蒸汽冷凝過程團(tuán)簇紅外光譜分析及高斯模擬.pdf

1、蒸汽冷凝過程廣泛存在于自然、日常生活、工業(yè)生產(chǎn)等方面，作為凝結(jié)過程的第一步，對(duì)冷凝成核的研究將加深對(duì)該過程的認(rèn)識(shí)，并有助于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展與革新。然而受到傳統(tǒng)觀測(cè)手段最小成像極限的限制，已有工作對(duì)于冷凝成核過程實(shí)驗(yàn)研究尚不充分，特別是成核前蒸汽分子運(yùn)動(dòng)和演化特性規(guī)律的直接研究鮮有報(bào)道。本文基于紅外光譜對(duì)由于團(tuán)簇產(chǎn)生的氫鍵鍵鏈效應(yīng)的響應(yīng)，搭建了蒸汽分子原位紅外光譜測(cè)試平臺(tái)，觀測(cè)了冷凝核化初期水分子團(tuán)簇紅外光譜的響應(yīng)特性，并利用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和

2、高斯密度泛函方法分析了紅外光譜的紅移特性與團(tuán)簇分子數(shù)目的量化規(guī)律。
　　溫度會(huì)影響分子團(tuán)簇的動(dòng)能進(jìn)而影響羥基振動(dòng)能，羥基伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度較大并且波數(shù)范圍寬。在本實(shí)驗(yàn)條件下，隨著過冷度的增加，羥基伸縮振動(dòng)峰的強(qiáng)度增加但是并沒有出現(xiàn)紅移的現(xiàn)象表明在一定的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)溫度對(duì)紅移現(xiàn)象的影響可以忽略。在此基礎(chǔ)上，通過改變不同紅外本底光譜觀察到羥基自由振動(dòng)峰的紅移現(xiàn)象，證明了本實(shí)驗(yàn)中羥基自由振動(dòng)峰紅移是團(tuán)簇形成的最明顯的響應(yīng)標(biāo)記。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文

3、獻(xiàn)紅移數(shù)據(jù)的分析可以得出團(tuán)簇水分子數(shù)目增加了幾十個(gè)。
　　通過高斯模擬方法得到了n=1～10以及n=24的水分子團(tuán)簇的振動(dòng)頻率，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明隨著水分子數(shù)目的增加羥基振動(dòng)峰發(fā)生了紅移現(xiàn)象。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在分子數(shù)目較少時(shí)，團(tuán)簇結(jié)構(gòu)對(duì)氫鍵鍵鏈效應(yīng)影響較大，羥基自由振動(dòng)峰位置呈現(xiàn)不規(guī)則分布，而隨著分子數(shù)目的繼續(xù)增加，團(tuán)簇結(jié)構(gòu)趨于球形，氫鍵鍵鏈效應(yīng)對(duì)于羥基自由振動(dòng)峰的位置影響開始體現(xiàn)，隨著分子數(shù)目的增加，羥基自由振動(dòng)峰發(fā)生

4、紅移。
　　本文根據(jù)乙醇分子同樣具有氫鍵鍵鏈效應(yīng)特性的狀況進(jìn)行了紅外響應(yīng)特性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在0K-5K過冷度的范圍內(nèi)，乙醇分子在不同過冷度下的羥基振動(dòng)峰在強(qiáng)度上存在一定差別，這主要是由于紅外實(shí)驗(yàn)過程中乙醇分子所處的溫度不同造成的。通過紅外譜圖分析發(fā)現(xiàn)，羥基的自由振動(dòng)峰并沒有出現(xiàn)紅移的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)橐掖挤肿又g的氫鍵鍵鏈效應(yīng)中的長(zhǎng)程作用較水分子小，同時(shí)乙醇的空間位阻會(huì)影響其長(zhǎng)程作用導(dǎo)致氫鍵的產(chǎn)生對(duì)羥基振動(dòng)能影響較小，紅移現(xiàn)象沒有