Изучение резонансного взаимодействия в многоатомной молекуле C2H2D2-cis, основан- ное на высокоточных экспериментальных данных сильнорезонирующих полос v10, v8, V7, V4, V6, V12, 2vio
|
Введение 13
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 16
2. МЕТОДЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРОВ МОЛЕКУЛ 19
2.1 Модель эффективного гамильтониана 19
2.2 Правила отбора 24
3 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 30
3.1 Общая информация о молекуле cis-C2H2D2 30
3.2 Метод комбинационных разностей 31
4. РАСЧЕТЫ И АНАЛИТИКА 34
4.1 Эффект изотопозамещения в молекуле этилена и оценка
спектроскопических параметров 34
5 РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 36
5.1 Детали эксперимента 36
5.2 Описание спектров и определение переходов 38
5.3 Анализ вращательной структуры взаимодействующих полос v10, v8, v4, v7 и
V6 41
6. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 44
6.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 44
6.1.1 SWOT-анализ 45
6.2 Определение возможных альтернатив проведения научных исследований 49
6.3 Планирование процесса управления НТИ: структура и график проведения,
бюджет, риски и организация закупок 49
6.3.1 Планирование научно-исследовательских работ 49
6.3.1 Бюджет научного исследования 52
6.3.2 Специальное оборудование для научных работ 54
6.3.3 Расчет основной заработной платы 54
6.3.4 Дополнительная заработная плата научно-производственного
персонала 56
6.3.5 Отчисления на социальные нужды 56
6.3.6 Накладные расходы 57
6.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 57
7. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 60
7.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой производственной
среды 60
7.1.1 Метеоусловия 60
7.1.2 Шум 62
7.1.3 Освещенность 63
7.1.4 Электромагнитные поля 67
7.2 Анализ выявленных опасных факторов производственной среды 70
7.2.1 Электробезопасность 70
7.2.2 Факторы пожарной и взрывной природы 72
7.3 Охрана окружающей среды 76
7.4 Защита в ЧС 76
7.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 78
Заключение 79
Список публикаций 80
Список используемой литературы 82
Приложение А 85
Приложение Б 86
Приложение B 87
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 16
2. МЕТОДЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРОВ МОЛЕКУЛ 19
2.1 Модель эффективного гамильтониана 19
2.2 Правила отбора 24
3 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 30
3.1 Общая информация о молекуле cis-C2H2D2 30
3.2 Метод комбинационных разностей 31
4. РАСЧЕТЫ И АНАЛИТИКА 34
4.1 Эффект изотопозамещения в молекуле этилена и оценка
спектроскопических параметров 34
5 РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 36
5.1 Детали эксперимента 36
5.2 Описание спектров и определение переходов 38
5.3 Анализ вращательной структуры взаимодействующих полос v10, v8, v4, v7 и
V6 41
6. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 44
6.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 44
6.1.1 SWOT-анализ 45
6.2 Определение возможных альтернатив проведения научных исследований 49
6.3 Планирование процесса управления НТИ: структура и график проведения,
бюджет, риски и организация закупок 49
6.3.1 Планирование научно-исследовательских работ 49
6.3.1 Бюджет научного исследования 52
6.3.2 Специальное оборудование для научных работ 54
6.3.3 Расчет основной заработной платы 54
6.3.4 Дополнительная заработная плата научно-производственного
персонала 56
6.3.5 Отчисления на социальные нужды 56
6.3.6 Накладные расходы 57
6.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 57
7. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 60
7.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой производственной
среды 60
7.1.1 Метеоусловия 60
7.1.2 Шум 62
7.1.3 Освещенность 63
7.1.4 Электромагнитные поля 67
7.2 Анализ выявленных опасных факторов производственной среды 70
7.2.1 Электробезопасность 70
7.2.2 Факторы пожарной и взрывной природы 72
7.3 Охрана окружающей среды 76
7.4 Защита в ЧС 76
7.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 78
Заключение 79
Список публикаций 80
Список используемой литературы 82
Приложение А 85
Приложение Б 86
Приложение B 87
Колебательно-вращательная спектроскопия является одним из важнейших разделов молекулярной спектроскопии высокого разрешения, которая в свою очередь является основным источником количественной информации о квантово-механических характеристиках объектов микромира.
В последнее время в связи с внедрением в технику эксперимента лазерных и Фурье-спектрометров увеличился поток новой высокоточной информации, что позволяет более детально изучить происходящие в молекуле физические процессы. Тем самым высокий уровень развития спектроскопии молекул позволяет регистрировать тонкую и сверхтонкую структуры спектров. Изучение данной структуры позволяет определить такие фундаментальные характеристики молекул, которые предоставляют возможность для исследования различных сложных эффектов внутримолекулярной природы.
Колебательно-вращательные спектры поглощения высокого разрешения дают наиболее полную информацию о характере внутримолекулярных взаимодействий состояний и свойствах молекул. Определяемые из эксперимента параметры спектральных линий содержат информацию о важнейших структурных и динамических параметрах молекул таких как: структурные постоянные, внутримолекулярное силовое поле, межмолекулярный потенциал, электрический и магнитный моменты.
Анализ спектров позволяет определить систему уровней энергий молекулы, найти спектроскопические постоянные, из которых могут быть определены структурные параметры. Определив уровни энергии, можно получить точные значения межатомных расстояний, частот колебаний и силовых постоянных, энергий диссоциаций и других величин, характеризующих структуру многоатомных молекул.
Полученные данные о колебательно-вращательном движении молекул необходимы для решения различных задач астрофизики, атмосферной оптики, физики полупроводников и других научных и технических проблем.
Решение большинства задач физики молекул предполагает знание корректной структуры (равновесных длин связей и равновесных углов между связями) исследуемой молекулы. В общем случае подобная информация извлекается из анализа спектров микроволновой и дальней инфракрасной области, где расположены линии, соответствующие только вращательным переходам ([1] - [4]). Однако, микроволновые спектры не могут быть использованы для определения спектроскопических характеристик молекул не обладающих дипольным моментом, поскольку микроволновые переходы в молекулах подобного вида не проявляются. Более того, несмотря на высокую точность в положениях центров линий в микроволновом диапазоне, количества микроволновых переходов (особенно для состояний с высокими значениями вращательных квантовых чисел) оказывается недостаточно для корректного определения вращательной структуры, рассматриваемой молекулы. В обоих этих случаях важным и эффективным подходом для решения задачи является использование спектров высокого разрешения инфракрасного и видимого диапазонов, причем для как можно большего числа различных изотопических разновидностей молекулы.
Известно, что молекула этилена является естественной компонентой атмосферного воздуха, участвующей в процессах атмосферной химии и формировании глобального климата. В результате реакции с ОН-радикалом, этилен играет существенную роль в химии тропосферы [5]. Также этилен является одним из важных объектов исследования в астрофизике и планетологии: в значительных количествах он обнаружен в атмосферах Юпитера, Сатурна, Нептуна и спутниках Титана [6,7]. В физической химии этилен также является предметом интенсивных исследований, поскольку он может рассматриваться как прототип большого числа органических молекул. Как следствие вышесказанного, в течение многих лет спектры высокого разрешения этилена являлись предметом пристального внимания (см. обзор в [8], а также недавние работы [9 - 11].
Целью данной магистерской диссертации является изучение резонансного взаимодействия в многоатомной молекуле C2H2D2-cis, основанное на высокоточных экспериментальных данных сильнорезонирующих полос в диапазоне 580 - 1200 см-1.
Задачи научно - исследовательской работы:
1) Анализ колебательно - вращательных спектров сильно резонирующих полос в спектральном диапазоне 580 - 1200 см-1.
2) Решение обратной спектроскопической задачи. Определение спектроскопических параметров гамильтониана, описывающего вращательную структуру каждой исследуемой полосы, и определение параметров резонансного взаимодействия.
В предыдущих исследованиях ученых - спектроскопистов уже были получены результаты анализа некоторых из перечисленных полос данного диапазона. Мы ставим перед собой задачу улучшения данных, которые были уже получены ранее, а также изучение колебательных состояний, которые не были изучены ранее.
В последнее время в связи с внедрением в технику эксперимента лазерных и Фурье-спектрометров увеличился поток новой высокоточной информации, что позволяет более детально изучить происходящие в молекуле физические процессы. Тем самым высокий уровень развития спектроскопии молекул позволяет регистрировать тонкую и сверхтонкую структуры спектров. Изучение данной структуры позволяет определить такие фундаментальные характеристики молекул, которые предоставляют возможность для исследования различных сложных эффектов внутримолекулярной природы.
Колебательно-вращательные спектры поглощения высокого разрешения дают наиболее полную информацию о характере внутримолекулярных взаимодействий состояний и свойствах молекул. Определяемые из эксперимента параметры спектральных линий содержат информацию о важнейших структурных и динамических параметрах молекул таких как: структурные постоянные, внутримолекулярное силовое поле, межмолекулярный потенциал, электрический и магнитный моменты.
Анализ спектров позволяет определить систему уровней энергий молекулы, найти спектроскопические постоянные, из которых могут быть определены структурные параметры. Определив уровни энергии, можно получить точные значения межатомных расстояний, частот колебаний и силовых постоянных, энергий диссоциаций и других величин, характеризующих структуру многоатомных молекул.
Полученные данные о колебательно-вращательном движении молекул необходимы для решения различных задач астрофизики, атмосферной оптики, физики полупроводников и других научных и технических проблем.
Решение большинства задач физики молекул предполагает знание корректной структуры (равновесных длин связей и равновесных углов между связями) исследуемой молекулы. В общем случае подобная информация извлекается из анализа спектров микроволновой и дальней инфракрасной области, где расположены линии, соответствующие только вращательным переходам ([1] - [4]). Однако, микроволновые спектры не могут быть использованы для определения спектроскопических характеристик молекул не обладающих дипольным моментом, поскольку микроволновые переходы в молекулах подобного вида не проявляются. Более того, несмотря на высокую точность в положениях центров линий в микроволновом диапазоне, количества микроволновых переходов (особенно для состояний с высокими значениями вращательных квантовых чисел) оказывается недостаточно для корректного определения вращательной структуры, рассматриваемой молекулы. В обоих этих случаях важным и эффективным подходом для решения задачи является использование спектров высокого разрешения инфракрасного и видимого диапазонов, причем для как можно большего числа различных изотопических разновидностей молекулы.
Известно, что молекула этилена является естественной компонентой атмосферного воздуха, участвующей в процессах атмосферной химии и формировании глобального климата. В результате реакции с ОН-радикалом, этилен играет существенную роль в химии тропосферы [5]. Также этилен является одним из важных объектов исследования в астрофизике и планетологии: в значительных количествах он обнаружен в атмосферах Юпитера, Сатурна, Нептуна и спутниках Титана [6,7]. В физической химии этилен также является предметом интенсивных исследований, поскольку он может рассматриваться как прототип большого числа органических молекул. Как следствие вышесказанного, в течение многих лет спектры высокого разрешения этилена являлись предметом пристального внимания (см. обзор в [8], а также недавние работы [9 - 11].
Целью данной магистерской диссертации является изучение резонансного взаимодействия в многоатомной молекуле C2H2D2-cis, основанное на высокоточных экспериментальных данных сильнорезонирующих полос в диапазоне 580 - 1200 см-1.
Задачи научно - исследовательской работы:
1) Анализ колебательно - вращательных спектров сильно резонирующих полос в спектральном диапазоне 580 - 1200 см-1.
2) Решение обратной спектроскопической задачи. Определение спектроскопических параметров гамильтониана, описывающего вращательную структуру каждой исследуемой полосы, и определение параметров резонансного взаимодействия.
В предыдущих исследованиях ученых - спектроскопистов уже были получены результаты анализа некоторых из перечисленных полос данного диапазона. Мы ставим перед собой задачу улучшения данных, которые были уже получены ранее, а также изучение колебательных состояний, которые не были изучены ранее.
В представленной магистерской работе описаны результаты исследовательской деятельности, т.е. анализа колебательно-вращательного спектра высокого разрешения молекулы C2H2D2 в диапазоне 600 — 1200 см-1. Исследуемый спектральный диапазон содержит пять фундаментальных полос: v10, v8, v4, v7 и v6. В результате анализа экспериментально зарегистрированного спектра было определено около 8700 колебательно-вращательных переходов. И более 2000 колебательно-вращательных верних энергетических состояний было определено. Следует отметить, что запрещенные полосы v4 и v8 были исследованы впервые. А также фундаментальная полоса v10 из-за была проинтерпретироавна впервые в силу своей слабой интенсивности. Максимальное значение квантовых чисел Jnax/Kamax для найденных переходов составляет 16/9, 18/7, 19/7, 45/22,и 42/12 для исследуемых полос v10, v8, v4, v7, и v6, соответственно.
Используя полученные из эксперимента данные использовались в фитинге спектроскопических параметров. В результате решения обратной спектроскопической задачи был получен набор из 32 варьируемых параметров (колебательно-вращательных параметров, вращательных постоянных и параметров центробежного искажения различных порядков). Данный набор параметров позволяет воспроизводить исходные экспериментальные колебательно-вращательные энергии (2000) с точностью rms: dms= 2.6*10-4cm-1.
Используя полученные из эксперимента данные использовались в фитинге спектроскопических параметров. В результате решения обратной спектроскопической задачи был получен набор из 32 варьируемых параметров (колебательно-вращательных параметров, вращательных постоянных и параметров центробежного искажения различных порядков). Данный набор параметров позволяет воспроизводить исходные экспериментальные колебательно-вращательные энергии (2000) с точностью rms: dms= 2.6*10-4cm-1.