Введение к работе
Актуальность разрабатываемой проблемы
Молекулярное моделирование, сравнительно молодое научное направление в физике молекул, сформировалось в последнее десятилетие текущего века на базе вычислительной спектроскопии и квантовой механики молекул (квантовой химии). Начало было положено создателями отечественной школы молекулярной спектроскопии: М.В. Волькенштейном, М.А. Ельяшевичем, Б.И. Степановым.
Дальнейшее развитие молекулярная спектроскопия получила благодаря работам Л.А. Грибова, М.А. Ковнера, Л.М. Свердлова, в которых впервые в отечественной литературе описаны расчетные методы колебательной спектроскопии многоатомных молекул. Последними была создана и известная в научном мире саратовская школа молекулярной спектроскопии. Теоретические работы представителей этой школы: В.И. Березина, Л.М. Бабкова, М.В. Пр-'ютова внесли существенный вклад в развитие вычислительной спектроскопии, а компьютерная реализация предложенных методов позволила осуществить массовые расчеты молекулярных параметров теории колебательных и электронно-колебательных спектров в гармоническом приближении.
Бурное развитие экспериментальной техники спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения требует дальнейшего развития расчетных методов вычислительной спектроскопии, связанного с необходимостью учета ангармонических эффектов и колебательно-вращательного взаимодействия. Появившиеся здесь трудности были обусловлены ограниченностью принятого для описания молекулярных моделей математического аппарата, каковым до последнего времени являлся классический анализ.
Поскольку переход от исходного квантово-механического уравнения для молекулярной системы к его упрощенным вариантам - молекулярным моделям - связан с введением системы криволинейных координат, наилучшим образом описывающих молекулярную динамику и позволяющих в том или ином при-элижении разделить различные виды молекулярного движения, то естественным шагом является использование математического аппарата тензорной алгебры. Это позволяет без дополнительных, нередко обременительных предпо-пожений переходить к модельным молекулярным гамильтонианам, осуществить их разложения, получать расчетные формулы колебательной спектроско-іии в соответствующем приближении, осуществлять сравнение полученных в замках одного приближения, но с использованием различных систем криволи-іейньїх координат, указанных расчетных формул для рассматриваемых молекулярных параметров.
Цель диссертационной работы состоит в следующем:
Использование квантово-механических методов расчета электронной лруктуры молекул для решения прямых и обратных задач теории молекуляр-іьіх колебаний.
1 la защиту выносятся следующие результаты:
Методика получения расчетных формул для молекулярных пара метров теории колебательных и колебательно-вращательных спектров много атомных молекул с привлечением математического аппарата тензорного і функционального анализа и использованием системы естественных колеба тельных координат для описания ядерной подсистемы.
Алгоритмы решения прямой и обратной механической задачи прі использовании полной системы естественных колебательных координат, расчс та кориолисовых постоянных, постоянных центробежного искажения и дефек тов инерции в многоатомных молекулах.
Использование квантово-механических расчетов электронно! структуры многоатомных молекул для моделирования силовых полей и колеба тельных спектров галоидозамещенных фурана, пиррола и тиофена, предвычис ления параметров колебательно-вращательного взаимодействия.
Научная новизна
Используя математический аппарат тензорного анализа и систему естест венных колебательных координат для описания ядерной подсистемы много атомной молекулы с учетом кинематической, механической, электрооптиче ской ангармоничности и колебательно-вращательного взаимодействия, получе ны расчетные формулы для обертонной спектроскопии, молекулярной поляри зуемости и гиперполяризуемости. Проведено сопоставление двух подходов описании колебательной модели многоатомной молекулы, уточнено выражени для функции плотности вероятности и связанного с ней уравнения рассеяни быстрых электронов на молекуле. Осуществлена компьютерная реализация за дачи предвычисления параметров колебательно-вращательного взаимодействуй в многоатомных молекулах с привлечением результатов квантово-механи ческих расчетов геометрической и электронной структуры. Проведен анали внутримолекулярной динамики малоизученного класса соединений - замещен ных пятичленных циклических соединений (фурана, пиррола и тиофена).
Научная ценность
Исследователи в области физики, химии и биологии могут использоват полученные результаты для создания материалов с заданными свойствами, та ких как лекарственные препараты, рабочие среды для оптических генераторої присадки для топлива и другие химико-технологические продукты.
Практическая ценность
Результаты диссертации могут быть внедрены в научно исследовательских лабораториях, занимающихся исследованиями в області анализа структуры и спектров сложных молекулярных объектов. Они позволя получать структурные и энергетические параметры исследуемых соединений проводить анализ электронографических экспериментальных данных.
Степень достоверности результатов
Достоверность результатов обеспечивается соответствием применяемой математического аппарата классу решаемых задач, каковым является уравнени Шредингера для молекулярной системы, удовлетворительным совпадением по
лученных расчетных данных с тестовыми результатами. Традиционно используемые в практике спектрохимических расчетов формулы для параметров теории молекулярных колебаний, полученные в гармоническом приближении, представляют собой частный случай полученных соотношений.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены на: Всероссийской конференции по молекулярному моделированию (Москва, 998); XXIV Европейском конгрессе по молекулярной спектроскопии (Прага, 998); XIII Национальной школе-семинаре с международным участием по спек-роскопии молекул и кристаллов (Сумы, 1997); II и III межвузовских конферен-иях по спектроскопии и физике молекул и проблемам преподавания физики Маратов, 1997,1998).
Публикации
По результатам исследований опубликовано 25 научных работ.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы; содержит 147 страниц машинописного текста. Список литературы содержит 106 наименований.