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在分子水平上对界面的物理和化学过程进行研究是非常重要的,光学二次谐波和和频振动光谱以其独特的界面选择性和界面灵敏性,在界面科学的研究中得到了广泛的应用。如何对实验测量数据进行定量分析并从中获取体系的界面性质是将二次谐波和和频振动光谱方法应用于实际界面体系研究中的一个重要问题。本论文的重点是发展和应用液体界面二次谐波和和频振动光谱方法的定量的实验测量和分析方法,具体内容如下:
一、发展了界面二次谐波的准确测量和定量分析方法,包括界面二次谐波取向测量的定量分析方法、更准确的界面二次谐波的实验测量方法,并推导出了一个适用于所有非手性分子界面的二阶极化率分量的统一处理方法。在此基础上,还简单地总结出了界面二次谐波的实验偏振选择定则,并对它在一些界面体系的定量分析和处理当中的应用作了一些简单的介绍。
二、在界面二次谐波研究中,Kleinman对称性关系被人们广泛使用,但是关于它的适用条件的讨论却很少。直到近几年,文献中才对Kleinman对称性关系涉及的近似进行了一定的讨论。本论文证明了宏观和微观二阶极化率分量的Kleinman对称性关系的等价性,从而说明Kleinman对称性关系不能作为界面二次谐波是否包含体相贡献的判据。在此基础上,通过准确测量空气/纯水界面的偏振二次谐波信号,证明了空气/纯水界面的二次谐波信号可以完全通过界面水分子的偶极贡献来解释。这既体现了准确的界面二次谐波实验测量和对称性分析方法的重要性,又说明纯液体界面的非共振二次谐波可以用来研究液体界面的结构和性质,并且能够与和频振动光谱等方法得到的信息互为补充。然后又对界面二次谐波方法应用于溶液界面研究中的体相贡献进行了仔细深入的研究,既阐明了贡献的来源,又提出了把界面分子贡献的二次谐波信号分离出来的方法,最后获得了界面分子的取向信息。
三、在界面和频振动光谱的定量分析中,分子基团的二阶极化率分量之间的比值是一个非常关键的数据。通过实验方法对和频振动光谱中普遍使用的确定分子基团的二阶极化率分量比值的键极化加和方法进行了有益的修正。利用拉曼和红外光谱实验数据通过对称性分析方法直接确定了分子基团的二阶极化率分量之间的比值,并且合理地解释了键极化加和方法等无法解释的CH3OH的和频振动光谱中无法观测到CH3的反对称伸缩振动峰的问题。该方法也能够有效地应用于其它的分子体系。
这些发展将使界面二次谐波和和频振动光谱方法的界面研究建立在一个更加稳固的基础上,并且为更好地理解和应用界面二次谐波和和频振动光谱方法提供了一个有效的途径。