laser xung cực ngăn cường độ mạnh ( độ dai xung 30 fs, bước sóng 800 nm, cường độ 2.10!" W/cm?) có vector phân cực điện là E và laser định phương ( độ đải xung 300 ps, bước sóng 797 nm, cường độ 2.

Đối tượng được khảo sat là tập hợp các phân tử nitơ. Dau do HHG 4) Hình 4. Mô hình thí nghiệm chụp ảnh phân tứ. ¬ (1) Nguồn laser xung cực ngắn E Vector phân cực điện của lascr (2) Nguồ n l as er đị n h p h ươ n g định phương (3) Hệ thống gương phản xạ E Vector phân cực điện của laser xung cực ngắn (4) Tập hợp phân từ nitơ (5) Đầu dò sóng hài Es, Vector phân cực điện của tín hiệu HHG song song (6) Phân tử nitơ Es, Vector phân cực điện của tín hiệu HHG vuông góc Pau tiên.

laser định phương được chiếu vào tập hợp các phân tử nitơ. Dưới tác dụng của vector phân cực điện E, trục của các phân tử bị định phương trên phương của vector E’. Quá trình nay được gọi là quá trình định phương phân tử. Sau đó, laser xung cực ngắn sẽ được chiếu vào tập hợp các phân tử nito dé kích thích các phân tử phát xạ sóng hài bậc cao HHG.

Đầu dò tín hiệu HHG sẽ được đặt phía sau các phân tử nitơ dé thu nhận các tín hiệu HHG phát ra. Đầu dd này chỉ thu nhận các tín hiệu HHG có vector phân Cực Song song và vuông góc với vector phân cực E của laser xung cực ngắn (từ đây chúng tôi sẽ gọi là HHG song song — kí hiệu Sy và HHG vuông góc — kí hiệu $,). Gọi 0 là góc hợp bởi vector Ê và E”. Chúng tôi lần lượt thay đôi góc 6.

đo HHG song song và HHG vuông góc phat ra ứng với mỗi giá trị góc này. Các dit liệu của cường độ HHG song song và cường độ HHG vuông góc sau đó sẽ được sử dung dé tái tạo HOMO phân tử nitơ theo phương pháp chụp ảnh cắt lớp trong công trình [3], [5], [12]. Phương pháp chụp ảnh cắt lớp bằng mô phỏng lý thuyết Trong luận văn này, quá trình chụp ảnh cắt lớp phân tử nitơ sẽ được tiến hành bằng mô phỏng lý thuyết bởi mô hình ba bước Lewenstein và phương pháp tai tạo lại hình ảnh HOMO trong công trình [3], [5], [12]. Tất cả đều được thực hiện trên source code của ngôn ngữ lập trình Fortran.

Dé làm được điều này, chúng tôi cân có: + Một tập hợp phân tử nitơ với cau trúc giả định cho trước. Phan mềm tính toán Gaussian và Gaussview cho phép chúng tôi thiết lập cấu trúc giá định cho phân tử nitơ. Cụ thé, chúng tôi sử dụng phương pháp phiém hàm mật độ DFT (Density Function Theory) với hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ ham cơ sở là 6-31 G+{(d,p) [7]. + Laser xung cực ngắn có các thông số laser như trên và góc hợp với laser định phương là 6.

Các thông số laser và giá trị góc 8 được khai báo trong source code Fortran của mô hình ba bước Lewenstein. + Laser định phương có hiệu quả định phương xác định. Hiệu quả định phương được quy định bởi ham phan bố định phương phân tu vả được lập trình bằng một đoạn code viết bằng ngôn ngữ Fortran. Đoạn code này sẽ được bé sung vào source code tính toán của mô hình ba bước Lewenstein dé tính toán dữ liệu HHG.

Cúc dữ liệu HHG tính toán cũng gồm hai thành phan là HHG song song và HHG vuông góc như trong thực nghiệm. Các dữ liệu này sẽ được sứ dụng để tái tạo HOMO phân tử nitơ theo phương pháp chụp ảnh cắt lớp như trong phương pháp thực nghiệm. CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYET I. Mô hình ba bước Lewenstein về sự phát xạ sóng hài bậc cao “M6 hình ba bước Lewenstein về sự phát xạ sóng hài bậc cao” được nhà khoa học Lewenstein dé xuất vào năm 1993 [8] dé mô tả cơ chế phát xạ HHG khi cho laser xung cực ngắn tương tác với phân tử.

Khi phân tử được đặt vào trường laser mạnh thì the năng của điện tử sẽ được hiệu chỉnh thành thế tông hợp của trường Coulomb và trường thế đo điện trường của laser gây ra ( hình 5 ) [9], điện tử sẽ có khả năng thoát ra ngoài. khi đó phân tử sẽ bị ion hoá. Đồ thị thể tổng hợp của điện tứ trong trưởng hợp một chiêu. Thể tổng hợp được thể hiện bằng đường màu đen, thé Coulomb là đườn g màu đó và thé điện trường laser mạnh là đường màu xanh.

Thế tông hợp của điện tử sẽ khác nhau tuỳ thuộc vào cường độ của trưởng laser so với trường thế Coulomb ( hình 6 ). Do đó, phân tử sẽ bị ion hoá theo nhiều cách khác nhau: ion hoa da photon, ion hoá xuyên ham và lon hoá vượt rào. Đồ thị thể tổng hợp của điện tứ (đường màu đen) và mức năng. lượng cơ bản của điện tử (đường màu xanh lá) trong các trường hop Trong trường hợp (a), trưởng laser yêu hơn so với trường Coulomb.

Thế tông hợp không khác biệt nhiều so với trường Coulomb, điện trường laser lúc này chỉ có tác dụng làm nhiều loạn trường Coulomb, gây ra sự đao động của điện tử [10]. Trong trường hợp nay, điện tử chỉ có thê thoát ra khỏi hồ thế băng cách hấp thụ nhiều photon liên tiếp. Đó gọi là sự ion hoá theo cơ chế đa photon [9]. Trong trường hợp (b).

trường laser mạnh tương đương so với trường Coulomb. Thế tông hợp hẹp hơn so với thế Coulomb, điện tử có thẻ xuyên hầm thoát ra khỏi hỗ thé. Đó gọi là sự ion hoá xuyên hầm [9]. Trong trường hợp (c), trường laser rất mạnh so với trường Coulomb.

Thế tông hợp hẹp hơn và thấp hơn so với mức năng lượng cơ bản. điện tử dễ dang vượt ra khỏi hỗ thế. Đó gọi là sự ion hoá vượt rào [9]. Mô hình ba bước Lewenstein giải thích sự phát xạ sóng hài do điện tử quay trở lại trạng thái cơ bản sau khi điện tử xuyên hầm thoát khỏi hồ thế.

Nội dung của mô hình này gom ba giai đoạn như sau ( hình 7 ) [10]: + Giai đoạn |: Điện tử thoát khỏi trạng thai cơ bản ra miền liên tục theo cơ chế xuyên ham. + Giai đoạn 2: Điện tử lúc này không còn chịu tác dụng bởi trường Coulomb nữa mà sẽ được gia tốc bởi trường điện của laser. + Giai đoạn 3: Khi trường điện laser đôi chiều, điện tử bị kéo ngược lại tái kết hợp với ion mẹ, trong quá trình đó phát xạ ra HHG. tập bợp EMUV 20 tử |—~VV* Seo = \ñ —| phản cực ngắn —^A#ư= (2n†])œ Hình 7.

Cơ chế phát xạ HHG theo mô hình ba bước Lewenstein. Cơ sở tính toán của mô hình này được tác giả dựa trên hai giả thiết gần đúng của Keldysh [11]: + Trong vùng phô liên tục (năng lượng dương). tác dụng của trường Coulomb được bỏ qua, điện tử có thẻ được coi như một hạt tự do. + Phần đóng góp của tất cả các trạng thái liên kết khác ngoài trạng thái cơ bản vào quá trình phát xạ sóng hài là không đáng kẻ.