Диодно-лазерная спектроскопия спин-изомерных молекул воды (1102636)
Текст из файла
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУКИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ имени А.М. ПРОХОРОВАНа правах рукописиКАПРАЛОВ Павел ОлеговичДИ О ДН О- ЛАЗЕРН АЯ СП ЕК Т РО СКОП И ЯСП ИН -ИЗ О МЕРН Ы Х МОЛЕКУ Л В О ДЫДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСпециальность 01.04.03радиофизикаНаучные руководителик.ф.- м.н. В.И. Тихонов,д.ф.- м.н. А.А. ВолковМОСКВА 20092СОДЕРЖАНИЕВведение…………………………………… …………………...……..… 3Глава 1. Проблема разделения воды на спиновые изомеры.Обзор литературы.§ 1.1. Спиновая изомерия молекулы воды.
Штарк эффект …………… .. 6§ 1.2. Поглощательная спектроскопия водяного пара…………………… 13§ 1.3. Проблема разделения воды на спиновые орто и пара изомеры …15§ 1.4. Вода в сорбционных процессах.……………………………......….. 34§ 1.5. Постановка задачи……………………………………....……….… ..
43.Глава 2. Диодно-лазерная спектрометрия ОП-отношенияводяного пара§ 2.1. Описание установки. Конструкция спектрометра …………..…… 44§ 2.2. Запись и обработка спектров …………………………..…..….…… 53§ 2.3. Структура интерфейса программы……………………….….…….. 56§ 2.4. Количественная молекулярная ДЛ-спектроскопия………..……... 63Глава 3. Нарушение нормального орто-пара отношенияв процессах динамической сорбции§ 3.1.Сорбционные эксперименты………………………..…………… …. 66§ 3.2.О-П-нарушение в модели динамической сорбции……….………… 76§ 3.3.Модель задержанного межфазного массособмена ……………...84§ 3.4.Модель штарковской орто-пара сортировки…………..…...…..… 86§ 3.5 .
Проверка гипотезы об адсорбционной сортировке молекул повращательным состояниям. ……………………………………………… 94Заключение и выводы ………………….……………...…… ……… 99Литература……………………………………….………..…..… … 1023ВВЕДЕНИЕДиссертация посвящена изучению спектральных свойств водяногопара в представлении о нем, как о газовой смеси независимых орто и параизомеров. Спиновая изомерия воды - это способность молекулы Н2Осуществовать в двух формах, отличающихся ориентацией ядерных спиноватомов водорода. Согласно квантовой механике, спины протонов могутбыть ориентированылибооднонаправленно(орто-молекула),либоразнонаправенно (пара-молекула) [1].
Термодинамическая вероятностьреализации орто молекул в три раза выше, чем пара молекул, поэтомусчитается, что при нормальных условиях водяной пар на три четвертисостоит из орто молекул и на четверть – из пара молекул (нормальноеорто/пара (О/П) отношение 3:1). Взаимные превращения орто и парамолекул маловероятны, по этой причине водяной пар – в прямом смыследвухкомпонентнаягазоваясмесьснормальныморто/пара(О/П)отношением 3:1, допускающая разделение на орто и пара компоненты. Вреальности такое разделение еще не достигнуто и его возможныепоследствия не изучены.Спиновая изомерия – сугубо квантовое, глубоко скрытое свойствомикрочастиц, oрто и пара молекулы воды химически и структурнонеразличимы.
По этой причине при объяснении несметного числа явлений,связанных с водой, спиновая изомерия до последнего времени в учет непринималось. В обширнейшей литературе по воде это свойство скольконибудь подробно вообще никогда не рассматривалось.Существование спиновой изомерии как фундаментального свойствасимметричных молекул, в составе которых имеются тождественные ядра снеравными нулю ядерными спинами, относится к числу самых раннихпредсказаний квантовой теории.
Предсказание очень быстро подтвердилосьдля водорода [2]. Сегодня водород известен как двухкомпонентная орто-4пара смесь, и этот фактор, как очень важный, учитывается припромышленном производстве жидкого водорода.Востребованная для водорода спиновая изомерия в отношении водыоказалась забытой на долгие годы. Эта тема на новом этапе появилась влитературе сравнительно недавно, в 80-х годах, в астрофизике и лазернойфизике. В первом случае спектральным методом со спутника былоизмерено орто-пара отношения в водяном паре ядра кометы и на основеэтого определена температура ядра [3].Во втором случае в экспериментах на газодинамическом лазере былазамечена разница в поведении орто и пара молекул при конденсации водына адсорбентах разной природы [4].
Через несколько лет результатыподтвердились теми же авторами в хроматографическом эксперименте [5,6]. Обещающее начало, однако, до сих пор должного развития не получило.Проблемой остаетсяотсутствие доступных методов регистрации орто-пара отношения и понимания закономерностей разделения водяного парана спиновые компоненты.Актуальность темыВ силу исключительной важности воды в природе потенциальнаязначимость проблемы разделения воды на спиновые компоненты этапечрезвычайно высока. По логике, орто и пара вода должны иметь разныемагнитные свойства, по этой причине они могут существенно по-разномуформировать сигнал в ЯМР-томографии; происходящие с участием водныхмолекул химические реакции могут отличаться по скоростям в зависимостиот орто-пара става реагентов; возможно, что асимметрия природыотносительно количеств орто и пара воды (3:1) лежит в основе хиральнойасимметриибиологическихисследованиями еще не тронуты.молекул.Перечисленныевопросы5Цели диссертационной работы: 1) разработка спектрального методаизмерения в реальном масштабе времени ОП-отношения в водяном паре, 2)поиск эффектов нарушения нормального ОП-отношения 3:1 при контактепара с адсорбентами, 3) разработка феноменологических моделейадсорбционного ОП-разделения.На защиту выносятся 1) принцип и устройство диодно-лазерногоспектрометра для измерения ОП-отношения в водяном паре; 2) методикинаблюдения временных изменений ОП-отношения в сорбционныхпроцессах; 3) результаты сорбционных экспериментов с водяным паром понарушению в нем нормального 3:1 ОП-отношения; 4) моделивзаимодействия водяного пара с адсорбентом и механизмов сортировкимолекул воды по спиновым состояниям в микропорах.Новизна и практическая значимость результатовВсе полученные в диссертации результаты – в отношенииэкспериментальной техники, измерительных методик, наблюдаемыхявлений и их интерпретации - являются новыми.
Практическая значимостьвыполненной работы состоит в возможности использовать созданнуютехнику и результаты экспериментов в качестве отправных для организациимасштабных исследований по изучению изомерных свойств молекул.Личный вклад автораАвторупринадлежитполностьюразработкаиаппаратурноевключение в эксперимент лабораторного ДЛ-спектрометра. Им личновыполненыадсорбционныеэкспериментыпредставленнойработы,проведена обработка результатов измерений и в коллективе соавторов,представленных вместе с П.О. Капраловым в публикациях, выработанамодель адсорбционного разделения водяного пара на орто и паракомпоненты.6АпробацияРезультаты диссертационных исследований докладывались навсероссийских и международных конференциях: 10-ом Всероссийскомсеминаре по ДЛС (Москва 2008), 11 и 12-ой школах-семинарах «Волновыеявления в неоднородных средах» и «Волны-2009» (Москва 2008, 2009), 1ой Всероссийской конференции «Методы исследования состава иструктуры функциональных материалов» (Новосибирск, 2009), 8-ойМеждународной конференции «Взаимодействие электромагнитных волн сводой и водосодержащими средами» (ISEMA 2009), Эспоо 2009, и прошлиапробацию на семинарах Института общей физики им.
А.М. Прохорова в2006 – 2008 гг., на рабочих совещаниях по проекту NTST Adventure N 32Европейской комиссии (Турин 2007, Москва 2007) .Публикации по теме диссертации представлены ссылками 1-10 всписке литературы.7Г Л А В А 1. Проблема разделения воды на спиновые изомеры.Обзор литературы.§ 1. Спиновая изомерия молекулы воды. Штарк эффект.Молекула воды описана во множестве книг, обзоров и статей,например, в наиболее объемных трудах [7-12]. Типичное еѐ изображение ипараметры представлены на Рис. 1.1 и в Табл. 1.1.
Молекула содержит 10электронов, 8 из которых происходят от кислорода, и по одному - от атомовводорода. Два внутренних электрона 1s–оболочки кислорода в образованиихимических связей не участвуют. Четыре из 8 внешних электронов образуютковалентную связь кислорода с двумя атомами водорода. Еще четыреэлектрона (так называемые, неподеленные электроны) группируютсяв двепары, которые, сдвигаясь относительно кислородного ядра, удаляются отпротонов и образуют с последними тетраэдрическую конструкцию.Образовавшаяся четырехугольная конфигурация зарядов обладаетотличными от нуля дипольным и квадрупольным моментами. В атомномпредставлении молекула Н2О имеет хорошо известную нелинейную форму.Входящие в состав молекулы воды два протона идентичны, и этосообщает молекуле свойство спиновой изомерии.
Обычно изомераминазываютвещества,имеющиеодинаковыйхимическийсоставимолекулярную массу, но отличающиеся по химическим и физическимсвойствам. Свойство изомерии особенно хорошо известно в отношенииорганических соединений, два примера приведены на Рис.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
