极端条件下氢及其同位素解离、电离及物态方程的理论与模拟研究

氢及其同位素在高温、高压下涉及的物理问题是惯性约束聚变、等离子体物理以及天体物理等领域关注的重点问题之一。本项目拟从多个方面系统的开展氢及其同位素在极端条件下物性的研究，主要包括：定量化描述单次和多次冲击压缩实验过程中分子分解率和电子电离率；在第一原理分子动力学模拟的基础上，引入电子电离修正，研究氢及其同位素的物态方程；在量子力学线性响应理论和等离子体理论描述相结合的框架下，揭示氢及其同位素在极端条件下发生非金属-金属转变的机制；全面阐述氢及其同位素的光学性质随温度、压强的变化关系；建立理论模型，揭示极端条件下等离子体相变发生的条件与物理内涵。预期这些成果将推动我国在极端条件下氢及其同位素性质的研究进展。

本项目应用第一性原理分子动力学方法研究了氢及其同位素在极端条件下的热物理性质，做出了一系列创新性的研究成果，圆满完成了科学目标。项目组计算了材料的状态方程，并且与气炮、化学炸药、磁驱动、高能激光等实验数据以及线型混合模型、流体变分、路径积分蒙特卡罗等理论模型进行了验证，获得了新的物理认识；热力学平衡状态下，统计原子位置分布，给出分子解离规律；在密度泛函理论框架内，根据线性响应理论给出电子电导率的第一性原理数据，阐述了氢、氘的非金属-金属相变过程；根据动态电导率获得了介电函数，由此给出光反射率沿雨贡纽线的演化规律，结果与最新的实验数据相符合；应用Saha方程修正了第一性原理状态方程，氢的等离子体相变没有伴随状态方程一阶导数的突变。此外，研究组对将研究成果、经验及认识进行了适当推广与扩充，用于氦、铍、聚苯乙烯等与惯性约束聚变（ICF）氘氚靶设计密切相关的温稠密物质热物理性质的理论与模拟研究。项目组三年内在Phys. Rev. Lett.，Phys. Rev. E，Phys. Plasmas，J. Chem. Phys.，J. Appl. Phys.等国内外知名学术期刊发表标注本项目（国家自然科学基金11005012）资助的学术论文15篇，产生了积极学术影响，推动了极端条件下材料热物理性质理论模拟的研究进展。