分子振動(dòng)光譜學(xué)基礎(chǔ)

內(nèi)容概要

主題:分子光譜學(xué)-分子振動(dòng),振動(dòng)光譜學(xué).

作者簡(jiǎn)介

吳國禎
個(gè)人簡(jiǎn)歷
清華大學(xué)物理系教授，博士生導(dǎo)師，
臺(tái)灣清華大學(xué)化學(xué)系學(xué)士. (1970)
美國Oklahoma大學(xué)化學(xué)博士〔1976〕
美國City College,City Univ. of New York 博士后 (1980-1981)。
美國Colorado State University, 研究員 (1981-1982)。
1977年回國服務(wù)，任職中國科學(xué)院化學(xué)所，副研究員，研究員，博士生導(dǎo)師。
1995年轉(zhuǎn)任清華大學(xué)物理系。
1989年11月—1990年7月,香港浸會(huì)學(xué)院化學(xué)系,訪問教授. 講授物理化學(xué), 分子光譜學(xué).
1998-1999 清華大學(xué)高等研究中心客座研究員
1999年1月—6月, 臺(tái)灣中央大學(xué)物理系訪問教授.
2005年5-6月，香港浸會(huì)大學(xué)物理系非線性中心訪問。
教學(xué)
原子分子物理（本科生課程，春季） ，動(dòng)力學(xué)的混沌理論（研究生課程，秋季）
研究領(lǐng)域
拉曼峰強(qiáng)研究包括
(1）表面增強(qiáng)拉曼光譜學(xué)（1985－1987, 2002-2004國家基金委資助），
〔2〕極稀微摻雜分子晶體相變拉曼峰強(qiáng)的研究〔1997－1999國家基金委資助〕
目前，正在進(jìn)行的項(xiàng)目‘拉曼激發(fā)弛豫過程中，分子中電荷分布隨時(shí)間變化的行為’（國家基金委資助2008--2010）， 以及 分子高激發(fā)振動(dòng)態(tài)的混沌性質(zhì)
拉曼方法是研究分子結(jié)構(gòu)的有效手段。 拉曼譜峰的頻率反映分子中化學(xué)鍵的強(qiáng)度, 而拉曼峰強(qiáng)則隱含著分子中電子與核的運(yùn)動(dòng)相互作用的諸多信息.目前拉曼譜學(xué)界仍鮮有重視從拉曼峰強(qiáng)入手來研究分子結(jié)構(gòu)信息的。表面增強(qiáng)拉曼譜是分子吸附在金，銀和一些過渡金屬粗糙表面(包括電極,膠體表面, 它們的本質(zhì)是納米顆粒) 后拉曼峰強(qiáng)極度增強(qiáng)的現(xiàn)象，因此它是良好的從拉曼峰強(qiáng)角度研究的對(duì)象。我們創(chuàng)立了一個(gè)從拉曼峰強(qiáng)求取分子的鍵極化率的方法(The molecular polarizabilities and their implications as interpreted from the surface enhanced Raman intensities:a case study of piperidine\\\' J.Chem.Phys. 87 7300(1987))，從而得到一系列分子中有關(guān)電子行為的豐富信息。這是一個(gè)新穎的，有效的手段，可為人們提供諸多用別的方法難以獲得的細(xì)致的分子內(nèi)電子行為， 從而豐富了人們對(duì)有關(guān)表面增強(qiáng)拉曼機(jī)制, 金屬表面, 以及吸附分子的性質(zhì)的理解。此項(xiàng)工作獲1994年中國科學(xué)院自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。
另外一個(gè)體系是相變中拉曼峰強(qiáng)的顯著變化， 我們也從拉曼峰強(qiáng)研究中獲得許多摻雜晶體相變的重要信息。晶格振動(dòng)模的研究表明：在相變過程中，極其稀微的摻雜對(duì)分子晶體振動(dòng)模的峰強(qiáng)會(huì)有極其敏感的影響。這反映在峰強(qiáng)與溫度呈指數(shù)關(guān)系|T - Tc|β 的指數(shù)β上。對(duì)于不同的振動(dòng)模，對(duì)于不同的摻雜離子和摻雜濃度會(huì)有不同的β。突出的是，如硝酸銨晶體的硝酸根離子的全對(duì)稱振動(dòng)模的β值與其它振動(dòng)模的β值有著顯著的不同行為。前者隨摻雜離子濃度的增加而變大；后者卻呈減小。當(dāng)二者相同時(shí)的摻雜濃度是一個(gè)特征量。此特征濃度所對(duì)應(yīng)的摻雜離子的平均距離與摻雜離子的質(zhì)量的根號(hào)成正比。這個(gè)觀察的物理背景是源于摻雜離子的共振模。易言之，摻雜離子的平均距離與摻雜離子的共振模的延伸范圍有關(guān)，并且成比例。因此，這是研究極其稀微摻雜的有效手段。研究的體系有如：NaxK1-xHF2, KH1-xDxF2, NH4-xDxNO3, Kx/Nax(NH4)1-xNO3，F(xiàn)x/Clx/Brx (NH4)1-xNO3
〔3〕分子高激發(fā)振動(dòng)態(tài)〔1995－1997，2000－2002，2004-2006國家基金委資助〕。
本研究項(xiàng)目運(yùn)用李代數(shù)方法來研究分子高激發(fā)振動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)?？傮w思路主要在避開解薛丁諤方程的復(fù)雜問題，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，半經(jīng)典地處理復(fù)雜的高激發(fā)振動(dòng)態(tài)，突出其物理圖象以及對(duì)稱性及其破缺等現(xiàn)象。
研究的思路在于探索復(fù)雜高激發(fā)振動(dòng)態(tài)的奇異結(jié)構(gòu)包括分形與混沌。高激發(fā)振動(dòng)態(tài)的物理行為與可以用簡(jiǎn)正模來描述的低振動(dòng)態(tài)會(huì)有顯著的不同。后者的運(yùn)動(dòng)主要是簡(jiǎn)諧的，而前者會(huì)有強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)。非線性效應(yīng)將使得高激發(fā)振動(dòng)態(tài)有著許多低振動(dòng)態(tài)所沒有的奇異性質(zhì)，包括其運(yùn)動(dòng)的形式、能量的轉(zhuǎn)移等。這些高激發(fā)振動(dòng)態(tài)的性質(zhì)目前均未為人們所認(rèn)識(shí)了解。這就是本研究工作的主要目標(biāo)與內(nèi)容。于此特別需要注意的是非線性效應(yīng)將使得高激發(fā)振動(dòng)態(tài)不再是簡(jiǎn)單的周期運(yùn)動(dòng)，而將顯示其獨(dú)特的不規(guī)則性乃至混沌,這正是本研究所要解決的關(guān)鍵問題。
本課題研究的內(nèi)容主要包括有分子高激發(fā)振動(dòng)態(tài)的半經(jīng)典軌跡性質(zhì)、能量在不同自由度之間的轉(zhuǎn)移、簡(jiǎn)正模與局域模的性質(zhì)及其區(qū)分以及可能的混沌現(xiàn)象。同時(shí)，本項(xiàng)目特別著重從拓?fù)浣嵌葋硖接憚?dòng)力學(xué)在相空間中的整體性質(zhì)。此外，本項(xiàng)目對(duì)由高激發(fā)彎曲振動(dòng)所導(dǎo)致的1,2位移現(xiàn)象，以及高激發(fā)振動(dòng)態(tài)的歸屬，混沌體系的量子化等重要課題進(jìn)行了深入的研究，這些工作包括利用李雅普諾夫指數(shù)對(duì)混沌運(yùn)動(dòng)的分析，近似守恒量子數(shù)的存在和其物理意義，高激發(fā)振動(dòng)態(tài)接近解離時(shí)，勢(shì)能曲線的求取，混沌軌跡和周期軌跡的性質(zhì)及它們與不可積體系的量子化的關(guān)系，運(yùn)用H函數(shù)來研究振動(dòng)能量的弛豫等。
在分子振動(dòng)的陪集空間表示中，軌跡體現(xiàn)著振動(dòng)的非線性，混沌動(dòng)力學(xué)行為。本項(xiàng)目主要從軌跡的性質(zhì)如其周期性，李雅普諾夫指數(shù)了解高激發(fā)態(tài)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，運(yùn)動(dòng)的模式（如是否具有遍歷性，局域性），是否具有（近似的）守恒量，以及這些守恒量，或它們的破缺，與本征系數(shù)（波函數(shù)），相空間中的密度，軌跡的混沌程度的關(guān)系?？傊卷?xiàng)目著重研究了在分子高激發(fā)振動(dòng)體系中量子力學(xué)中的各種概念（如量子數(shù)，量子態(tài)），在經(jīng)典近似下與非線性力學(xué)中的各種概念的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。同時(shí)，我們將特別著重探討周期、混沌軌跡的性質(zhì)以及它們與不可積體系的量子化問題的關(guān)聯(lián)特性等。
這個(gè)方法開拓了分子振動(dòng)光譜學(xué)與非線性力學(xué)的連通渠道。非線性力學(xué)領(lǐng)域中的豐富成果大大豐富了我們對(duì)分子振動(dòng)和分子光譜學(xué)的理解。這些理解固然多為經(jīng)典的，但卻是量子觀點(diǎn)的重要補(bǔ)充，也豐富了對(duì)量子觀點(diǎn)的理解。
循此思想，在過去的幾年中，我們得到國家自然科學(xué)基金委的資助，在此領(lǐng)域做了不少工作取得了成果。（詳見相關(guān)工作論文和專著《分子振動(dòng)的混沌理論》）
獎(jiǎng)勵(lì)、榮譽(yù)和學(xué)術(shù)兼職
獲1994年中國科學(xué)院自然科學(xué)二等獎(jiǎng) （表面增強(qiáng)拉曼光譜學(xué)研究工作）
中國物理學(xué)會(huì)光散射專業(yè)委員會(huì)委員, (1987-2001任副主任)，光散射學(xué)報(bào)編委 (1995-2001 任主編)?！吨袊锢砜靾?bào)》特邀評(píng)委，《化學(xué)物理》編委
清華大學(xué)物理系學(xué)術(shù)委員會(huì)主任（1998-2000），學(xué)位委員會(huì)委員（2004-），校學(xué)術(shù)委員會(huì)委員（1998-2003）
主要論著
至2007年, 共發(fā)表論文109篇，其中66篇發(fā)表在國際期刊上。
專著：1.吳國禎，化工出版社，1990年。
2.吳國禎 ，2001年，臺(tái)灣高立出版社. 北京華夏英才基金資助由清華大學(xué)出版社出版(2001年)。
3. ,科學(xué)出版社出版（2003）。
4.< Nonlinearity and chaos in Molecular vibrations>, Elsevier, 2005.
5. 

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