金属铀的基态结构和力学性质的第一性原理计算【毕业作品】

BI YE SHE JI

（20 届）

金属铀的基态结构和力学性质的第一性原理计

算

金属铀的基态结构和力学性质的第一性原理计

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摘要: 金属铀是当前社会中一个为人所广知的元素和物质，同时它在军事、民用等方面的巨大作用，也得到了人们的广泛关注和深入的研究。科学研究也发现了金属铀的很多结构特点和特殊性质。

本文对金属铀的几种不同结构进行了计算和分析，计算了它们的一些力学性质。本文分为3个部分。第一部分介绍本文所用到的基础理论，即计算材料学、第一性原理的一些基础知识，以及近期关于金属铀的一些工作情况；第二部分阐述了模拟计算得到的金属铀不同结构的结构特点、晶格常数以及弹性常数、弹性柔顺常数、泊松比等力学性质；第三部分进行结论和总结。

关键词：铀；第一性原理；晶格常数；弹性常数；弹性各向异性

Abstract: Uranium metal is a welk-known element and substance in today’s world,and its important use in military and cilivian also get wide attention and in-depth study. Scientific research show very structural features and special properties of Uranium.

This article coloutes several different structures of Uranium metal and analyies them,some of their mechanical properties are computed.The paper is divided into three parts.The first part introduces the basic theries,such as computational materials science,the basic knowledge of first principles and some work condition of Uranium metal.The second illustrates the structure characteristic and lattice constant of different structure of Uranium metal,also the mechanical properties,elastic constant,elastic compliance constant and Berth than.The third part summarizes all of the article and draw the conlusion.

Keywords: Uranium;First Principles;Lattice Constant ;Elastic Constants;Elastic anisotropy factor.

目录

第一章绪论 (4)

1.1计算物理学、计算材料学. (4)

1.2 金属铀的研究近况... (5)

1.3本课题的研究意义、思路和内容 (6)

2.1引言 (6)

2.2 密度泛函理论 (7)

2.3第一性原理 (8)

3.1引言 (9)

3.2计算方法 (9)

3.3 γ-U和fcc-U的基态结构 (10)

3.4γ-U的力学性质 (13)

3.5小结 (14)

第四章总结与展望 (15)

主要参考文献 (15)

Abstract......................................... . (16)

第一章绪论

1.1计算物理学和计算材料学

计算物理是目前新兴的一个物理学科，计算物理学主要通过计算机甚至大型互联网服务器对研究对象进行模拟、计算、设计性实验等。

在计算物理学出现和发展以前，物理理论与实验基本上是独立研究的。理论指导实验，实验修改理论，但是二者之间不一定有必然的直接联系。计算物理学在当今计算机科学的飞速发展的推动下，俨然成为了连接物理理论和实验的桥梁，甚至有成为物理学理论、实验之外的第三个重要研究方向。

在理论物理学中，传统的分析研究是建立在大量公式理论的基础上，需要得到验证，而实验物理学的针对性实验设计又需要灵感，且掣肘颇多；实验可以得到新的物理现象，开创物理学研究的道路，但是实验结果的处理和分析需要理论的支持，但根据实验探求理论需要考虑全面，也不是易事。

计算物理学将在二者之间扮演越来越重要的角色，而且三者相辅相成。理论物理学可以为计算物理提供所需的理论原理和公式、思路等，计算物理所得到的结果可以与理论相互检验。另外计算物理可以与实验得到的结果进行比较，指导实验进行数据分析，且实验中的很多仪器设备等也需要计算物理提供方法和手段，实验得到的数据反过来也对计算物理进行验证和反馈，促进计算物理自身的完善和发展。同时，物理学中存在着很多无法在人力范围内计算得到结果或者无法得到精确解的问题，就可以通过运用计算物理方法，进行大量计算机模拟、逼近，来得到所期望或者符合要求的结果，为物理学，同时也为其他学科，的发展避免了很多不必要的麻烦，提供了极大的便利。

计算材料学作为一个交叉学科，涉及凝聚态物理、材料物理、材料力学、理论化学以及计算机科学等诸多科学研究领域，运用当前较为发达的计算机手段分析材料特性，而且避免了在研究特定材料时种种不方便和弊端，为材料学科的发展注入了鲜活的的研究思路和方法。同时，在当前的研究现状中，随着材料研究越来越深入，对材料本质、性能研究要求的不断提高，对材料的研究尺度越来越小，原始的实验研究精度已经远远满足不了需要，难度和成本也极为高昂，制约了材料科学的发展。计算材料学中对材料的结构模拟、性质探究的高准确性、可操作性以及低成本，都极大地符合当前材料科学领域发展的要求。而且随着该学科的不断发展，理论的逐渐完善，计算材料学一定会发挥越来越大的作用。