Научная статья на тему 'Эллиптические колебания протонов молекул воды'

Эллиптические колебания протонов молекул воды Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
79
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
ScienceRise
Область наук
Ключевые слова
МОЛЕКУЛА ВОДЫ / WATER MOLECULE / НЕОДНОРОДНОЕ ПОЛЕ СИЛ / NON-UNIFORM FIELD OF FORCES / ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ / ДВУХЧАСТОТНЫЙ МА-ЯТНИК / DUAL-FREQUENCY PENDULUM / ELLIPTICALOSCILLATIONS

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Малафаев Н. Т.

Проведен анализ эллиптических колебаний протонов молекул воды с помощью модели двухчастотного маятника. Определена колебательная мода, для которой средние углы отклонения маятника согласуются с углами изгибов водородных связей в воде. Доказана возможность появления в жидкой воде эллиптических и эллипсоподобных вращений протонов молекул вокруг осей связей в неоднородном по углу поле сил межмолекулярного взаимодействия

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The elliptical oscillations of the protons of water molecules

The analysis of elliptical oscillations of the protons of water molecules by means of a dualfrequency pendulum model is carried out. The vibrational mode is determined, for which the average angles of pendulum deviation are consistent with the corners of bends of hydrogen bonds in water. The possibility of occurrence of elliptical and ellipse-like rotation of protons in the liquid water around the axis of molecules bonds in a non-uniform in the angle field of intermolecular forces is proved

Текст научной работы на тему «Эллиптические колебания протонов молекул воды»

УДК 539.194: 544.273

Б01: 10.15587/2313-8416.2017.89712

ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ ПРОТОНОВ МОЛЕКУЛ ВОДЫ © Н. Т. Малафаев

Проведен анализ эллиптических колебаний протонов молекул воды с помощью модели двухчастотного маятника. Определена колебательная мода, для которой средние углы отклонения маятника согласуются с углами изгибов водородных связей в воде. Доказана возможность появления в жидкой воде эллиптических и эллипсоподобных вращений протонов молекул вокруг осей связей в неоднородном по углу поле сил межмолекулярного взаимодействия

Ключевые слова: молекула воды, неоднородное поле сил, эллиптические колебания, двухчастотный маятник

1. Введение

Физические свойства вещества зависят как от взаимодействий между его атомами и молекулами, так и от спектров колебаний этих атомов и молекул, от числа колебательных мод в них. Свойства жидкой воды, подвижность ее молекул широко изучаются экспериментально, а также с помощью компьютерного моделирования методом молекулярной динамики [1-6]. Хотя результаты компьютерного моделирования статистически хорошо согласуются со свойствами воды, многие вопросы физики воды еще требуют изучения. В частности, типам колебательных мод молекул воды и их роли не уделено должного внимания.

Вопросы влияния колебательных спектров атомов и молекул на свойства веществ подробно рассматриваются в рамках теории эффекта Яна - Телле-ра (ЭЯТ) [7]. В работе [8] предложено применить теорию ЭЯТ к колебательным спектрам в воде. В ней показано основополагающее влияние на свойства воды появление в жидкой фазе новых коллективизированных вращательных колебаний молекул воды. Моделирование вращательных колебаний молекул воды проводилось с помощью модели двухчастотно-го маятника [9, 10], однако еще многие вопросы этих колебаний молекул воды требуют своего решения.

2. Литературный обзор

Хотя колебательные спектры в воде изучаются достаточно давно [2-4], однако вследствие отсутствия информации об их модах и сложности ее получения, эта проблема остается острой как для молекул воды, так и для описания траекторий колебаний ядер их атомов водорода (далее - протонов). В работе [8] в рамках теории ЭЯТ рассматривались возможные моды колебаний молекул воды в жидкой фазе и результаты их влияния на свойства воды. Было показано, что данные новые коллективизированные моды ко-

лебаний молекул в жидкой фазе относятся к классу либрационных мод и являются вращательными колебаниями молекул воды («заторможенными вращениями» [2]).

Вследствие несимметричности молекулы воды имеют 3 главных момента инерции вдоль осей х, у, 2 молекулы [2] и, соответственно, 3 частоты собственных вращательных колебаний. Данные частоты вращательных колебаний молекул в жидкой воде являются связанными при вращательных колебаниях законом сохранения момента импульса [8]. Траектории движения протонов молекулы, имеющих наибольшие скорости вращения, могут быть как независимыми двухчастотными, так и вращательными на общей частоте [9].

В работе [8] рассмотрено малые вращательные колебания молекул воды как многомерные колебания. Анализ показал, что вращательные колебания молекул воды не могут быть одновременно для всех трех осей вращения, а только для двух осей вращения на двух частотах, при этом, всегда присутствует самая низшая частота вращения - вокруг оси х молекулы. Для анализа двухчастотных колебаний маятника вводился параметр к, равный отношению моментов инерции молекулы для данных вращательных колебаний к=1х /I. Для воды характерны величины этого параметра, равные к= 1,5 и к=3 [9].

При двумерных вращательных колебаниях молекул воды ее протоны совершают вращения вокруг осей водородных связей (Н - связей) с соседними молекулами в плоскостях, перпендикулярных к этим осям или колебания около оси. Вращения протонов около осей Н - связей сопровождается изгибами связей в воде на некоторый средний угол в, который является динамическим. Он обусловлен действием на протоны молекул воды импульсов и моментов импульсов, обусловленных тепловым движением моле-

кул, сил инерции при их вращении вокруг осей связей и законом сохранения момента импульса.

Для моделирования направленных валентных сил между молекулами предложено их описание с помощью неоднородного поля сил (НПС) [9] вида G=g■cosnв, где угол отклонения маятника от положения равновесия в равен углу изгиба Н - связей между молекулами. Важной особенностью колебаний в НПС является быстрый рост периода колебаний с ростом угла в (угла изгиба Н - связи между молекулами в) [9-11] и показателя (степени) НПС п (по оценкам для воды [9] п~8), что хорошо согласуется с изменениями либрационных частот и углов изгиба Н - связей в воде с нагревом [2-4, 12].

В работах [9, 10] проведено моделирование вращательных колебаний молекул воды с помощью модели двухчастотного сферического маятника в НПС. При малых начальных скоростях протоны совершают двух-частотные независимые колебания по двум взаимно перпендикулярным осям. С ростом скоростей и углов отклонения маятника по оси У частоты колебаний в НПС сближаются и начинаются вращения маятника вокруг его оси (и, аналогично, протонов молекул воды вокруг осей Н - связей), что приводит к сильной эллиптичности (вытянутости) орбит. При полном совпадении периодов колебаний по осям Тх и Ту будут наблюдаться чисто эллиптические траектории. При небольшом различии периодов колебаний по осям появляется прецессия больших осей эллипсов. Причем, в отличие от од-ночастотного сферического маятника (=1), вращения происходят не в пределах круга [11], а в некоторой эллиптической области с длинной осью вдоль оси У модели, с наименьшими моментом инерции маятника и начальным периодом колебаний Туо [9]. Эти общие пре-цессирующие эллипсоподобные колебания продолжаются с ростом начальной скорости маятника вплоть до выхода маятника из его потенциальной ямы - из нижней полусферы.

В работах [9, 10] есть неточности, в частности, частоты вращательных двухчастотных колебаний соотносятся между собой как к0'25, а не как к0,5. Это сближает эти частоты и уменьшает средние величины углов отклонения маятника в [9], которые были завышенными сравнительно с экспериментом для величин углов изгибов Н - связей в воде [12]. Поэтому уточнение расчетов может дать более реальную картину о колебаниях молекул воды в жидкой фазе и о возможности вращений протонов молекул вокруг осей их Н - связей.

3. Цель и задачи исследования

Цель работы - рассмотрение особенностей вращательных колебаний молекул воды путем моделирования их эллиптических колебаний с помощью модели двухчастотного сферического маятника.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Определение и уточнение параметров эллиптических орбит маятника в зависимости от неоднородности поля сил и различия частот маятника.

2. Определение возможности эллиптических колебаний молекул воды и вращений протонов ее молекул вокруг собственных осей Н - связей.

4. Моделирование колебаний двухчастотного маятника

Модель колебаний двухчастотного сферического маятника в НПС подробно рассмотрена в [9]. Она представляет две массы, закрепленные на двух стержнях длиной I под углом &о. Ось X маятника соответствует оси х молекулы воды [2], а ось У маятника - оси у молекулы для отношения моментов инерции к=3 либо оси г молекулы для к= 1,5. Отклонения маятника рассматриваются через угол в отклонения маятника от вертикальной оси 2 либо относительные начальные смещения по оси х: дХ0=х0/1 и оси у: ду=у/1 (где 1=1 м, 2ш=1 кг). При некоторых заданных начальных скоростях ууо при начальных смещениях дХ0 маятник совершает чисто эллиптические колебания. При этом траектория движения маятника относительно его оси 2 согласуется с траекторией вращательных колебаний протонов молекулы воды относительно оси Н - связи.

Локальное моделирование вращательных колебаний молекулы воды было проведено в пакете ЫаЛаЬ с помощью модели двухчастотного сферического маятника в неоднородном поле сил вида G=g■cosnв (£=10 м/с2). Это поле сил остается неизменным для всего процесса моделирования колебаний.

Определение параметров траекторий маятника проводилось для отношений моментов инерции, характерных для молекулы воды к=1,5 и 3, а также промежуточных к=1; 1,2 и 2, и для показателей НПС п=0 (однородное поле сил) и п=8. При анализе результатов использовались и другие значения показателей НПС в интервале п=0...8. Эллипсоподобные колебания маятника [9, 10] достаточно сложны для рассмотрения, а потому для анализа были выбраны эллиптические траектории, как повторяющиеся, наиболее наглядные и простые траектории движения двухчастотного сферического маятника и пересекающие всю область существования его эллипсоподоб-ных колебаний [9].

На рис. 1 показаны эллиптические орбиты двухчастотного маятника в НПС с п=8 и к=3 для начальных смещений по оси X с шагом 0,05. На рис. 1,а показаны ХУ - проекции эллиптических орбит, а на рис. 1,б - их объемный вид. Проекции орбит симметричны, для компактности показана их половина (У>0).

На рис. 2 показаны ХУ - проекции эллиптических орбит для отношения моментов инерции к=1,5 и показателей п=0 и 8 для различных начальных смещений дХ0. Видим пересечение орбит при малых начальных смещениях дХ0 по оси У для п=0 и уменьшение величины больших полуосей эллипсов и эллиптичности траекторий с ростом величины показателя НПС п. Для больших величин смещений дХ0 эллиптические колебания становятся невозможными.

а б

Рис. 1. Вид эллиптических орбит двухчастотного сферического маятника для к=3 и п=8: а - в проекциях координат ХУ; б - объемный вид - ХУ2

а б

Рис. 2. ХУ - проекции эллиптических орбит двухчастотного маятника для отношений к=1,5 и начальных смещений 8хо: а - для п=0; б - п=8

Эллиптические колебания можно также рассматривать как переход конических колебаний од-ночастотного маятника с к=1 при его превращении в двухчастотный маятник при росте отношения моментов инерции к. На рис. 3 показаны рассчитанные зависимости относительных величин больших полуосей эллипса ду для отношений моментов к=1,2; 1,5; 2 и 3 и показателей НПС п=0 и 8 от величины начальных смещений дхо по оси X (минимум дхо при моделировании: ¿хо=0,001). Видим наличие минимумов для величин больших полуосей эллипсов вблизи малых начальных смещений дхо. Снизу все эти, упорядоченные по параметру к, кривые ограничены прямой для конического маятника (к=1) и стремятся к ней с ростом величины смещений дхо.

На рис.4 показаны зависимости средних углов отклонения маятника при эллиптических колебаниях для этих же отношений моментов к и показателей НПС п от величины начальных смещений дхо. Видим, что на их величину оказывает основное влияние величины больших полуосей эллипса ду (рис. 3), поскольку время пребывания маятника при наибольших отклонениях максимально [8, 9]. При этом данные углы для однородного поля сил (п=0) примерно вдвое большие, чем для поля сил с показателем НПС п=8.

На рис. 5 показаны зависимости скоростей в точках пересечения эллипса осями для отношений к=1; 1,2; 1,5; 2 и 3 и показателей НПС п=0 и 8 от величины начальных смещений по оси X. Кривая к=1 соответствует одночастотному коническому маятнику, для которого скорости на осях равны: ус=ух=уу. Видим, что для двухчастотного маятника скорости уу>ус и быстро растут с ростом отношения к, а скорости ух близки к ус, но для однородного поля сил Ух>Ус (п=0) (рис. 5, а) и ух<ус для НПС с п=8 (рис. 5, б). Рост отношения к для НПС с п=8 ведет к смещению минимумов скорости для углов отклонения в сторону роста смещений дх,, а максимумов - наоборот.

Для анализа влияния параметров к и п на величину средних углов отклонения эллипса рассмотрим их зависимости вблизи минимумов этих углов (рис. 4). Такие величины смещений дхо можно считать характерными для вращательных колебаний молекул воды (для смещений дхо>0,2 углы отклонений в>15°, что больше, чем у воды [12], для п=8 и к=1,5 - рис. 4, б).

На рис. 6 показаны зависимости величин средних углов отклонения эллипса от величины отношений моментов инерции маятника к для начальных смещений с>хо=0,15. Аналогичный вид от данных параметров имеют также зависимости для скоростей ууо и больших полуосей маятника. Это говорит об их связанности и приблизительной пропорциональности.

8y

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Размер полуоси по оси У

0 0,2 0,4 0,6 0,8 Sx

Sy 0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

Размер полуоси по оси У

0 0,2

0,4 б

0,6 ¿>xc

Рис. 3. Зависимости величин больших полуосей эллипсов ду от начальных смещений дХ0 для отношений моментов к=1; 1,2; 1,5; 2 и 3 и для показателей НПС: а - для п=0; б - для п=8

Средний угол отклонения, градусы

70 60 50 40 30 20 10 0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 8х.

Средний угол отклонения, градусы

40 35 30 25 20 15 10 5 0

k= 3 — k= 2

— k= 1,5

— k= 1,2 -k= 1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 8х„

а б

Рис. 4. Зависимости средних углов отклонения маятника от смещений дХ0 для отношений к=1; 1,2; 1,5; 2 и 3 и

показателей НПС: а - для п=0; б - для п=8

v, м/с 6

5 -

Скорости в точках на осях

4 -

3

0 0,2 0,4 0,(

Voy k= 3 Voy k= 2 Voy k= 1,5 Voy k= 1,2 k=1

Vx k= 1,2 Vx k= 1,5 Vx k= 2 Vx k= 3

—I-

0,8 Sx,

v, м/с

1,8

1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

Скорости в точках на осях

Voy k= 3 Voy k= 2 Voy k= 1,5 —•—Voy k= 1,2

----k=1

—о—Vx k= 1,2 —♦—Vx k= 1,5 —4—Vx k= 2 о Vx k= 3

0 0,2 0,4 0,6

а б

Рис. 5. Зависимости скоростей в точках на осях эллипсов для отношений к=1...3 от начальных смещений дХ0 и

показателей НПС: а - для п=0, б - для п=8

а

2

0

Средний угол отклонения, градусы

40 35 30 25 20 15 10 5

1,5

2,5

Рис. 6. Зависимости средних углов отклонения для эллипсов при начальных смещениях 3хо=0,15 от отношений к для показателей НПС п=0; 1.. .8

5. Результаты исследования и их обсуждения

Плоские ХУ - проекции эллиптических орбит, безусловно, являются упрощением реальных объемных траекторий маятника (рис. 1, б). Однако это позволяет сделать более простыми и наглядными траектории движения, тем более что для малых отклонений, смещения вдоль оси 2 пренебрежимо малы. С ростом отношения моментов инерции к растут величины больших полуосей эллипса 3У (рис. 2, 3). Проекции траекторий для отношения моментов инерции к=3 имеют почти вдвое большие величины полуосей эллипса 3У, чем для отношения к=1,5. Это приводит и к вдвое большим средним углам отклонения маятника (рис. 4). В однородном поле сил (п=0) углы отклонения маятника также примерно вдвое большие, чем в НПС с п=8. Однако если в НПС с п=8 углы отклонения маятника близки к углам изгибов Н - связей в воде [12], то в однородном поле сил они велики для молекул воды даже для к=1,5.

Уменьшение величин больших полуосей эллиптических орбит, величин средних углов отклонений и скоростей в НПС обусловлены сужением потенциальной ямы маятника по углу и уменьшением ее глубины с ростом величины показателя НПС п [11]. Уменьшение максимальных скоростей по осям с ростом показателя НПС с п=0 до п=8 для начальных скоростей ууо видно на рис. 5. Максимумы для скоростей вблизи отклонений ¿=0,5 для п=8 (рис. 5, б) обусловлены наличием максимальной скорости с ростом отклонений 3 в НПС для больших величин показателя НПС п [11]. Для больших величин отклонений 3 колебания становятся неустойчивыми к малейшим возмущениям.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для скоростей на осях эллипса ух и ууо видим, что они группируются относительно скорости конического маятника ус по разные стороны. Скорости уу всегда больше чем коническая, а скорости ух близки к ней. Близость скорости ух к конической можно объяснить тем, что при движении вдоль оси У имеется реальный потенциальный барьер по высоте (по оси 2 - рис. 1, б), а вдоль оси X он отсутствует, если скорость по оси У будет достаточной для преодоления этого барьера. Видимо поэтому скорость ух мало отличается от конической ус. Уменьшение скоростей ух относительно ус в НПС п=8 связано с уменьшением сил при больших отклонениях 3У (из-за роста к). При начальных скоро-

стях ууо меньших, чем для эллипсов, частоты колебаний по осям станут различными и будут наблюдаться независимые колебания по осям на двух частотах [9]. Это подчеркивает важность равенства частот по осям для появления эллиптических и эллипсоподобных колебаний.

Увеличение начальной скорости ууо относительно скорости конического маятника ус (рис. 5) ведет к более быстрым колебаниям и уменьшению их периодов с ростом отношений моментов к и смещений 3хо. Видимо это ведет за счет большой кинетической энергии по оси X вначале, с ростом величины смещений 3хо, к уменьшению величины больших полуосей эллипсов.

Полученные средние углы отклонения маятника в меньшие, чем было в [9] и согласуются с экспериментальными углами изгиба Н - связей в воде [12]. Поскольку в воде средние углы изгиба Н - связей при комнатной температуре составляют около 15° [12], то согласно рис. 4, можно говорить о возбуждении эллиптических колебаний в жидкой воде для отношения моментов инерции молекулы к=1,5 (углы отклонения 11.13° для 3х<0,1) и такой возможности для отношения к=3 (угол отклонения около 18° для 3х<0,1). Поскольку эллиптические колебания для малых смещений появляются на нижней границе появления эллип-соподобных колебаний [9], то можно считать доказанным, что для отношения моментов инерции молекулы к=1,5 протоны молекулы начинают совершать вращения вокруг своих осей Н - связей.

Хотя при одинаковой вероятности возбуждения обоих колебаний получим средний угол изгиба Н - связей (12+18)/2=15°, который хорошо согласуется с [12], нам надо учесть вероятность этого, исходя из величины средней тепловой энергии молекулы, большую часть которой составляет кинетическая энергия вращения [8]. На рисунке 7 приведены величины кинетической энергии в точках пересечения эллипса с осями, рассчитанные для оптимального для воды показателя НПС п=8 [9] по скоростям на рис. 5, б.

Вдоль оси У, с меньшим моментом инерции, кинетическая энергия маятника уменьшается в к раз (скорости рассчитывается для местоположения массы маятника (протона) без учета эффективной длины нашего физического маятника). Видим, что хотя скорости быстро растут, происходит сближение кривых для кинетической энергии вдоль оси У с ростом отношений к. Это сближение можно объяснить тем, что величина кинетической энергии маятника приближается к ее максимально возможному значению в потенциальной яме.

Видим (рис. 7), что для отношения к=3 кинетическая энергия примерно в 1,4 раза больше, чем для отношения к= 1,5 при малых отклонениях 3х, что соответствует, с учетом вклада трансляционных колебаний в полную энергию колебаний, более высокой температуре (273К1,25=340 К). Поэтому возбуждение эллиптических колебаний для отношения моментов инерции к=3 в воде при комнатной температуре, скорее всего, возможно лишь частично и для малых величин смещений 3хо (3хо<0,1, рис. 4). При более высоких температурах вследствие хаотического влияния

0

k

1

2

3

импульсов от соседних молекул, близости углов изгиба Н - связей к максимально возможным, а кинетической энергии - к максимальной в потенциальной яме, для отношения моментов инерции молекулы к=3 существование устойчивых эллиптических орбит становится маловероятным.

Е Дж Кинетическая энергия на осях эллипса 0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

k = 1 k = 1,2 k = 1,5 k = 2 k = 3 Ex

0,2

0,4

0,6

Рис. 7. Величины кинетической энергии в точках на осях эллипсов для показателя НПС п=8 и отношений моментов инерции к=1; 1,2; 1,5; 2 и 3

Главной причиною наличия вращений протонов является необходимость совпадения частот по обеим осям колебания, что достигается лишь в НПС с большой величиною показателя НПС п. В однородном поле сил это возможно лишь при больших величинах углов изгиба Н - связей, что приведет к ослаблению и разрыву Н - связей молекул в воде. Таким образом, результаты расчетов говорят о реальной возможности возбуждения в жидкой воде с показателем НПС п=8 эллиптических и эллипсоподобных вращений протонов молекул воды вокруг собственных осей Н - связей.

Условие для углов изгиба Н - связей при комнатной температуре (до 15°) для отклонений ¿хо=0,15 (вхо=8,6°) выполняется для показателей НПС п=6 и 8 (рис. 6). Поэтому интересно обсудить вопрос о возможности существования для молекул воды НПС с показателем п=6. В работе [9] обсуждалось, что показатель НПС п в воде для изгибов связей близок к степени при радиусе в потенциале взаимодействия (1/гп) для сил притяжения. Степень п=6 широко применяется в физических расчетах для потенциалов взаимодействия Ленарда - Джонса и Ван-дер-Ваальса. Возможно, что такая степень реальна и для молекул воды, потому что за счет колебаний соседних молекул суммарные средние углы изгибов Н - связей будут возрастать, сравнительно с нашей моделью. Это будет уменьшать силы межмолекулярного взаимодействия и этим как бы соответствовать росту эффективной величины показателя НПС п.

Вращательные колебания молекул воды по углу в можно считать малыми, что позволяет считать результаты моделирования для углов отклонения в до 15° достаточно точными. Для относительных отклонений маятника ¿>0,2 точность расчетов для него будет понижаться. Это обусловлено предположениями о постоянстве моментов инерции маятника при больших углах отклонения от равновесия, что по разным причинам не выполняется, а также простой моделью направленных сил, пренебрежением случайными внешними силами (влиянием соседних молекул). А потому можно говорить лишь о качественном согласии расчетов для маятника при больших углах отклонения с колебаниями молекул воды. Также надо помнить, что в воде при отклонениях ¿>0,5 могут наблюдаться разрывы Н - связей [3].

Представление НПС в виде G=g■cosnв безусловно есть упрощением взаимодействия электронных орбиталей молекул воды. Такая симметрия может соответствовать одной электронной р - орбитали, тогда как у молекулы воды имеется 3 независимые р - орбитали и множество их комбинаций, создающих, в частности, тетраэдрическую симметрию электронной оболочки молекулы воды и ее связей. Создание более сложной модели НПС - задача будущего.

Необходимо отметить, что в данной локальной модели расчета рассматриваются колебания при постоянстве всех параметров модели. Те же эллиптические орбиты получаются для скоростей заданных с точностью до третьего - четвертого знака. В реальном окружении молекулы будут испытывать постоянное, часто хаотическое, влияние соседних молекул. Вследствие этого будут меняться все силовые и геометрические параметры модели, а потому траектории движения молекул, их протонов будут заметно изменяться. Можно ожидать появления независимых двухчастотных и хаотических колебаний, а также возникновения разрывов связей. Однако можно считать, что данная модель будет являться основою, на которою накладываются случайные или коллективизированные внешние возмущения.

6. Выводы

1. Моделированием двухчастотного сферического маятника в неоднородном поле сил получены зависимости для ряда его параметров, в частности, величин больших полуосей эллипсов, обусловливающих эллиптичность траекторий его колебаний.

2. Показано, что средние углы отклонения двухчастотного маятника хорошо согласуются с углами изгиба Н - связей в воде для отношения моментов инерции молекулы к=1,5. Для отношения к=3 углы отклонения велики и данные колебания могут возбуждаться лишь частично.

3. Полученные результаты свидетельствуют о возможности возбуждения эллипсоподобных колебаний у молекул воды в жидкой фазе, а также о возможности вращений их протонов вокруг своих осей Н - связей.

Литература

1. Антонченко, В. Я. Основы физики воды [Текст] / В. Я. Антонченко, А. С. Давыдов, В. В. Ильин. - К.: Наук. Думка, 1991. - 672 с.

2. Эйзенберг, Д. Структура и свойства воды [Текст] / Д. Эйзенберг, В. Кауцман. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 280 с.

0

0

3. Маленков, Г. Г. Структура и динамика жидкой воды [Текст] / Г. Г. Маленков // Журнал структурной химии. -2006. - Т. 47. - C. 5-35.

4. Kumar, P. Molecular dynamics study of orientational cooperativity in water [Text] / Pradeep Kumar, Giancarlo Franzese, Sergey V. Buldyrev, H. Eugene Stanley // Physical Review E. - 2006. - Vol. 73, Issue 4. doi: 10.1103/physreve.73.041505

5. Voloshin, V. P. Collective motions in computer models of water. Large-scale and long-time correlations [Text] / V. P. Vo-loshin, G. G. Malenkov, Yu. I. Naberukhin // Journal of Structural Chemistry. - 2013. - Vol. 54, Issue S2. - P. 233-251. doi: 10.1134/s0022476613080052

6. Malenkov, G. G. Collective effects in molecular motions in liquids [Text] / G. G. Malenkov, Yu. I. Naberukhin, V. P. Voloshin // Russian Journal of Physical Chemistry A. - 2012. - Vol. 86, Issue 9. - P. 1378-1384. doi: 10.1134/s003602441209004x

7. Берсукер, И. Б. Эффект Яна - Теллера и вибронные взаимодействия в современной химии [Текст] / И. Б. Берсу-кер. - М.: Наука, 1987. - 344 с.

8. Малафаев, Н. Т. О взаимодействиях и динамике молекул в чистой воде [Текст] / Н. Т. Малафаев // ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий. - 2011. - T. 4, № 8 (52). - С. 48-58. - Режим доступа: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/1465/1363

9. Малафаев, Н. Т. Моделирование вращательных колебаний молекул воды [Текст] / Н. Т. Малафаев, Н. И. Погожих // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2015. - Т. 2, № 5 (74). - С. 27-35. doi: 10.15587/17294061.2015.40569

10. Малафаев, Н. Т. Силовые особенности колебаний двухчастотного сферического маятника в неоднородном поле сил [Текст] / Н. Т. Малафаев // ScienceRise. - 2016. - Т. 10, № 2 (15). - С. 68-75. doi: 10.15587/2313-8416.2015.51842

11. Малафаев, Н. Т. Вращательные колебания молекул воды как колебания сферического маятника в неоднородном поле сил [Текст] / Н. Т. Малафаев // ScienceRise. - 2016. - Т. 2, № 2 (19). - С. 62-69. doi: 10.15587/2313-8416.2016.60587

12. Sceats, M. G. The water-water pair potential near the hydrogen bonded equilibrium configuration [Text] / M. G. Sceats, S. A. Rice // The Journal of Chemical Physics. - 1980. - Vol. 72, Issue 5. - P. 3236-3247. doi: 10.1063/1.439560

Рекомендовано до публгкаци д-р техн. наук Погожих М. I.

Дата надходження рукопису 28.12.2016

Малафаев Николай Тимофеевич, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра физико-

математических и инженерно-технических дисциплин, Харьковский государственный университет питания и торговли, ул. Клочковская, 333, г. Харьков, Украина, 61051

E-mail: [email protected]

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.