ИМИТАТОР ПРОЦЕССА УПРУГОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ

Полезная модель относится к системам управления и может быть использована в молекулярной физике и физической химии для исследования характеристик, а также структурных свойств химического соединения.
В результате проведения патентного поиска аналогов обнаружено не было.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание системы, позволяющей получить наглядное изображение процесса упругой электронной поляризации молекулы воды.
i
i
0
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что вода рассматривается в качестве совокупности взаимодействующих заряженных частиц, процесс электрической деформации каждой из которых, происходящий под действием переменного электрического поля малой амплитуды, описывается уравнениями вынужденных гармонических колебаний с трением, которые с точки зрения кибернетики могут быть представлены в виде некоторой замкнутой линейной системы управления с явно выраженной отрицательной обратной связью. При этом выход блока генерирования входного сигнала соединен с первым входом первого блока суммирования и входом первого осциллографа, выход первого блока суммирования подключен ко входу второго осциллографа и входам каждого из пяти параллельно соединенных блоков формирователей передаточных характеристик, выходы которых соединены со входами соответствующих блоков усилителей с коэффициентами N где (i=), причем выход каждого блока усилителя с коэффициентом N соединен со входом второго блока суммирования, выход второго блока суммирования подключен ко входам двух параллельно соединенных блоков усилителей с коэффициентами  и , где ε - электрическая постоянная, выходы которых соединены со входами третьего блока суммирования, а выход третьего блока суммирования подключен ко второму входу первого блока суммирования.
0
i
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. представлена блок-схема имитатора процесса упругой электронной поляризации молекулы воды, в которую входят: 1 - блок генерирования входного сигнала Е, соответствующего напряженности внешнего поля; 2 - первый осциллограф; 3 - первый блок суммирования; 4 - второй осциллограф; 5-9 - блоки формирователей передаточных характеристик; 10-14 - блоки усилителей с коэффициентами N(i=), эквивалентными концентрациям частиц; 15 - второй блок суммирования; 16 - блок усилителя с коэффициентом ; 17 - блок усилителя с коэффициентом ; 18 - третий блок суммирования; Е - сигнал на выходе системы, соответствующий напряженности эффективного поля.
Принимая во внимание, что общее число электронных пар, имеющихся у молекулы воды, равно пяти, соответствующая динамика процесса упругой электронной поляризации описывается уравнениями:
k
где µ(t) - наведенные дипольные моменты соответствующих частиц;
0k
k
ω и b - частоты собственных колебаний и коэффициенты их затухания;
e
е и m - заряд и масса электрона;
0
E(t) и E(t) - функции напряженности внешнего и эффективного полей;
0
ε - электрическая постоянная;
k
N - концентрации одинаковых частиц.
При этом формулы коэффициентов затухания и собственных частот разбираемых колебаний, а также радиальных значений электронных орбит имеют вид:
эф
где Z - эффективный заряд ядра, действующий на электроны оптической оболочки ионов;
0
µ - магнитная постоянная;
k
r - сферический радиус орбитали;
0
r - первый Боровский радиус;
n - главное квантовое число электронной оболочки;
ħ - постоянная Планка.
эф k
Необходимо отметить, что величины Z могут рассчитываться на основании методики (3), предложенной Слейтором, согласно которой:
- вклад электронов, внешних по отношению к группе Х (предполагается, что рассматриваемая орбиталь принадлежит некоторой группе X), равен 0;
1
- вклад электронов из группы X равен 0,30, если это s-электроны, и 0,35 в остальных случаях;
k
k
- если рассматриваемые электроны находятся на s- или p-орбиталях группы X, то вклад каждого из электронов, расположенных на внутренних орбиталях с главным квантовым числом n-1, равен 0,85, а вклады электронов, находящихся на орбиталях с главным квантовым числом n-2, n-3, … равны 1,00;
k
k
- если рассматриваются электроны, расположенные на d- или f-орбиталях группы X, то вклад каждого из электронов для групп, предшествующих рассматриваемой равны 1,00.
р
где σ - значения экранирующих вкладов для 3р-электронов.
эф
р
2
-2
Однако, при моделировании графика оптического показателя преломления воды, полученного на базе уравнений (1-3), было обнаружено несоответствие данных физических измерений и расчетного спектра, поэтому авторами было предложено значение Z, объективно характеризующее эффективный заряд атомного остатка, действующий на каждый из электронов иона О, определять по модифицированной методике Слэйтора, в которой значения σ в трех последних случаях заменяются на истинные экранирующие вклады оптических электронов аниона кислорода, входящего в состав HO, полученные методом сканирования интегральной ошибки между моделируемым и контрольным спектром воды:
Система управления функционирует следующим образом.
i
0
Сигнал с выхода блока генерирования входного сигнала 1 поступает на первый вход первого блока суммирования 3, а также на вход первого осциллографа 2, где отображается наглядно. Сигнал Е с выхода первого блока суммирования поступает на вход каждого из пяти параллельно соединенных блоков формирователей передаточных характеристик 5-9 и на вход осциллографа 4, предназначенного для графического отображения динамики изменения выходной переменной. Сигнал с выхода каждого из блоков 5-9 при прохождении через соответствующие блоки усилителей 10-14 с коэффициентом N поступает на вход второго блока суммирования 15, выходной сигнал с которого через соединенные параллельно блок усилителя 16 с коэффициентом  и блок усилителя 17 с коэффициентом  идет на вход третьего блока суммирования 18. Сигнал с выхода третьего блока суммирования 18 поступает на второй вход первого блока суммирования 3, где складывается с сигналом Е. Необходимо отметить, что коэффициент  из второго уравнения системы (1) был представлен в виде суммы  и  для выделения вкладов деполяризующего и усиливающего полей.
Технический результат использования полезной модели заключается в получении системы для наглядного представления процесса упругой электронной поляризации молекулы воды с выделением каждого из вкладов поляризованности образца, представленной суммой произведений поляризуемостей частиц на их концентрации, в механизме формирования напряженности эффективного поля. Это может применяться, например, при изучении характеристик (как временных, так и частотных), а также структурных свойств химического соединения. Кроме того, определение значений эффективных зарядов атомных остатков, необходимых для расчета частот собственных колебаний в блоках формирователей передаточных характеристик, производилось по модифицированной методике Слэйтора, что позволяет моделировать характеристики воды, качественно соответствующие физически измеряемым аналогам.
Данное устройство может быть реализовано промышленным способом на основе стандартной элементной базы.