ВКР: Компьютерный анализ колебательных спектров водно-спиртовых растворов

1. Введение
Разложение спектрального контура на составляющие – важная спектроскопическая задача. В экспериментальных исследованиях часто встречаются спектральные контуры с неразрешенной внутренней структурой, обусловленной перекрытием соседних линий. Перекрытие спектральных линий в спектре характерно, например, для колебательных спектров вещества в конденсированном состоянии. Особенность колебательных спектров воды и водных растворов в том, что взаимодействия молекул в жидкости приводят к уширению полос в спектре, при этом для полосы валентных колебаний гидроксильных ОН-групп с частотой 3100…3700 см-1 наблюдается значительное перекрывание линий [1]. До сих пор не выяснены в полной мере механизмы формирования валентной полосы колебаний ОН-групп [2-3]. Многочисленные попытки определить вклады в валентную полосу внутри- и межмолекулярных взаимодействий, а также резонанса Ферми не привели к однозначным выводам [4-6]. Сложность исследования валентной полосы в колебательном спектре воды заключается в том, что контур полосы представляет собой широкую, практически бесструктурную кривую. Такие спектры без дальнейшей обработки не очень информативны, так как интересную информацию можно получить, лишь определив параметры индивидуальных полос, входящих в состав сложного спектра. В связи с этим возникает задача о нахождении числа полос, их формы, ширины, амплитуды и положения в шкале частот для отдельных составляющих сложного спектрального контура.
Эта обратная задача спектроскопии относится к классу некорректно поставленных задач, поскольку удовлетворяет не всем условиям корректности задачи (по А.Н.Тихонову) – не выполняются условие однозначности (единственности) решения и не выполняется условие устойчивости (решение в общем случае зависит от начального приближения). Поэтому для получения решения необходимо привлекать дополнительную информацию о возможной структуре сложного спектра или форме составляющих его полос. И в зависимости от характера такой информации можно сформулировать тот или иной алгоритм решения задачи. Целью настоящей работы является проведение компьютерного анализа колебательных спектров водно-этанольных растворов с целью выявления главных спектральных компонентов валентной полосы колебаний ОН-групп и построения модели структуры этой составной полосы. В работе изучались спектры инфракрасного (ИК) поглощения и комбинационного рассеяния (КР) света в водно-этанольных растворах при изменении концентрации спирта от 0 до 90% по массе. В отличие от спектра ИК поглощения, в котором проявляются линии, отвечающие колебательным переходам с изменением дипольного момента молекулы, в спектре КР проявляются линии, отвечающие колебательным переходам с изменением ее поляризуемости [7,8]. То есть, спектроскопия ИК поглощения и спектроскопия КР света являются независимыми, взаимно дополняющими друг друга спектральными методами.

2. Обзор литературы
Метод разложения спектрального контура с помощью генетических алгоритмов (ГА) Генетический алгоритм (ГА) в качестве программы был впервые описан в 1989г. Гольдбергом [11] на основе работ Холланда, который в 1975г. предложил схему генетического алгоритма [12]. ГА представляет собой метод оптимизации, основанный на концепциях естественного отбора и генетики. В этом подходе переменные, характеризующие решение, представлены в виде «генов» в «хромосоме». ГА оперирует конечным множеством решений («популяцией») - генерирует новые решения как различные комбинации частей решений (популяций), используя такие операции, как «отбор», «рекомбинация» (скрещивание) и «мутация». Новые решения располагаются в «по- 6 пуляции» в соответствии с их положением на поверхности исследуемой функции. Допустим нам нужно оптимизировать некоторую функцию F(X1,X2,..,Xn). Пусть мы ищем ее глобальный минимум. Тогда, для реализации ГА нам нужно придумать, как мы будем хранить решения. По сути, нам нужно поместить все X1-Xn в некоторый вектор, который будет играть роль хромосомы. Пусть каждая особь состоит из массива X и значения функции F на переменных, извлеченных из этого массива.