Исследование количественных характеристик поглощения изотопологов диоксида серы и этилена
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1 Некоторые методы исследования колебательно-вращательных
спектров молекул типа асимметричного волчка . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1 Особенности анализа спектра молекул типа асимметричного волч-
ка. Правила отбора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2 Основы метода эффективных гамильтонианов . . . . . . . . . . . 25
1.3 Элементы теории изотопозамещения . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.4 Некоторые сведения о контурах изолированных спектральных ли-
ний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2 Спектры высокого разрешения дейтерированного изотополога
этилена: транс-C2 H2 D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.1 Анализ Фурье-спектра молекулы транс-C2 H2 D2 в диапазоне 1350-
1950 см−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2 Построение теоретической модели эффективного гамильтониана
для исследования спектра молекулы транс-C2 H2 D2 в диапазоне
1350–1950 см−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3 Результаты анализа спектра возбужденных колебательных состо-
яний: (v8 = v10 = 1), (v7 = v8 = 1), (v6 = v10 = 1) и (v6 = v7 = 1) . 60
3 Исследование влияния изотопозамещения на параметры диполь-
ного момента в молекулах типа XY2 симметрии C2v . . . . . . . . . . 68
3.1 Эффективный дипольный момент . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2 Определение параметров эффективного дипольного момента мо-
лекул типа-XYZ (Cs симметрии) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3 Изотопические соотношения для параметров дипольного момента
симметрично и несимметрично замещенных изотопологов диокси-
да серы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4 Расчет параметров эффективного дипольного момента на приме-
ре молекулы HDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.5 Количественная оценка параметров эффективного дипольного мо-
32 16 34 16 32 16
мента молекул S O2 , S O2 и S O18 O . . . . . . . . . . . . . 86
4 Исследование положений и интенсивностей спектральных ли-
34 32 16
ний молекул SO2 (полоса ν2 ) и S O18 O(«горячие» переходы:
ν1 + ν2 + ν3 − ν2 и ν2 + ν3 − ν2 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.1 Экспериментальные условия и решение энергетической задачи . . 90
4.2 Метод оценки парциального давления молекул, входящих в экс-
периментальный образец . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3 Анализ интенсивностей линий и определение параметров эффек-
тивного дипольного момента полосы ν2 молекулы SO2 . . . . . . 105
4.4 Исследование спектров «горячих» полос ν1 + ν2 + ν3 − ν2 и 2ν2 +
ν3 − ν2 молекулы S16 O18 O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Список используемой литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Приложение А Небольшая часть значений интенсивностей линий
34 16
полосы ν2 молекулы S O2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Прогресс, достигнутый в последние годы в экспериментальной спектроско-
пии террагерцовой, микроволновой, инфракрасной и видимой областей вызван
разработкой и использованием приборов высокой точности, основанных на ла-
зерных технологиях и методах Фурье-спектроскопии. Современные колебатель-
но-вращательные спектры позволяют получить намного больше точной экспе-
риментальной информации о параметрах спектральных линий, в сравнении с
более ранними работами. Как следствие, возникает необходимость в разработке
новых, а также модернизации уже известных теоретических методов, исполь-
зуемых в колебательно-вращательной спектроскопии, поскольку извлекаемая
из экспериментальных спектров высокоточная информация должна обеспечить
надежную базу для определения фундаментальных параметров молекул, таких,
как структурные параметры, внутримолекулярное силовое поле, дипольный мо-
мент. Таким образом, спектроскопические данные высокой точности содержат
информацию о фундаментальных характеристиках молекул, которые опреде-
ляют их физико-химические свойства.
Значимую роль в определении фундаментальных свойств молекул имеет
исследование колебательно-вращательных спектров изотопически замещенных
молекул. Как показывает анализ, исследование спектров только «материнской»
молекулы, к примеру этилена или метана, не является достаточным для полно-
го определения всех параметров силового поля молекулы, поскольку зачастую в
силу более высокой симметрии нет возможности получить информацию о ряде
состояний (и как следствие о ряде параметров) в силу того, что переходы на них
в поглощении запрещены по симметрии и единственным способом получения
недостающей информации является исследование спектров различных изото-
пических производных более низкой симметрии. Таким образом, исследование
спектров изотопологов молекул является комплементарными при определении
внутренней динамики молекул. Следуя этим рассуждениям, в диссертации сде-
лан акцент на исследовании колебательно-вращательных спектров изотополо-
гов молекул этилена и диоксида серы.
Исследование характеристик поглощения молекул является еще одним важ-
ным моментом анализа колебательно-вращательных спектров, поскольку имеет
выход на практические прикладные задачи, связанные с определением количе-
ства вещества в среде и ее макро-параметров. Информация об интенсивностях
линий, полученная, с одной стороны путем дистанционного зондирования, с
другой стороны на основе теоретического расчета, позволяет определять мак-
ропараметры среды, такие как давление, концентрация исследуемого газа и
температура. Такой подход чрезвычайно важен для задач астрофизики, плане-
тологии и атмосферной оптики. При этом извлечение информации об интенсив-
ностях линий из колебательно-вращательных спектров является нетривиальной
задачей с точки зрения экспериментальных и теоретических исследований.
В настоящее время довольно активно развиваются и широко используют-
ся квантово-химические методы расчета внутримолекулярного силового поля и
дипольного момента. Однако, как показывает анализ, точность данных, полу-
ченных на основе ab initio расчетов, в настоящее время, не является удовлетво-
рительной, в сравнении с экспериментальной, а также не является достаточной
для предсказания как положений линий, так и их интенсивностей в особенности
для молекул, содержащих большое количество атомов. Вместе с тем, развитые,
в колебательно-вращательной спектроскопии, модели эффективных операторов
(модель эффективного гамильтониана и модель эффективного оператора ди-
польного момента) позволяют описывать положения линий и интенсивности с
точностями, сравнимыми с экспериментальной погрешностью в определении со-
ответствующих величин. Как правило, при определении интенсивностей в рам-
ках модели эффективного оператора дипольного момента среднее отклонение
расчета от эксперимента составляет несколько процентов. Однако, не всегда
точность воспроизведения экспериментальных данных является показателем
корректного определения набора параметров эффективного дипольного момен-
та. Возникают случаи, когда в процессе решения обратной задачи, параметры
начинают сильно коррелировать друг с другом, при этом вероятность получе-
ния набора физически необоснованных параметров возрастает. Чтобы избежать
подобного рода ситуаций необходимо каким-либо образом определить значения
данных параметров и использовать рассчитанные значения в качестве первого
приближения. В диссертационной работе, на основе использования операторной
теории возмущений и следствий теории изотопозамещения, получен ряд фор-
мул, определяющих параметры разложения эффективного дипольного момента
для замещения XYZ←−XY2 как функций фундаментальных параметров.
В диссертации обсуждается проблема определения компонентного состава
изотопологов в газовой смеси. Необходимо заметить, что знание правильного
процентного соотношения молекул в газовой смеси позволит избежать ошибки
при определении экспериментальных значений интенсивностей спектральных
линий. Для решения этой проблемы, в диссертации, предложен спектроскопи-
ческий метод определения парциального давления, который позволяет с точно-
стью порядка 2 % определять концентрацию веществ в газовой смеси.
Предложенные в работе методы и выполненные исследования являются ак-
туальными, поскольку призваны сделать проблему исследования интенсивно-
стей однозначной и корректной. Их появление своевременно в связи с возрос-
шими, в последнее время, потребностями в высокоточной информации, необхо-
димой для целей астрофизики и газоанализа.
Исходя из вышеизложенного целью настоящей работы является экспери-
ментальное и теоретическое исследование количественных характеристик коле-
бательно-вращательных спектров молекул типа ассиметричного волчка на при-
мере этилена, диоксида серы и их изотопологов.
Реализация поставленной цели заключалась в решение следующих задач:
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.5 (80 отзывов)
4.4 (93 отзыва)
4.1 (20 отзывов)
4.8 (13 отзывов)
4.9 (66 отзывов)
4.8 (2878 отзывов)
4.5 (9 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
