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!
5 (145 отзывов)
4.4 (59 отзывов)
5 (1241 отзыв)
0 (13 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
4.7 (82 отзыва)
4.2 (5 отзывов)
4.6 (92 отзыва)
4.9 (35 отзывов)
