УДК 519.713 + 311.32 . (

Вестник СГТУ. 2011. № 4 (62). Выпуск 4
УДК 519.713 + 311.32
В.В. Еремина, Д.А. Уляхина
РЕЛАКСАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПЯТИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ
КОНГЛОМЕРАТОВ ВОДЫ. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рассматривается возможность имитационного моделирования
оптических спектров преломления и поглощения пяти молекулярных
конгломератов воды, атомные каркасы которых имеют вид объемноцентрированного тетраэдра. Проанализированы особенности частотных
характеристик
высокоэнергетического
и
низкоэнергетического
конгломератов (Н2О)5.
Высокоэнергетический
конгломерат,
низкоэнергетический
конгломерат, спектр поглощения, оптический показатель преломления.
V.V. Eremina, D.A. Ulyakhina
RELAXATION POLARIZATION OF THE FIVE MOLECULAR
CONGLOMERATES OF WATER. IMITATION MODELING
The article considers the possibility of imitation modeling of optical
spectrum of refraction and absorption of the five molecular conglomerates of
water, which nuclear skeletons look like a tetrahedron. Also the author
researched of the frequency characteristics of high-energy and low-energy
conglomerates.
High-energy conglomerate, low-energy conglomerate, the spectrum of
absorption, the optical refractive index.
Известно, что вода относится к числу наиболее сложных объектов для описания ее
диэлектрических свойств, основной причиной чего является тот факт, что в своей жидкой
фазе молекулы воды образуют высокоорганизованную структуру, время существования которой не превышает 10–9-10–12 секунд. Кроме того, аномально высокое значение диэлектрической проницаемости жидкой воды определяется именно релаксационной поляризацией, в
частотной области установления процессов которой наблюдается только одна полоса поглощения. В свою очередь, в работе [1] было доказано, что основной вклад в названные процессы вносят только пяти молекулярные конгломераты (Н2О)5. Поэтому, в настоящей работе
рассматриваются поляризационные характеристики замкнутых ассоциатов (Н2О)5 в диапазоне установления релаксационных колебаний воды.
Исследование частотных оптических спектров, характеризующих преломление или
поглощение светового излучения молекулярными конгломератами, а также их сравнение с
данными физических экспериментов, позволяет сделать вывод о влиянии структуры вещества на его поляризационные свойства. При этом оптические показатели преломления n(ω) и
поглощения χ(ω) наиболее адекватно могут быть представлены выражениями (1):
n(ω ) =
(ε
2
Re
)
2
(ω ) + ε Im
(ω ) + ε Re (ω ) / 2 ; χ (ω ) =
(ε
2
Re
)
2
(ω ) + ε Im
(ω ) − ε Re (ω ) / 2 ,
(1)
где εRe(ω) и εIm(ω)–соответственно, вещественная и мнимая частотные характеристики комплексной диэлектрической проницаемости ε(jω).
80
Новые материалы и технологии
В работе [2] были предложены две возможные конфигурации пяти молекулярных тетраэдрических конгломератов воды, каждая из которых основывается на неизменном исходном положении центральной молекулы и «контактном» положении остальных четырех молекул Н2О. При этом, учитывая тот факт, что все собственные дипольные моменты каждой
молекулы конгломерата первого типа (высокоэнергетический конгломерат) являются сонаправленными, их векторная сумма равна 5µ0, где µ0 – собственный дипольный момент молекулы H2O, равный 6,10·10–30 Кл·м. (рис. 1 а) Для конгломерата второго типа (низкоэнергетический конгломерат) характерно наличие для каждой молекулы воды, расположенной в вершинах тетраэдра, симметричной молекулы с противоположно направленным собственным
дипольным моментом. Следовательно, из-за попарной компенсации, результирующий дипольный момент конгломерата в целом будет равен µ0 (рис. 1 б).
С помощью авторского пакета прикладных программ были получены графики частотных зависимостей оптических показателей преломления и поглощения для каждого вида
конгломерата, при этом оказалось, что в случае структурирования конечного объема воды
только высокоэнергетическими пяти молекулярными конгломератами, вклад релаксационной поляризации становится более значительным, чем у обыкновенной воды, в результате
чего величина показателя преломления возрастает в несколько раз (рис. 2 а).
а
б
Рис. 1. Возможные конфигурации пяти молекулярного конгломерата:
а – высокоэнергетический; б – низкоэнергетический
а
б
Рис. 2. График оптического показателя преломления:
а – высокоэнергетического конгломерата; б – низкоэнергетического конгломерата
81
Вестник СГТУ. 2011. № 4 (62). Выпуск 4
а
б
Рис. 3. График оптического показателя поглощения:
а – высокоэнергетического конгломерата; б – низкоэнергетического конгломерата
В свою очередь, имитационное моделирование оптического спектра специфически
структурированной воды II типа, полностью состоящей из низкоэнергетических конгломератов показывает, что в данном случае вклад всех возможных в воде поляризационных процессов оказывается аналогичным значениям, наблюдаемым для обыкновенной воды (рис. 2 б).
Анализ графиков спектров поглощения позволяет сделать вывод о том, что для высокоэнергетических конгломератов имеет место ярко выраженный максимум зависимости χ(λ),
что говорит о сильном поглощении видимого света (рис. 3 а).
В заключение следует отметить, что анализ графиков имитационного моделирования
оптических спектров поглощения и преломления позволяет сделать вывод о том, что модель
низкоэнергетического пяти молекулярного конгломерата является максимально приближенной к структуре самой обыкновенной воды, в очередной раз доказывая естественное стремление любой системы к минимальному значению внутренней энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Еремина В.В. Имитационные модели релаксационной поляризации воды. II /
В.В. Еремина // Информатика и системы управления. 2008. № 3(17). С. 34-39.
2. Еремина В.В. Имитационное моделирование структуры пяти молекулярных конгломератов воды / В.В. Еремина, Д.А. Уляхина // Информатика и системы управления. 2010.
№ 4(26). С. 57-64.
Еремина Виктория Владимировна –
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Информационные и управляющие
системы» Амурского государственного университета
Уляхина Дарья Андреевна –
аспирант кафедры «Информационные и управляющие системы» Амурского государственного университета
Статья поступила в редакцию 21.08.11, принята к опубликованию 9.11.11
82