12 февраля 2016г.
Разработка элективного курса «Колебания циклических и полициклических молекул» необходима для обеспечения связи содержания курса «Квантовая теория», читаемого для направления подготовки бакалавров «физика» со студенческими исследовательскими проектами, в рамках научного направления выпускающей кафедры. А также для подготовки студентов к самостоятельной научно-исследовательской деятельности.
Новые государственные образовательные стандарты подготовки бакалавров и магистров устанавливают основные компетенции, которыми должны владеть выпускники. Введенный приказом Министерства образования и науки России от 7 августа 2014 г. № 937. [2] государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.03.2 Физика (уровень бакалавриата) предусматривает, в частности, следующие компетенции:
· в общей профессиональной деятельности – способность использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач (ПК-1);
· в научно-исследовательской деятельности – способность проводить научные исследования в избранной области экспериментальных и (или) теоретических физических исследований с помощью современной приборной базы и информационных технологий (ПК-2);
· в научно-инновационной деятельности – способность пользоваться современными методами обработки, анализа и синтеза физической информации в избранной области физических исследований (ПК-5);
Основой разработанного курса является система учебно-исследовательских задач, в которых на основе колебательной динамики молекул, дано понятие адиабатического приближения и его применение для расчета колебаний молекулярных систем, на примере изучения колебательных спектров молекул циклических и полициклических соединений. Такой подход существенно расширяет возможности изучения внутреннего строения молекул и вариативность в выборе объектов исследования.
Предложенные в спецкурсе ряд физико-химических задач, а также результаты их решения актуальны и нечасто встречаются в учебной и научной литературе. Предлагается новый подход к теме связи структуры и колебательного спектра циклических и полициклических молекул. Разработке спецкурса предшествовал анализ методических аспектов теоретического исследования колебательных спектров в учебной деятельности [1].
Молекулярные спектры имеют более сложную структуру по сравнению с атомными спектрами. Это обусловлено тем, что в процессах, связанных с энергетическими переходами в молекуле наряду с электронами участвуют и ядра, движение которых находит свое отображение в молекулярных спектрах. Ядра атомов в молекуле могут совершать два рода движений: вращательное движение относительно центра тяжести молекулы и колебательное движение около некоторых положений равновесия. Оба рода движений являются квантованными, что проявляется в дискретной структуре молекулярных спектров [4]. Если изучение атомных спектров дало возможность создания теории атома, то изучение молекулярных спектров играет очень важную роль при исследовании строения молекул. Спектроскопические исследования позволяют определять межатомные расстояния в молекулах, собственные частоты колебаний ядер и другие параметры.
Молекула представляет собой систему, для описания которой необходимо использовать аппарат квантовой механики, а также приходится отвечать на целый ряд сложных вопросов:
· Что такое молекула?
· Виды движения молекул?
· Каковы основные характеристики колебательного движения?
· Как и какими методами изучается внутреннее движение молекул?
· Что дает знание природы колебаний молекул?
Перечень подобных вопросов можно продолжать и далее. В рамках разработанного спецкурса студент находит ответы на поставленные вопросы, не только из теоретических знаний, но имеет возможность получить практические навыки исследования, выполняя задания, предлагаемые по каждой теме.
В выборе тематики учебно-исследовательских работ предпочтение было отдано изучению связи структуры и колебательного спектра гидроксизамещенных циклических соединений, это вызвано тем, что они входят в состав многих органических веществ. Задача спектральной идентификации гидроксизамещенных шестичленных циклических и полициклических соединений приводит к необходимости системного анализа колебательных состояний соответствующих молекулярных объектов.
Валентные и деформационные колебания заместителей проявляются в колебательных спектрах молекул и определяются свойствами электронной оболочки атомов заместителя [3]. Если в качестве заместителя рассматриваются молекулярные фрагменты, состоящие из двух или более атомов, то при исследовании необходимо учитывать взаимное расположение фрагментов молекул, возникает задача спектральной идентификации возможных изомеров. Такие задачи требуют привлечения квантово-механических методов анализа геометрической структуры и колебательных состояний молекулярных соединений. Все задачи курса решаются по следующей схеме.
Выбор объектов исследования. С точки зрения деятельностного подхода студентам предлагается выбрать объект исследования. В качестве объектов исследования могут быть рассмотрены различные многоатомные соединения, играющие большую роль в живой природе.
Формулировка физической модели. На данном этапе обучения студентам предлагается определить структуру соединения и тип симметрии молекулы.
Выбор метода исследования. На современном этапе развития вычислительных технологий существует множество квантовых методов исследования. Они позволяют численно решить уравнение Шредингера путѐм тех или иных приближений. В рамках курса предлагается один из наиболее используемых и универсальных методов в колебательной спектроскопии молекул – метод функционала плотности (DFT), который использует описание системы не волновой функцией, а электронной плотностью.
Выбор расчетного базиса. При осуществлении квантово-механических расчетов слушатели курса выбирают базис, состоящий из конечного числа базисных функций, определяющих атомные орбитали, центрированные на каждом атомном ядре, входящем в состав молекулы. Чем больше функций входит в базисный набор, тем выше точность вычислений, но увеличивается расчетное время. Дополнительные функции в базисе позволяют учитывать поляризационные и диффузные эффекты электронной оболочки.
Реализация численного эксперимента. Программа Gaussian [6], является популярным средством выполнения квантово-химических расчетов. Этот пакет моделирования используется для исследования и разработок новых структур в области физики и химии. Методология моделирования, используемая в пакетах Gaussian, была отмечена Нобелевской Премией в области химии 1998 года.
Обучающиеся составляют матрицу исходных геометрических параметров, определяющую атомы, входящие в систему и их относительное расположение. Указывают метод, расчетный базис и характеристики, которые необходимо определить. Для изучения колебательной динамики молекул студентам необходимо рассчитать частоты и интегральные интенсивности их колебаний.
Анализ результатов численного эксперимента. Результат вычислений программный комплекс [6] формирует в файл выходной информации. Для интерпретации, т.е. отнесения частот по формам колебаний в рамках спецкурса предполагается использование дополнительных программных продуктов, один из которых – программный пакет Vibration [5].
В колебательных спектрах проявляется структура молекул, внутри- и межмолекулярные взаимодействия. Построение модельных колебательных спектров широко используются для решения многочисленных задач, относящихся к исследованиям строения молекул и его изменениям в химических и физических процессах, поэтому обучение студентов основам исследовательской работы в рамках разработанного спецкурса, является актуальной задачей.
Список литературы
1. Нуржанова Г.Б., Байсмакова А.Г., Мамбетова Ж.Б. Методика моделирования циклических соединений методами квантовой механики: гидроксизамещенные бензола. // Материалы Второго международного научного форума молодых ученых, студентов и школьников «Потенциал интеллектуально одаренной молодежи – развитию науки и образования». г. Астрахань, 20–24 мая 2013 г. / под общ. ред. В. А. Гутмана, А. Л. Хаченьяна. – Астрахань: ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2013. – 68 с.
2. Приказ Министерства образования и науки России от 7 августа 2014 г. № 937. Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению подготовки 03.03.2 Физика (уровень бакалавриата) // [Электронный ресурс] / Режим доступа: www.edu.ru/db-mon/mo/Data/d_14/m937.html
3. Пулин В.Ф., Элькин М.Д., Пулин О.В., Березин В.И. Исследование динамики молекулярных соединений различных классов. – Саратов: Саратовский Государственный Технический университет, 2003.
4. Свердлов Л.М., Ковнер М.А., Крайнов Е.П. Колебательные спектры многоатомных молекул. – М.: Наука, 1970.
5. Элькин М.Д., Шальнова Т.А, Джалмухамбетова Е.А., Кладиева А.С., Степанович Е.Ю., Гайсина А.Р. Vibration – 2010. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012614222. Зарегистрировано 12.05.2012.
6. Gaussian 03. Revision A.7. Frisch M.J. [et al.]. – Pittsburgh: Gaussian. Inc., 2003.
