固体表面における気体分子の挙動の分子動力学的解析

1991 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 02452116
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 大橋 秀雄 東京大学, 工学部, 教授 (90010678)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 敏雄 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (50013206) ; 市川 保正 東京大学, 工学部, 助手 (40134473) ; 川田 達雄 東京大学, 工学部, 助手 (00010851) ; 松本 洋一郎 東京大学, 工学部, 助教授 (60111473)
• Keywords: 固体ー気体界面 / 分子動力学 / 界面の熱伝達 / 吸着確率 / 希薄気体

Research Abstract

昨年度にひき続き、分子間に働く力がレナ-ド・ジョ-ンズ12ー6の形で表される系について、熱平衡状態の固体の薄膜とこれに衝突する気体分子の運動を分子動力学的にシミュレ-トし、気体分子の衝突後のエネルギや散乱角度についての分布を調べた。この時に、気体分子と固体結晶の分子の間のポテンシャルの係数や相対質量も系統的に変化させ、各物理量が散乱に及ぼす影響を観察した。その結果、気体分子が表面に捕獲される割合は気体分子の初期速度と分子間ポテンシャルの「深さ」の係数に大きく依存していること、捕獲されなかった気体分子の散乱後の法線方向運動量は、入射時の運動量とほぼ線形の係数にあること、散乱角度の分布はいわゆる葉状の分布となり、拡散反射モデルでは表現できないことなどの知見を得た。
また、物理定数をXeーPt(111)の系に合わせたシミュレ-ションも試みた。このときレナ-ド・ジョ-ンズだけでなく、モ-スの式のポテンシャルも使用し、それぞれの場合のXe分子の捕獲確率をTullyらの実験結果と比較したところ、モ-ス・ポテンシャルの場合にはほぼ定量的な一致を得た。また、時系列デ-タを解析することで、気体分子の1回目の衝突におけるエネルギの伝達量や運動量の変化を調べたところ、その平均値が入射直後に平均の表面ポテンシャルで加速されたの法線変向速度に支配されていること、その分布関数は接線方向の速度に強く依存していることなどの知見を得た。この性質は2回目以降の衝突にも観察されており、境界条件モデル構築の糸口をつかむことが出来た。

Research Products

• [Publications] Y.Matsumoto: "Numerical Analysis of GasーSurface Interaction by the Molecular Dynamics Method" Proceedings of the 17th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics. 889-896 (1990)
• [Publications] J.Matsui: "Molecular Dynamics of GasーSurface Interaction" Proceedings of the ASME JSME Thermal Engineering Joint Conference. vol4. 159-164 (1991)
• [Publications] 松本 洋一郎: "固体ー気体境界における原子の挙動の分子動力学的解析" 第27回日本伝熱シンポジウム講演論文集. vol1. 346-348 (1991)
• [Publications] 松井 純: "固体表面近傍における気体分子の挙動" 日本機械学会第69期全国大会講演論文集. vol.B. 59-61 (1991)
• [Publications] 松本 洋一郎: "分子動力学法による気体ー表面散乱の解析(第1報:LennardーJones分子系によるシミュレ-ション)" 日本機械学会論文集.
• [Publications] 松井 純: "分子動力学法による気体ー表面散乱の解析(第2報:XeーPt(111)系の動的挙動)" 日本機械学会論文集.