Ученые определили спектроскопические признаки редких соединений германия

Физики Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с учеными Института химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН и Хэйлунцзянского университета (Китай) впервые подробно изучили, как молекулы двух редких изотопологов германа (соединений разных изотопов германия с водородом) поглощают инфракрасное излучение. На основе этих данных ученые составили подробную «карту линий» — специальный набор спектроскопических признаков, по которым вещество можно будет узнать даже в сложной газовой смеси.

В современной научной литературе нет точных спектроскопических данных разных изотопологов германа. У германия несколько стабильных изотопов, и замена одного изотопа на другой меняет массу молекулы германа, что сдвигает частоту колебания и вращений и меняет весь инфракрасный «рисунок» вещества. Понимание таких изменений крайне важно в астрофизике и планетологии при распознавании молекул в атмосферах планет, а также технологиях получения сверхчистых изотопических разновидностей германа для квантовых технологий и современной электроники.

Ученые ТПУ совместно с коллегами провели исследования двух изотопологов германа — 72GeH₄ и 73GeH₄. Спектры молекул регистрировали с помощью Фурье-спектрометра высокого разрешения в диапазоне 1 800-4 500 см-1, что позволило различить близко расположенные линии спектров.

«Молекулы германа относятся к классу сложных сферически-симметричных молекул тетраэдрической симметрии. Их спектры устроены очень сложно. Когда молекула поглощает инфракрасный свет, она начинает вращаться и колебаться определенным образом. Если при этом происходит поглощение молекулой внешнего излучения, то молекула может перейти из одного квантового состояния в другое. Каждому такому переходу соответствует своя спектральная линия. В исследовании мы анализировали широкий диапазон, особое внимание уделяя области 2 300-3 200 см-1. Это очень сложная область, где находятся 24 сильно взаимодействующие друг с другом полосы поглощения. В ней молекула может находиться сразу в большом числе близких по энергии колебательно-вращательных состояний, которые не существуют независимо, а заметно влияют друг на друга», — рассказал руководитель проекта, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Олег Уленеков.

С помощью специально разработанного математического аппарата в ТПУ «присвоили» конкретным спектральным линиям характеристики квантовых переходов (так называемые квантовые числа), рассчитали энергии уровней и показали, как меняются резонансные взаимодействия при замене изотопа германия. В результате исследования ученые определили 113 спектроскопических параметров для изотопа 73GeH₄ и 72 параметра для 72GeH₄.

«Наши исследования позволили получить не отдельные измерения, а надежную и в высокой степени точную модель, которая описывает множество взаимодействий состояний изотопов германия. Она позволит объяснить уже известные линии и рассчитать спектры там, где экспериментальные данные еще недостаточно полны», — отметили участники проекта, профессора Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Ольга Громова и Елена Бехтерева.

Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации