Введение к работе
Актуальность темы определяется ограниченностью информации о поляри-зуемостях многих атомов и молекул, их дисперсии и зависимости от плотности газов в важных для оптических исследований областях. В частности, сведения о поляризуемостях атомов инертных газов в видимой и ультрафиолетовой (УФ) спектральных областях, молекулы SF6 в инфракрасной (ИК) области спектра важны в физике газовых лазеров, где эти вещества используются в качестве активных либо управляющих излучением сред. Большое внимание в современных оптических исследованиях атмосферных процессов уделяется молекулам фреонов, знание поляризуемостей которых оказывается важным для понимания физики межмолекулярных взаимодействий и количественного определения оптических характеристик среды.
Цели работы: 1) определение динамической (т.е. зависящей от частоты) поляризуемости атомов инертных газов и молекул летучих фторидов в широкой области спектра; 2) исследование влияния межмолекулярных взаимодействий на динамическую поляризуемость атомов и молекул в резонансной области.
Методы исследования: 1) анализ литературных данных о поляризуемостях и распределениях сил осцилляторов в резонансных спектрах поглощения частиц; 2) измерения ИК спектров поглощения ряда атомно-молекулярных газовых систем при различных термодинамических условиях; 3) расчеты динамических поляризуемостей атомов и молекул; 4) интерферометрические измерения колебательной поляризуемости молекулы SF6 при различной плотности газа на частотах генерации С02 лазера.
Научная новизна состоит в получении ранее неизвестных данных о поляризуемостях атомов инертных газов и молекул фреонов в широкой частотной области, о коэффициентах дисперсионного взаимодействия атомов инертных газов и молекул фреонов и о колебательной поляризуемости молекул SF6 и CF4 в области их наиболее интенсивных полос поглощения. Впервые определены коэффициенты С6 дисперсионного взаимодействия между разными парами молекул фреонов и их смесей с атомами инертных газов. Обнаружен и изучен эффект сильного самоуширения полос молекул SF6 и CF4, содержащих моду ч3, с ростом плотности газа. Показано, что данный эффект объясняется в рамках взаимодействия дипольных моментов переходов большой величиной производной дипольного момента колебания v3. В области полосы v3 экспериментально определена дисперсия колебательной поляризуемости молекул SF6 и CF4 и впервые определены дисперсии их вторых оптических вириальных коэффициентов в чистых газах, а для SF6 - и в смесях буферными Не и Ne. Показано, что в чистом газе эффект оптической вириальности определяется дальнодействующим взаимодействием индуцированных дипольных моментов, тогда как в смесях с легкими инертными газами более существенным становится преобладающее на малых расстояниях отталкивание электронных оболочек молекул.
Практическая ценность полученных результатов заключается в возможности их использования при расчетах различных оптических характеристик изученных газов, таких как показатель преломления, диэлектрическая проницаемость и сечение рассеяния в широкой спектральной области. Предложенные аппроксимации динамических поляризуемостей атомов инертных газов и молекул фреонов позволяют вычислить значения этих функций с высокой точностью в интервале частот от статического предела до областей, близких к резонансному поглощению, где проведение экспериментальных исследований затруднено. Полученные данные о втором оптическом вириальном коэффициенте SF6 разного изотопического состава и естественной изотопической смеси CF4 в области полос колебательно-вращательной моды v3 позволяют точно определять их показатель преломления и сечение поглощения при заданной плотности газа. Данные о поляризуемостях исследованных объектов открывают возможность изучения механизмов межмолекулярного взаимодействия, расчета энергии дисперсионных сил и изучения влияния взаимодействий на оптические характеристики плотных газов.
Основные положения, выносимые на зашиту:
1. Продемонстрирована возможность полуэмпирического расчета динамической поляризуемости атомов и молекул и коэффициентов дисперсионного взаимодействия, результаты которого согласуются с известными экспериментальными данными. Полученные результаты позволяют рассчитывать поляризуемость в нерезонансной области, где экспериментальные данные отсутствуют.
Обнаружен и изучен эффект влияния межмолекулярных взаимодействий на поляризуемость молекул SF6 и CF4 в области колебательных резонансов. Установлено, что в чистых газах этот эффект определяется дальнодействую-щим вкладом, описываемым механизмом диполь-индуцированный диполь, тогда как в смесях с буферными инертными газами проявляются короткодействующие эффекты перекрывания, которые становятся тем заметнее, чем меньше поляризуемости буферной частицы.
Показано, что производные по плотности оптических свойств (рефракции и сечения поглощения) чистых газов могут быть использованы для оценок параметров потенциалов межмолекулярного взаимодействия.
Апробация работы проводилась в виде докладов на научных семинарах кафедры молекулярной спектроскопии физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, на итоговом семинаре по физике ч астрономии по результатам грантов 2000 года для молодых ученых Санкт-Петербурга (ФТИ им. Иоффе, 2001 г.), а также на международных конференциях: XIII Symposium and School on High Resolution Molecular Spectroscopy (Tomsk, Russia, 1999), International School and Workshop for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics and Biophysics "SFM'99" (Saratov, Russia, 1999), Международной конференции молодых ученых и специалистов
«Оптика-99» (С.-Петербург, 1999 г.), 15th International Conference on Spectral Line Shapes (Berlin, Germany, 2000), International Radiation Symposium "IRS 2000: Current Problems in Atmospheric Radiation" (St. Petersburg, Russia, 2000 ), XVII International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Minsk, Belarus, 2001); II International Conference on Laser Optics for Young Scientists (St. Petersburg, Russia, 2003). Основные результаты диссертации опубликованы в сборниках тезисов и в семи журнальных статьях. Одна статья принята к публикации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Материал изложен на 168 страницах, включающих 39 рисунков, 18 таблиц, список обозначений и список литературы из 163 наименований.
