Relativistische vier und zwei Spinor Finite Elemente Berechnungen zweiatomiger Moleküle

Der Vielelektronen Aspekt wird in einteilchenartigen Formulierungen berücksichtigt, entweder in Hartree-Fock Näherung oder unter dem Einschluß der Elektron-Elektron Korrelationen durch die Dichtefunktional Theorie. Da die Physik elektronischer Systeme (Atome, Moleküle, Cluster, Kondensierte Materie, Plasmen) relativistisch ist, habe ich von Anfang an die relativistische 4 Spinor Dirac Theorie eingesetzt, in jüngster Zeit aber, und das wird der hauptfortschritt in den relativistischen Beschreibung durch meine Promotionsarbeit werden, eine ebenfalls voll relativistische, auf dem sogenannten Minimax Prinzip beruhende 2-Spinor Theorie umgesetzt. Im folgenden ist eine kurze Beschreibung meiner Dissertation: Ein wesentlicher Effizienzgewinn in der relativistischen 4-Spinor Dirac Rechnungen konnte durch neuartige singuläre Koordinatentransformationen erreicht werden, so daß sich auch noch für das superschwere Th2 179+ hächste Lösungsgenauigkeiten mit moderatem Computer Aufwand ergaben, und zu zwei weiteren interessanten Veröffentlichungen führten (Publikationsliste). Trotz der damit bereits ermöglichten sehr viel effizienteren relativistischen Berechnung von Molekülen und Clustern blieben diese Rechnungen Größenordnungen aufwendiger als entsprechende nicht-relativistische. Diese behandeln das tatsächliche (relativitische) Verhalten elektronischer Systeme nur näherungsweise richtig, um so besser jedoch, je leichter die beteiligten Atome sind (kleine Kernladungszahl Z). Deshalb habe ich nach einem neuen Formalismus gesucht, der dem möglichst gut Rechnung trägt und trotzdem die Physik richtig relativistisch beschreibt. Dies gelingt durch ein 2-Spinor basierendes Minimax Prinzip: Systeme mit leichten Atomen sind voll relativistisch nunmehr nahezu ähnlich effizient beschrieben wie nicht-relativistisch, was natürlich große Hoffnungen für genaue (d.h. relativistische) Berechnungen weckt. Es ergab sich eine erste grundlegende Veröffentlichung (Publikationsliste). Die Genauigkeit in stark relativistischen Systemen wie Th2 179+ ist ähnlich oder leicht besser als in 4-Spinor Dirac-Formulierung. Die Vorteile der neuen Formulierung gehen aber entscheidend weiter: A. Die neue Minimax Formulierung der Dirac-Gl. ist frei von spuriosen Zuständen und hat keine positronischen Kontaminationen. B. Der Aufwand ist weit reduziert, da nur ein 1/3 der Matrix Elemente gegenüber 4-Spinor noch zu berechnen ist, und alle Matrixdimensionen Faktor 2 kleiner sind. C. Numerisch verhält sich die neue Formulierung ähnlilch gut wie die nichtrelativistische Schrödinger Gleichung (Obwohl es eine exakte Formulierung und keine Näherung der Dirac-Gl. ist), und hat damit bessere Konvergenzeigenschaften als 4-Spinor. Insbesondere die Fehlerwichtung (singulärer und glatter Anteil) ist in 2-Spinor anders, und diese zeigt die guten Extrapolationseigenschaften wie bei der nichtrelativistischen Schrödinger Gleichung. Die Ausweitung des Anwendungsbereichs von (relativistischen) 2-Spinor ist bereits in FEM Dirac-Fock-Slater, mit zwei Beispielen CO und N2, erfolgreich gemacht. Weitere Erweiterungen sind nahezu möglich. Siehe Minmax LCAO Nährung.

Adsorption of element 112 on a Au surface

Während der letzten 20 Jahre hat sich das Periodensystem bis zu den Elementen 114 und 116 erweitert. Diese sind kernphysikalisch nachgewiesen, so dass jetzt die chemische Untersuchung an erster Selle steht. Nachdem sich das Periodensystem bis zum Element 108 so verhält, wie man es dem Periodensystem nach annimmt, wird in dieser Arbeit die Chemie des Elements 112 untersucht. Dabei geht es um die Adsorptionsenergie auf einer Gold-Ober fläche, weil dies der physikalisch/chemische Prozess ist, der bei der Analyse angewandt wird. Die Methode, die in dieser Arbeit angwandt wird, ist die relativistische Dichtefunktionalmethode. Im ersten Teil wird das Vielkörperproblem in allgemeiner Form behandelt, und im zweiten die grundlegenden Eigenschaften und Formulierungen der Dichtefunktionaltheorie. Die Arbeit beschreibt zwei prinzipiell unterschiedliche Ansätze, wie die Adsorptionsenergie berechnet werden kann. Zum einen ist es die sogenannte Clustermethode, bei der ein Atom auf ein relativ kleines Cluster aufgebracht und dessen Adsorptionsenergie berechnet wird. Wenn es gelingt, die Konvergenz mit der Größe des Clusters zu erreichen, sollte dies zu einem Wert für die Adsorptionsenergie führen. Leider zeigt sich in den Rechnungen, dass aufgrund des zeitlichen Aufwandes die Konvergenz für die Clusterrechnungen nicht erreicht wird. Es werden sehr ausführlich die drei verschiedenen Adsorptionsplätze, die Top-, die Brücken- und die Muldenposition, berechnet. Sehr viel mehr Erfolg erzielt man mit der Einbettungsmethode, bei der ein kleiner Cluster von vielen weiteren Atomen an den Positionen, die sie im Festkörpers auf die Adsorptionsenergie soweit sichergestellt ist, dass physikalisch-chemisch gute Ergebnisse erzielt werden. Alle hier gennanten Rechnungen sowohl mit der Cluster- wie mit der Einbettungsmethode verlangen sehr, sehr lange Rechenzeiten, die, wie oben bereits erwähnt, nicht zu einer Konvergenz für die Clusterrechnungen ausreichten. In der Arbeit wird bei allen Rechnungen sehr detailliert auf die Abhängigkeit von den möglichen Basissätzen eingegangen, die ebenfalls in entscheidender Weise zur Länge und Qualität der Rechnungen beitragen. Die auskonvergierten Rechnungen werden in der Form von Potentialkurven, Density of States (DOS), Overlap Populations sowie Partial Crystal Overlap Populations analysiert. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Adsoptionsenergie für das Element 112 auf einer Goldoberfläche ca. 0.2 eV niedriger ist als die Adsorption von Quecksilber auf der gleichen Ober fläche. Mit diesem Ergebnis haben die experimentellen Kernchemiker einen Wert an der Hand, mit dem sie eine Anhaltspunkt haben, wo sie bei den Messungen die wenigen zu erwartenden Ereignisse finden können.

Relativistic LCAO with Minimax Principle and New Balanced Basis Sets

Relativistic density functional theory is widely applied in molecular calculations with heavy atoms, where relativistic and correlation effects are on the same footing. Variational stability of the Dirac Hamiltonian is a very important field of research from the beginning of relativistic molecular calculations on, among efforts for accuracy, efficiency, and density functional formulation, etc. Approximations of one- or two-component methods and searching for suitable basis sets are two major means for good projection power against the negative continuum. The minimax two-component spinor linear combination of atomic orbitals (LCAO) is applied in the present work for both light and super-heavy one-electron systems, providing good approximations in the whole energy spectrum, being close to the benchmark minimax finite element method (FEM) values and without spurious and contaminated states, in contrast to the presence of these artifacts in the traditional four-component spinor LCAO. The variational stability assures that minimax LCAO is bounded from below. New balanced basis sets, kinetic and potential defect balanced (TVDB), following the minimax idea, are applied with the Dirac Hamiltonian. Its performance in the same super-heavy one-electron quasi-molecules shows also very good projection capability against variational collapse, as the minimax LCAO is taken as the best projection to compare with. The TVDB method has twice as many basis coefficients as four-component spinor LCAO, which becomes now linear and overcomes the disadvantage of great time-consumption in the minimax method. The calculation with both the TVDB method and the traditional LCAO method for the dimers with elements in group 11 of the periodic table investigates their difference. New bigger basis sets are constructed than in previous research, achieving high accuracy within the functionals involved. Their difference in total energy is much smaller than the basis incompleteness error, showing that the traditional four-spinor LCAO keeps enough projection power from the numerical atomic orbitals and is suitable in research on relativistic quantum chemistry. In scattering investigations for the same comparison purpose, the failure of the traditional LCAO method of providing a stable spectrum with increasing size of basis sets is contrasted to the TVDB method, which contains no spurious states already without pre-orthogonalization of basis sets. Keeping the same conditions including the accuracy of matrix elements shows that the variational instability prevails over the linear dependence of the basis sets. The success of the TVDB method manifests its capability not only in relativistic quantum chemistry but also for scattering and under the influence of strong external electronic and magnetic fields. The good accuracy in total energy with large basis sets and the good projection property encourage wider research on different molecules, with better functionals, and on small effects.

Systematics of nuclear densities, deformations and excitation energies within the context of the generalized rotation-vibration model

We present a large-scale systematics of charge densities, excitation energies and deformation parameters For hundreds of heavy nuclei The systematics is based on a generalized rotation vibration model for the quadrupole and octupole modes and takes into account second-order contributions of the deformations as well as the effects of finite diffuseness values for the nuclear densities. We compare our results with the predictions of classical surface vibrations in the hydrodynamical approximation. (C) 2010 Elsevier B V All rights reserved.

Observation of the antimatter helium-4 nucleus

High-energy nuclear collisions create an energy density similar to that of the Universe microseconds after the Big Bang(1); in both cases, matter and antimatter are formed with comparable abundance. However, the relatively short-lived expansion in nuclear collisions allows antimatter to decouple quickly from matter, and avoid annihilation. Thus, a high-energy accelerator of heavy nuclei provides an efficient means of producing and studying antimatter. The antimatter helium-4 nucleus ((4)(He) over bar), also known as the anti-alpha ((alpha) over bar), consists of two antiprotons and two antineutrons (baryon number B = -4). It has not been observed previously, although the alpha-particle was identified a century ago by Rutherford and is present in cosmic radiation at the ten per cent level(2). Antimatter nuclei with B -1 have been observed only as rare products of interactions at particle accelerators, where the rate of antinucleus production in high-energy collisions decreases by a factor of about 1,000 with each additional antinucleon(3-5). Here we report the observation of (4)<(He) over bar, the heaviest observed antinucleus to date. In total, 18 (4)(He) over bar counts were detected at the STAR experiment at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC; ref. 6) in 10(9) recorded gold-on-gold (Au+Au) collisions at centre-of-mass energies of 200 GeV and 62 GeV per nucleon-nucleon pair. The yield is consistent with expectations from thermodynamic(7) and coalescent nucleosynthesis(8) models, providing an indication of the production rate of even heavier antimatter nuclei and a benchmark for possible future observations of (4)(He) over bar in cosmic radiation.

Anisotropy and chemical composition of ultra-high energy cosmic rays using arrival directions measured by the Pierre Auger Observatory

The Pierre Auger Collaboration has reported. evidence for anisotropy in the distribution of arrival directions of the cosmic rays with energies E > E(th) = 5.5 x 10(19) eV. These show a correlation with the distribution of nearby extragalactic objects, including an apparent excess around the direction of Centaurus A. If the particles responsible for these excesses at E > E(th) are heavy nuclei with charge Z, the proton component of the sources should lead to excesses in the same regions at energies E/Z. We here report the lack of anisotropies in these directions at energies above E(th)/Z (for illustrative values of Z = 6, 13, 26). If the anisotropies above E(th) are due to nuclei with charge Z, and under reasonable assumptions about the acceleration process, these observations imply stringent constraints on the allowed proton fraction at the lower energies.

Uso da grade aradora superpesada, pesada e arado de discos na incorporação de calcário em profundidade e na produção de milho

Este trabalho teve o objetivo de avaliar o efeito dos modos de incorporação de calcário na correção da acidez no perfil do solo e na produção do milho. Para tanto, foi conduzido um experimento em Latossolo Vermelho Distrófico, textura argilosa, em Uberlândia - MG, no período de maio de 1995 a março de 1997. O delineamento experimental foi em esquema de parcelas subdivididas. As parcelas principais foram constituídas pelos modos de incorporação do calcário: grade aradora pesada (14 discos de 0,86 m) e grade niveladora (60 discos de 0,56 m); arado de disco (4 discos de 0,66 m) e grade niveladora; grade aradora superpesada (14 discos de 0,86 m) e grade niveladora; as subparcelas foram as doses de calcário dolomítico: 0; 6 e 9,2 t ha-1. O modo de incorporação do calcário afetou a eficiência da calagem no perfil do solo. A gradagem pesada não foi adequada para a incorporação do calcário. A aração com arado de disco mais gradagem niveladora teve desempenho satisfatório, atingindo até 0,20 m de profundidade. A gradagem com grade aradora superpesada proporcionou maior uniformidade e profundidade de incorporação, com neutralização da acidez do solo até 0,30 m de profundidade. O milho respondeu linearmente à aplicação do calcário, e o modo alternativo de incorporação pela gradagem com grade superpesada proporcionou maior produção.

All electron fully relativistic Dirac-Fock calculation for darmstadtium carbide using prolapse free basis set

For the first time, ab inito all electron fully relativistic and correlated Dirac-Fock calculations with prolapse free basis set are reported for a Super Heavy Element. We investigated the relativistic effects on bonding and on some spectroscopic constants for the darmstadtium carbide and our results at DF/CCSD(T) with a prolapse free basis set suggest for R-e, omega(e) and D-e the values of 174 pm, 1114 cm(-1) and 7.29 eV, respectively. These values are very similar to the values for PtC found on literature. It was also found that prolapse free basis set may be important to estimate the dissociation energy using Relativistic 4-components correlated methods. (c) 2007 ELsevier B.V. All rights reserved.

Ab Initio correlated all electron dirac-fock calculations for Eka-Francium Fluoride (E119F)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Estudo teórico das propriedades químicas e físicas envolvendo o elemento 118

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Kalorimetrische Tieftemperaturdetektoren für niederenergetische (E 1 MeV/amu) Schwerionen und ihr erster Einsatz in der Beschleuniger-Massenspektrometrie zur Spurenanalyse von 236 U

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zum ersten Mal kalorimetrische Tieftemperatur-Detektoren in der Beschleuniger-Massenspektrometrie (Accelerator Mass Spectrometry AMS), einer Standard-Methode zur Bestimmung kleinster Isotopenverhältnisse, eingesetzt, um das Isotopenverhältnis von 236U zu 238U zu bestimmen. Das Uran-Isotop 236U entsteht in der Neutroneneinfang-Reaktion 235U(n,gamma)236U und kann daher als Monitor-Nuklid für Neutronenflüsse verwendet werden. Die Detektoren bestehen aus einem Saphir-Absorber, auf den ein supraleitender Aluminium-Film aufgedampft ist, der als Thermistor dient. Ein energetisches Schwerion deponiert seine kinetische Energie als Wärme im Absorber, dessen Temperaturänderung durch die Widerstandsänderung des Supraleiters nachgewiesen wird. Mit solchen Detektoren konnte in vorhergehenden Experimenten bei GSI in einem Energiebereich von E = 5 - 300 MeV/amu für eine Vielzahl von Ionen von Neon bis Uran eine relative Energieauflösung von (1 - 4) E-3 erreicht werden. Der für die Beschleuniger-Massenspektrometrie typische Energiebereich liegt bei E = 0.1 - 1 MeV/amu. Im ersten Schritt wurde daher die systematische Untersuchung der Detektoreigenschaften auf diesen Energiebereich ausgedehnt. Diese Untersuchungen sowie die AMS-Messungen wurden am Tandem-Beschleuniger VERA des Instituts für Isotopenforschung und Kernphysik der Universität Wien durchgeführt. In einem Energiebereich von 10 - 60 MeV konnte für verschiedene Ionen (13C, 197Au, 238U) zunächst eine relative Energieauflösung von DeltaE/E = 7 E-3 erreicht werden. Dies übertrifft die Auflösung konventioneller Ionisations-Detektoren um ca. eine Größenordnung. Durch eine Verbesserung thermischer und elektronischer Rauschbeiträge konnte in einem zweiten Experiment für Uran der Energie 17 MeV die Auflösung auf DeltaE/E = 4.6 E-3 verbessert werden. Die Energie-Response des Detektors war linear über den gesamten beobachteten Energiebereich und unabhängig von der Ionenmasse; bis auf ein Niveau von 0.1 % wurde kein Pulshöhendefekt beobachtet. Diese Ergebnisse zeigen, daß solche Detektoren ein wertvolles Werkzeug in der Schwerionenphysik im Bereich relativ niedriger Ionenenergien darstellen. Mit der erreichten Energieauflösung war es möglich, für mehrere Proben aus natürlichem Uran das Isotopenverhältnis 236U/238U zu bestimmen: Um einen Material-Standard für Uran in der AMS zu etablieren, wurde das Isotopenverhältnis 236U/238U für zwei Proben aus der Mine ''K.u.K. Joachimsthal'' möglichst präzise bestimmt. Die Ergebnisse in der vorliegenden Arbeit stimmen gut mit früheren Messungen überein, die mit einem konventionellen Detektorsystem durchgeführt wurden. Sowohl der statistische als auch der systematische Fehler konnten deutlich reduziert werden. Für eine weitere Probe, extrahiert aus dem Wasser einer Uran-haltigen Quelle in Bad Gastein, wurde ein Isotopenverhältnis von 6.1 E-12 gemessen. Dies stellt das kleinste bislang für 236U/238U gemessene Isotopenverhältnis dar und bedeutet eine Steigerung der Sensitivität um eine Größenordnung. Die erreichte Energieauflösung ermöglicht es außerdem, die Detektoren zur direkten Massenidentifikation von schweren Ionen mittels einer kombinierten Energie-Flugzeit-Messung einzusetzen. In ersten Test-Messungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Massenauflösung von DeltaM/M = (8.5 - 11.0) E-3 erreicht. In einem ersten Test für den Einsatz dieser Detektoren zum Nachweis sog. ''superschwerer Elemente (Z >= 112)'' erlaubte der große dynamische Bereich, die Reaktionsprodukte und ihre nachfolgenden Alpha-Zerfälle mit hoher Energieauflösung simultan und zeitaufgelöst nachzuweisen.

Anisotropy and chemical composition of ultra-high energy cosmic rays using arrival directions measured by the Pierre Auger Observatory

The Pierre Auger Collaboration has reported. evidence for anisotropy in the distribution of arrival directions of the cosmic rays with energies E > E-th = 5.5 x 10(19) eV. These show a correlation with the distribution of nearby extragalactic objects, including an apparent excess around the direction of Centaurus A. If the particles responsible for these excesses at E > E-th are heavy nuclei with charge Z, the proton component of the sources should lead to excesses in the same regions at energies E/Z. We here report the lack of anisotropies in these directions at energies above E-th/Z (for illustrative values of Z = 6, 13, 26). If the anisotropies above E-th are due to nuclei with charge Z, and under reasonable assumptions about the acceleration process, these observations imply stringent constraints on the allowed proton fraction at the lower energies.

Production of heavy and superheavy nuclei in massive fusion reactions

Within the framework of a dinuclear system (DNS) model, the evaporation-residue excitation functions and the quasi-fission mass yields in the 48Ca induced fusion reactions are investigated systematically and compared with available experimental data. Maximal production cross sections of superheavy nuclei based on stable actinide targets are obtained. Isotopic trends in the production of the superheavy elements Z = 110, 112–118 based on the actinide isotopic targets are analyzed systematically. Optimal evaporation channels and combinations as well as the corresponding excitation energies are proposed. The possible factors that influencing the isotopic dependence of the production cross sections are analyzed. The formation of the superheavy nuclei based on the isotopes U with different projectiles are also investigated and calculated.

Average property of fragmentation reaction and momentum dissipation induced by halo-nuclei in heavy ion collisions

We study systematically the average property of fragmentation reaction and momentum dissipation induced by halo-nuclei in intermediate energy heavy ion collisions for different colliding systems and different beam energies within the isospin dependent quantum molecular dynamics model (IQMD). This study is based on the extended halo-nucleus density distributions, which indicates the average property of loosely inner halo nucleus structure, because the interaction potential and in-medium nucleon-nucleon cross section in IQMD model depend on the density distribution. In order to study the average properties of fragmentation reaction and momentum dissipation induced by halo-nuclei we also compare the results for the halo-nuclear colliding systems with those for corresponding stable colliding systems with same mass under the same incident channel condition. We find that the effect of extended halo density distribution on the fragment multiplicity and nuclear stopping (momentum dissipation) are important for the different beam energies and different colliding systems. For example the extended halo density distributions increase the fragment multiplicity but decrease the nuclear stopping for all of incident channel conditions in this paper.

Nuclear reaction dynamics induced by halo-nuclei at intermediate energy heavy ion collisions

We studied systematically the reaction dynamics induced by neutron-halo nuclei and proton-halo nuclei within the isospin dependent quantum molecular dynamics, such as the effects of loose bound halo-nuclei on the fragmentation reaction and momentum dissipation for different colliding systems with different beam energies and different impact parameters. In order to emphasize the roles of neutron-halo nucleus B-19 and proton-halo nucleus Al-23 on the reaction dynamics we also calculated the the reaction dynamics induced by the stable nuclei F-19 and Na-23 with equal mass under identical incident channel conditions. Based on the comparison of results of reaction dynamics induced by halo-nucleus colliding systems and stable nucleus collidinmg systems we found that the roles of loose bound halo-nucleus structure on the fragmentation multiplicity and nuclear stopping (momentum dissipation) are important for all of colliding systems with different beam energies and minor impact parameters, such as, the loose bound halo-nuclei structure increases the fragmentation multiplicity, but reduces the nuclear stopping.