Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Экспериментальные и теоретические исследования в низкочастотной области инфракрасных (ИК) спектров веществ в настоящее время остаются актуальными. Это связано с техническими трудностями проведения экспериментальных исследований в этой области ИК-спектров, с необходимостью применения прецизионного оборудования и гелиевых температур для устранения побочных шумовых эффектов при снятии ИК-спектров [1, 2].
В теоретическом плане область частот 20...250 см–1 попадает в область «бозонного» пика, природа образования и свойства этого пика до конца не выявлены [2–4]. Образование спектральных полос в низкочастотной области ИК-спектра обусловлено процессами формирования и развала кластерных систем в структуре конденсированных сред [5–8].
Экспериментальные исследования в низкочастотной области ИК-спектра выбранного класса жидкостей проводилось с помощью всеволнового вакуумного фурье-спектрометра высокого разрешения (Bruker IFS 125 HR) с лавсановым светоделителем, ртутной лампой низкого давления в качестве источника и глубокоохлаждаемым гелиевым болометром в качестве детектора.
Проведены исследования для чистых жидких аренов и их галогеносодержащих — циклических углеводородов, в основе молекулярного строения которых лежит бензольное кольцо, причем в галогенозамещенных аренах один или несколько атомов водорода замещены атомами галогенов (F, Cl, Br). Выбранный класс жидкостей для исследований имеет широкое практическое применение в химических технологиях, парфюмерной промышленности и в процессах получения органических растворителей. В теоретическом плане арены и их галогеносодержащие используются как модельные жидкости для апробации различных моделей. В частности, благодаря присутствию межмолекулярного взаимодействия (ММВ) типа галоген — водород (H…F, H…Cl, H…Br) в структуре этих жидкостях возможно формирование кластерных систем, спектроскопические свойства которых проявляются в далекой (низкочастотной) области ИК спектров. Одна из возможных моделей ММВ рассмотрена в работе [7].
Анализ результатов экспериментального исследования ИК-спектров жидких аренов и их галогенозамещенных соединений позволил сделать следующие выводы.
1. В ИК-спектрах исследованных жидкостей в области частот 20...800 см–1 обнаружены три-четыре явно выраженные спектральные полосы в области частот 20..250 см–1, 280...400 см–1, 450...500 см–1, причем первая низкочастотная полоса (20...250 см–1) обычно трактуется как «бозонный» пик в ИК-спектрах (или раман-спектрах) конденсированных сред (см. рис. 1, а).
2. Наличие бозонного пика (БП) в низкочастотной области ИК-спектра в конденсированных средах объясняется процессами формирования и распадом кластерных систем в их структуре. В жидкостях и плотных газах с хаотичным движением частиц характерно формирование малых кластеров, содержащих в своем составе до 1000 частиц, причем в условиях динамического равновесия устанавливается распределения кластеров по числу частиц, содержащихся в их составе. Распределение кластеров по численному составу можно описать двухпараметрической функцией плотности вероятностей Эрланга [9, 10]
(1)
которая позволила вычислить среднее число частиц в кластере в среде по ее плотности
(2)
Функция распределения (1) позволяет найти функцию распределения частот в ИК-спектре жидкости (см. рис. 1, б)
(3)
По ширине спектра на уровне оценивается время жизни наиболее вероятного кластера при выбранных параметрах состояния жидкости
(4)
«Бозонный» пик имеет тонкую структуру, включающую в себя серию низкоэнергетических спектральных линий, взаимное расположение которых связано с рядом чисел Фибоначчи. Математически спектральная серия в структуре бозонного пика можно описать простым соотношением [5, 9, 10]
(5)
Низкочастотная граница бозонного пика (НЧГБП) получается при числе Фибоначчи в формуле (5) и определяется выражением
(6)
где — момент инерции димера относительно главных осей для различных конфигураций димера в структуре кластера, — энтальпия образования димерной конфигурации.
В неупорядоченных конденсированных средах (плотных газах, жидкостях) с хаотичным движением частиц возможны процессы самоорганизации частиц в кластерные системы на основе эффекта Ефимова [11]. В результате обмена сформированного кластера с одиночными частицами среды, число частиц в кластере становится равным одному из чисел Фибоначчи. В этом случае кластер начинает делится согласно «золотой» пропорции, образуя цепное деление до развала на свободные, хаотично движущие частицы. На рис. 2 представлена схема распада кластера Фибоначчи с числом частиц 8, причем на каждом этапе распада излучается квант электромагнитного излучения. Этими процессами объясняется появление спектральных полос в низкочастотной области ИК-спектров органических жидкостей.
