Subject of Research. The paper presents a relatively simple method to develop interactive computer models of physical systems without computer programming skills or automatic generation of the numerical computer code for the complex physical systems. Developed computer models are available over the Internet for educational purposes and can be edited by users in an unlimited number of possibilities. An applicability of computer simulations for the massive open individualized teaching and an organization of undergraduate research are also discussed. Method. The presented approach employs an original physical object-oriented modeling method, which is an extension of object-oriented programming ideas to tasks of developing simulations of the complex physical systems. In this framework, a computer model of the physical system is constructed as a set of interconnected computer objects simulating the system components: particles and fields. Interactions between the system components are described by self-adapting algorithms that are specified during the model initiation stage and are set according to either the classical or relativistic approach. The utilized technique requires neither a priori knowledge regarding an evolution of the physical system nor a formulation of differential equations describing the physical system. Main Results. Testing of the numerical implementation and an accuracy of the algorithms was performed with the use of benchmarks with the known analytical solutions. The developed method-a physical reality constructor-has provided an opportunity to assemble a series of computer models to demonstrate physical phenomena studied in the high school and university mechanic courses. More than 150 original interactive models were included into the collections of multi-level multimedia resources to support teaching of the mechanics. The physical reality constructor was successfully tested to serve as a test bed for the independent research by students on physical properties of complex mechanical systems, the analysis of which is beyond the scope of the standard physics and mathematics curriculum. The heuristic capabilities of models created by the physical reality constructor were also demonstrated. The capability to investigate dynamics of the complex systems, an a priori analysis of which is not evident or with a difficult or impossible-to-calculate evolution, was also demonstrated. Practical Relevance. The developed computer program for automated development of interactive educational simulations provides a solution to standing problems in accompanying massive open individualized learning multi-level courses in physics as well as an opportunity to develop creative forms of training in physics with elements of research.
Предмет исследования. Представлены результаты разработки относительно простого и не требующего значительных вычислительных ресурсов метода построения одноэлектронных волновых функций многоэлектронных атомов, симметричного по всем электронам моделируемой системы. Развиваемый подход по своей точности и ресурсоемкости ориентирован на обеспечение систематических расчетов сечений и констант скоростей ионизации, возбуждения, передачи возбуждения и иных элементарных процессов, происходящих с атомами и молекулами в результате неупругих столкновений с электронами. Метод. В основу реализованного метода была положена совокупность двух итерационных процессов. На первом этапе каждой итерации осуществлялось численное решение уравнения Шредингера для радиальных частей волновых функций электрона в потенциале самосогласованного поля атомного остатка, варьируемого путем масштабирования аргумента. Второй этап состоит в построении нового приближения для поля атомного остатка, использующего найденные решения для всех одноэлектронных волновых функций. Для оптимизации решения описанной многопараметрической задачи использован генетический алгоритм. Проверка работоспособности разрабатываемого метода осуществлялась в результате сопоставления результатов расчета с многочисленными данными об энергиях атомов в основных и возбужденных состояниях. Основные результаты. Создана рабочая версия программы для построения наборов одноэлектронных волновых функций электронов многоэлектронных атомов и расчета с их помощью сечений и констант скоростей столкновительных переходов в рамках первого борновского приближения. При наличии априорной информации об энергиях связей для электронов многочастичной системы стало возможным построение уточненных полуэмпирических решений для одноэлектронных волновых функций. Полученные результаты соответствуют экспериментально полученным собственным значениям энергий. Практическая значимость. Предложенное решение дает возможность простой и быстрой подготовки входных данных для численного моделирования нелокальной газоразрядной плазмы. Подход ориентирован на расчет разрядов в сложных газовых смесях, требующих учета большого числа элементарных столкновительных и радиационных процессов с участием тяжелых частиц в различных квантовых состояниях. Ключевые слова многоэлектронные атомы, одноэлектронные волновые функции, самосогласованное поле, поляризация атомного остатка, метод Борна, ионизация электронным ударом, возбуждение электронным ударом, оптимизация, генетические алгоритмы
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.
hi@scite.ai
10624 S. Eastern Ave., Ste. A-614
Henderson, NV 89052, USA
Copyright © 2024 scite LLC. All rights reserved.
Made with 💙 for researchers
Part of the Research Solutions Family.