Особенности терагерцовых спектров поглощения воды и водных растворов электролитов

• Автор: Пеньков, Никита Викторович
• Шифр специальности: 03.01.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Пущино
• Количество страниц: 132 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Современные представления о составе и структуре воды

1.2. Экспериментальные методы исследования структуры водных растворов

1.3. Спектральные характеристики водных растворов в различных диапазонах частот и их интерпретация на молекулярно уровне

1.4. Способы математического описания спектров

1.5. Об особенностях молекулярной релаксации в водных растворах

Глава 2. ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Измерение спектров в терагерцовой области методом time-domain spectroscopy..

2.2. Измерение спектров в дальней ИК-области методом фурье-спектроскопии

2.3. Построение спектральной модели. Анализ спектров
Глава. 3. АНАЛИЗ СПЕКТРАЛЬНЫХ ДАННЫХ
3.1.' Влияние типа ионов на параметры высокочастотной релаксационной полосы водных
растворов
3.2. Сравнительный анализ высокочастотной релаксации НгО и D2O. Влияние температуры
Глава 4. РАСЧЁТ КОЛИЧЕСТВА СВОБОДНЫХ МОЛЕКУЛ ВОДЫ
4.1. Связь высокочастотной релаксации с наличием свободных молекул воды
4.2. Метод расчёта количества свободных молекул воды
4.3. Расчёт количества свободных молекул воды в различных растворах, при различных
температурах
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию структурных характеристик жидкой воды и водных растворов на основании анализа спектров поглощения в терагерцовой области частот. В рамках данного подхода наиболее информативным участком спектра является область 5 — 80 см'1 (0.15 - 2.5 ТГц). До недавнего времени спектральные исследования в этой области могли проводиться, главным образом, только с помощью методов инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния. Для этих методов указанные частоты располагаются на нижнем пределе доступного диапазона и часто вообще недостижимы в связи с тем, что возникает необходимость использования очень дорогих и сложных в эксплуатации охлаждаемых жидким гелием болометров. Но даже при наличии соответствующих технических возможностей, измерения в указанной области позволяют получить спектральные данные невысокого качества. В последнее время с появлением метода time-domain spectroscopy открылись широкие возможности для проведения надёжных измерений спектров в указанном плохо изученном спектральном участке. В данной работе этот спектральный метод является основным источником экспериментальных данных. Первые системные исследования воды с помощью данного метода выявили в терагерцовой области наличие релаксационного пика поглощения, не описанного ранее. Эта высокочастотная релаксационная полоса, в отличие от основной дебаевской полосы (максимум поглощения которой расположен вблизи 0.6 см'1), на сегодняшний день не имеет однозначной интерпретации на молекулярном уровне. При этом очевидно, что указанный релаксационный процесс связан не с внутримолекулярным, а с надмолекулярным типом динамики молекул воды. Это означает, что исследования свойств указанной релаксационной полосы поглощения могут дать ценную информацию о структурных характеристиках воды и водных растворов.

Основная цель работы - исследование высокочастотной релаксационной полосы поглощения, проявляющейся в терагерцовой области спектра водных растворов, и выявление зависимостей между параметрами этой полосы и структурными свойствами водных растворов.
Для достижения цели работы были сформулированы следующие задачи:
- разработать методику измерения спектров водных растворов в терагерцовой области частот с помощью нескольких спектральных методов;
- разработать спектральную модель, связывающую спектры пропускания растворов в кювете с параметрами полос поглощения, а также создать алгоритм для программного расчёта этих параметров;
выявить закономерности изменения параметров высокочастотной релаксационной полосы в спектрах водных растворов электролитов в зависимости от типа ионов;
- проанализировать температурное изменение параметров указанной полосы в спектрах различных изотопологов воды.
Научная новизна.
В работе установлена прямая связь между амплитудой высокочастотной релаксационной полосы поглощения и степенью структурированности водной сетки в растворе. На основании этого:
- предложен новый метод анализа структурированности водных растворов,
- предложен новый метод расчёта количества свободных молекул воды,
- выявлена особенность температурной зависимости амплитуды высокочастотной релаксационной полосы в диапазоне физиологических температур (35 — 40°С), что

Помимо величины а, для описания поглощательной способности образца вводят безразмерный коэффициент поглощения к, который представляет собой мнимую часть комплексного коэффициента преломления: п* = п + 1к. Коэффициенты А: и а связаны друг с другом через соотношение:
где Я- длина волны в вакууме.

Для любого вещества спектры Т, 1д - и а, к являются функциями,
характеризующими данное вещество. Обычно спектр представляет собой совокупность полос поглощения, каждая из которых возникает вследствие возбуждения колебаний молекулярных структур какого-то типа. Для исследования конкретных структурных характеристик вещества часто необходимо проанализировать определённую полосу поглощения, ответственную за эту характеристику. Но в большинстве случаев, в основном при изучении веществ в конденсированной фазе, полосы поглощения сильно перекрываются друг с другом. В таких случаях применяются процедуры моделирования спектров. Моделирование спектра - это процедура разложения экспериментальной спектральной кривой на отдельные спектральные линии, параметры которых (положение, интенсивность, ширина и вид контура) оптимизируются таким образом, чтобы обеспечить минимальное различие между экспериментальной и модельной спектральной кривой. Набор методов такого моделирования достаточно широк и подробно описан, например, в [53]. Однако можно отметить, что эти подходы не всегда приводят к однозначному решению, особенно когда полосы поглощения сильно перекрыты друг с другом. Демонстрация возможностей метода моделирования спектров представлена на рисунке 13.