ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ ИЗОТОПОЛОГОВ МОЛЕКУЛЫ N2O В ОБЛАСТИ 4000-6000 см’1
|
РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 2
1. СПЕКТР ЛИНЕЙНЫХ МОЛЕКУЛ (N2O) 4
1.1 Молекула N2O 4
1.2 Спектр 4
1.3 Спектры молекулы 5
1.4 Спектральные линии 14
2. ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ 18
2.1 Фурье-спектроскопия и фурье-спектрометры 18
2.2 Измерение спектра поглощения 18
2.3 Преимущества Фурье-спектроскопии 20
3. АНАЛИЗ СПЕКТРОВ N20 23
3.1 Составление списка линий 23
3.1.1 Регистрация 23
3.1.2 Программа WxSpe 23
3.1.3 Подгонка и погрешность 24
3.1.4 Калибровка и погрешность 25
3.2 Идентификация спектра 26
3.2.1 Комбинационные разности 26
3.2.2 Зарегистрированные Полосы 28
3.2.3 Определение концентрации изотопологов 35
3.2.4 Уширение и сдвиг линий давлением 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 45
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 46
ВВЕДЕНИЕ 2
1. СПЕКТР ЛИНЕЙНЫХ МОЛЕКУЛ (N2O) 4
1.1 Молекула N2O 4
1.2 Спектр 4
1.3 Спектры молекулы 5
1.4 Спектральные линии 14
2. ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ 18
2.1 Фурье-спектроскопия и фурье-спектрометры 18
2.2 Измерение спектра поглощения 18
2.3 Преимущества Фурье-спектроскопии 20
3. АНАЛИЗ СПЕКТРОВ N20 23
3.1 Составление списка линий 23
3.1.1 Регистрация 23
3.1.2 Программа WxSpe 23
3.1.3 Подгонка и погрешность 24
3.1.4 Калибровка и погрешность 25
3.2 Идентификация спектра 26
3.2.1 Комбинационные разности 26
3.2.2 Зарегистрированные Полосы 28
3.2.3 Определение концентрации изотопологов 35
3.2.4 Уширение и сдвиг линий давлением 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 45
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 46
Спектроскопия является областью исследования, которая объединяет физику и аналитическую химию и посвящена анализу спектров, возникающих при взаимодействии излучения с веществом. В физической науке спектроскопические методы широко применяются для изучения различных характеристик таких взаимодействий. Применение спектроскопии различается в зависимости от объектов исследования, включая атомную спектроскопию, молекулярную спектроскопию, масс-спектроскопию, ядерную спектроскопию, инфракрасную спектроскопию и другие. Возникновение спектроскопии связывается с 1666 годом, когда И. Ньютон впервые разложил солнечный свет на спектр. Важными этапами дальнейшего развития спектроскопии являются открытие и изучение в начале 19 века линий поглощения в солнечном спектре (известных как фраунгоферовы линии), установление связи между спектрами испускания и поглощения (Г.Р. Кирхгоф и Р. Бунзен, 1859 год) и развитие на основе этого спектрального анализа. С помощью спектроскопии впервые удалось определить состав астрономических объектов, таких как Солнце, звезды и туманности. Во второй половине 19-го и начале 20-го века спектроскопия продолжала развиваться как эмпирическая наука, и был собран обширный материал об оптических спектрах атомов и молекул, а также были обнаружены закономерности в расположении спектральных линий и полос. В 1913 году Н. Бор представил объяснение этих закономерностей на основе квантовой теории, в соответствии с которой спектры электромагнитного излучения возникают благодаря квантовым переходам между энергетическими уровнями атомных систем, основываясь на постулатах Бора. Эти открытия оказали существенное влияние на развитие квантовой механики и квантовой электродинамики, которые впоследствии стали фундаментом современной спектроскопии. Рубенс продолжил эти исследования и полностью подтвердил формулу Планка.
Развитие исследований в области инфракрасного спектра и совершенствование экспериментальных методов приводят к более глубокому пониманию структуры вещества и решению различных вопросов, связанных с квантовой механикой. Особое важность приобретает проблема точного измерения интенсивности и проведения измерений в длинноволновой части спектра.
Это создало предпосылки для широкого применения спектроскопических методов исследования в различных областях науки и практики. С помощью спектроскопии изучаются уровни энергии атомов, молекул и макроскопических систем, а также квантовые переходы между этими уровнями, что предоставляет важную информацию о структуре и свойствах вещества. Объектами спектроскопического исследования могут быть различные вещества в любых состояниях. В простейшем случае это может быть разреженный газ, где 2
расстояние между молекулами достаточно велико, чтобы рассматривать их изолированно. В более сложных случаях это могут быть конденсированные тела, где каждая частица подвержена межмолекулярным взаимодействиям. Из спектроскопических данных можно получить информацию о структуре и свойствах молекул, а также о силах взаимодействия между ними, что, в свою очередь, раскрывает информацию о строении вещества в целом. Молекулярная спектроскопия в настоящее время является незаменимым инструментом для изучения молекулярной структуры и решения связанных с ней проблем, таких как идентификация неизвестных веществ, выяснение их структурных особенностей, изучение межмолекулярных взаимодействий и образования комплексов, а также количественный анализ отдельных веществ и их смесей.
Ежегодные увеличения концентраций парниковых газов в атмосфере, которые играют важную роль в разрушении озонового слоя, способствуют увеличению интереса в получении информации о воздействии основных парниковых газов в разных слоях атмосферы. N2O является третьим, после CO2 и CH4, парниковым газом с ежегодно увеличивающейся мольной долей в атмосфере. N2O также играет роль в разрушении озонового слоя, выступая в качестве основного стратосферного источника оксидов азота.
Основным источником N2O является денитрификация, это естественный микробиологический процесс почвы, при котором нитраты (NO) превращаются в газообразный азот (N), который теряется в атмосфере. Денитрификация происходит, когда почвенные бактерии используют нитраты для дыхания вместо кислорода в воздухе. Затем большой вклад уже вносят сжигание и сельское хозяйство. Информация об измерениях концентрации N2O в атмосфере важны для понимания глобального азотного цикла, роли антропогенного вклада в этот цикл. Для достижения этих целей необходимо создание точной модели его радиационного воздействия, куда входят спектры поглощения N2O в широких областях.
В базе данных молекулярной спектроскопии HITRAN присутствуют только 5 изотополога молекулы N2O, такие как 446, 456, 546, 448, 447, а изотопологи 558, 556, 548 отсутствуют. В данной базе коэффициент уширения затабулирована, а коэффициента сдвига нет совсем.
В области высоких частот спектры N2O исследованы слабо, особенно это относится к редким изотопологам, а также к параметрам контура (коэффициентам уширения и сдвига линий давлением) спектральных линий.
Цель работы - исследовать спектры поглощения изотопологов N2O в области 40006000 см-1.
Развитие исследований в области инфракрасного спектра и совершенствование экспериментальных методов приводят к более глубокому пониманию структуры вещества и решению различных вопросов, связанных с квантовой механикой. Особое важность приобретает проблема точного измерения интенсивности и проведения измерений в длинноволновой части спектра.
Это создало предпосылки для широкого применения спектроскопических методов исследования в различных областях науки и практики. С помощью спектроскопии изучаются уровни энергии атомов, молекул и макроскопических систем, а также квантовые переходы между этими уровнями, что предоставляет важную информацию о структуре и свойствах вещества. Объектами спектроскопического исследования могут быть различные вещества в любых состояниях. В простейшем случае это может быть разреженный газ, где 2
расстояние между молекулами достаточно велико, чтобы рассматривать их изолированно. В более сложных случаях это могут быть конденсированные тела, где каждая частица подвержена межмолекулярным взаимодействиям. Из спектроскопических данных можно получить информацию о структуре и свойствах молекул, а также о силах взаимодействия между ними, что, в свою очередь, раскрывает информацию о строении вещества в целом. Молекулярная спектроскопия в настоящее время является незаменимым инструментом для изучения молекулярной структуры и решения связанных с ней проблем, таких как идентификация неизвестных веществ, выяснение их структурных особенностей, изучение межмолекулярных взаимодействий и образования комплексов, а также количественный анализ отдельных веществ и их смесей.
Ежегодные увеличения концентраций парниковых газов в атмосфере, которые играют важную роль в разрушении озонового слоя, способствуют увеличению интереса в получении информации о воздействии основных парниковых газов в разных слоях атмосферы. N2O является третьим, после CO2 и CH4, парниковым газом с ежегодно увеличивающейся мольной долей в атмосфере. N2O также играет роль в разрушении озонового слоя, выступая в качестве основного стратосферного источника оксидов азота.
Основным источником N2O является денитрификация, это естественный микробиологический процесс почвы, при котором нитраты (NO) превращаются в газообразный азот (N), который теряется в атмосфере. Денитрификация происходит, когда почвенные бактерии используют нитраты для дыхания вместо кислорода в воздухе. Затем большой вклад уже вносят сжигание и сельское хозяйство. Информация об измерениях концентрации N2O в атмосфере важны для понимания глобального азотного цикла, роли антропогенного вклада в этот цикл. Для достижения этих целей необходимо создание точной модели его радиационного воздействия, куда входят спектры поглощения N2O в широких областях.
В базе данных молекулярной спектроскопии HITRAN присутствуют только 5 изотополога молекулы N2O, такие как 446, 456, 546, 448, 447, а изотопологи 558, 556, 548 отсутствуют. В данной базе коэффициент уширения затабулирована, а коэффициента сдвига нет совсем.
В области высоких частот спектры N2O исследованы слабо, особенно это относится к редким изотопологам, а также к параметрам контура (коэффициентам уширения и сдвига линий давлением) спектральных линий.
Цель работы - исследовать спектры поглощения изотопологов N2O в области 40006000 см-1.
В данной работе проведены исследования колебательно-вращательных спектров изотопических молекул N2O, зарегистрированных на Фурье-спектрометре в области 40006000 см-1. С помощью программ WxSpe и Origin были обработаны зарегистрированные полосы молекулы N2O.
1. С помощью комбинационных разностей проанализировано 9 полос и
определено их изотопическая принадлежность: vo~473O см-1 - 14N14N16O, v0~4417 см-1 - 14хт14хт16^ /-»,«-1 15хт14хт16^ /-»,,-1 14хт15хт16/"
N N O, Vo~4oZo см — N N O, Vo~4o/o см — N N O . данные полосы присутствуют в базе данных ХИТРАН; v0~4541 см-1 — 15N15N18O, v0~4934 см-1 — 15хт15хт16^ >> л Q[Q ,-.,<-1 15хт15хт18^ >■ Л Q С /-.^<-1 15хт14хт18^ >■ Л Л СЛ /-.^<-1 15хт15хт18гл.
N N O, VQ~4OUO см — N N O, Vo~4o5o см — N N O, VQ~4454 см — N N O:
данные полосы отсутствуют в базе данных, последние две обнаружены впервые.
2. Была определена концентрация каждого изотопа в смеси с помощью отношения интенсивностей из эксперимента к интенсивностям из базы данных HITRAN: 446 — 0,0243(1), 456 — 0,0045(3), 546 — 0,0029(2), 448 — 0,0019(2), 558 — 0,0122(2), 556 — 0,0117(2), 548 — 0,0027(2). В скобках обозначена погрешность для последнего знака.
3. Измерены коэффициенты уширения для каждого изотополога, с увеличением вращательной постоянной, коэффициент уширения уменьшается. Экспериментальные данные совпадают с данными из HITRAN с погрешностью в пределах 1,4%, что говорит, о том, что эксперимент был проведен довольно точно. Средний коэффициент уширения равен 0,079 см-1/атм для всех изотопологов.
4. Определены коэффициенты сдвига спектральных линий, данная величина составила 0,005 см-1/атм для всех изотопологов, никаких явных зависимостей от вращательного квантового числа не было обнаружено. Так как данных по сдвигу линий нет в HITRAN, полученные данные были сравнены с данными TOTH, данные отличаются на 34,1%.
1. С помощью комбинационных разностей проанализировано 9 полос и
определено их изотопическая принадлежность: vo~473O см-1 - 14N14N16O, v0~4417 см-1 - 14хт14хт16^ /-»,«-1 15хт14хт16^ /-»,,-1 14хт15хт16/"
N N O, Vo~4oZo см — N N O, Vo~4o/o см — N N O . данные полосы присутствуют в базе данных ХИТРАН; v0~4541 см-1 — 15N15N18O, v0~4934 см-1 — 15хт15хт16^ >> л Q[Q ,-.,<-1 15хт15хт18^ >■ Л Q С /-.^<-1 15хт14хт18^ >■ Л Л СЛ /-.^<-1 15хт15хт18гл.
N N O, VQ~4OUO см — N N O, Vo~4o5o см — N N O, VQ~4454 см — N N O:
данные полосы отсутствуют в базе данных, последние две обнаружены впервые.
2. Была определена концентрация каждого изотопа в смеси с помощью отношения интенсивностей из эксперимента к интенсивностям из базы данных HITRAN: 446 — 0,0243(1), 456 — 0,0045(3), 546 — 0,0029(2), 448 — 0,0019(2), 558 — 0,0122(2), 556 — 0,0117(2), 548 — 0,0027(2). В скобках обозначена погрешность для последнего знака.
3. Измерены коэффициенты уширения для каждого изотополога, с увеличением вращательной постоянной, коэффициент уширения уменьшается. Экспериментальные данные совпадают с данными из HITRAN с погрешностью в пределах 1,4%, что говорит, о том, что эксперимент был проведен довольно точно. Средний коэффициент уширения равен 0,079 см-1/атм для всех изотопологов.
4. Определены коэффициенты сдвига спектральных линий, данная величина составила 0,005 см-1/атм для всех изотопологов, никаких явных зависимостей от вращательного квантового числа не было обнаружено. Так как данных по сдвигу линий нет в HITRAN, полученные данные были сравнены с данными TOTH, данные отличаются на 34,1%.
