相对论速度运动坐标系中分子体系的集体扩散性质研究

作     者：林桂武 

作者单位：暨南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钟伟荣

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：物质输运 相对论 扩散 菲克定律 微观通道 

摘      要：扩散现象是一种常见的自然现象,在现实生活和科学研究中都有很丰富的应用。物质输运也是一种扩散现象,其在静止参考系中物理规律已经有很多研究,但对于系统在高速运动时的物质输运现象的研究就比较少见。因此,本文构建了以相对论速度运动的非平衡分子系统,采用分子动力学和蒙特卡洛相结合的方法模拟相对论速度运动坐标系中物质输运的物理过程。探索非平衡系统以相对论速度进行运动时菲克定律的适用性,以及系统集体扩散系数的变化。首先,在一维的分子输运研究中,本文探讨了非平衡分子系统的温度,扩散系数等参数之间的关系。结果表明,系统运动的相对论速度对系统的温度基本上不产生影响,但系统的集体扩散系数会随着系统的速度接近光速逐渐减小为零。在考虑相对论效应的情况下,集体扩散系数应修正为D’(28)D(1-)。其中D’和D分别是修正后和修正前的集体扩散系数,w是系统运动的相对论速度,c为光速。第二,本文构建了相对论速度运动坐标系中的二维非平衡分子系统。研究表明,由于存在相对论效应,沿相对论速度方向的扩散规律和垂直于相对论速度方向的扩散规律肯定会有所差别。非但模拟计算所用到的相对论下的朗之万方程不同,而且在X轴和Y轴方向长度的收缩效应也不同。这些都导致了扩散规律与一维情形不同。通过数值模拟,发现集体扩散系数的修正公式仍满足(？)其中γ为洛伦兹因子,α为修正系数。且系统的速度和输运方向的夹角对集体扩散系数的大小有明显影响。当夹角从0增长为p/2时,修正系数a从3减小为1。最后,本文考虑了在加入非对称外场后,一维系统以相对论速度运动时,其输运扩散的整流效率的变化。主要做法是,在前面一维输运研究的基础上增加了一个由余弦函数组成的外势场,观察其在不对称外场的作用下的输运系数变化。在势阱外场的作用下,相对论速度产生的影响较小;但在势垒外场的作用下,相对论速度会对集体扩散有明显影响,一维集体扩散的整流效应随着系统运动速度的增加而逐渐减小。本论文尝试着将分子的输运扩散的研究从经典系统推广到相对论系统中,研究结果有助于理解高速运动系统中粒子的输运扩散现象。由于物质输运扩散的速率与人体新陈代谢的快慢密切相关,本文的研究对于探讨高速运动的飞行器或星系中人体和生物的老化现象有启发作用。