一种基于谱学分析的外场作用下化学键物性参数测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于谱学分析的外场作用下化学键物性参数测量方法，一方面通过将待测样品置于持续作用的待考察外场中进行谱学测试得到待测样品的声子谱，再从中截取在待考察外场不同状态下目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率；另一方面，基于化学键振动频率偏移量的计算公式以及化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式拟合出在待考察外场不同状态下目标化学键在目标振动模态下的振动频率与参考频率、物性参数的拟合关系式，再将实测的不同状态下目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率代入拟合公式得到物性参数。通过该方法实现了一种系统式获取不同类外场作用下或者多类外场协同作用下的系列物性参数。

A Method for Measuring Physical Properties of Chemical Bonds under External Field Based on Spectral Analysis

The invention discloses a method for measuring the physical parameters of chemical bonds under the action of an external field based on spectral analysis. On the one hand, the phonon spectra of the sample to be measured are obtained by putting the sample to be tested in a continuous external field for spectral testing, and then the vibration frequencies of the target chemical bonds at the peak of the spectrum under the different conditions of the external field to be investigated are intercepted from the phonon spectra. The formulas for calculating the frequency offset of chemical bond vibration and the stimulated relaxation formulas for the length and energy of chemical bond under the action of external field are used to fit the relationship between the frequency of target chemical bond vibration under the different conditions of external field and the reference frequency and physical parameters. Then the vibration of target chemical bond at the peak of spectrum under the different conditions measured in actual field is fitted. The dynamic frequency is substituted into the fitting formula to obtain the physical parameters. Through this method, a series of physical parameters can be obtained systematically under different kinds of outfield or under the synergistic action of multiple kinds of outfield.

【技术实现步骤摘要】
一种基于谱学分析的外场作用下化学键物性参数测量方法
本专利技术属于物理化学领域，具体涉及一种基于谱学分析的外场作用下化学键物性参数测量方法。
技术介绍
介质服役时所受的外场作用可以调制化学键的长度和能量从而改变其物理性质。目前，已有多种检测技术或数值方法能获得化学键的长度或能量或某些物性参数值，如中子衍射和X射线衍射实验可根据结构因子和径向分布函数探测原子间距以获得化学键长度；拉曼光谱能够确定单壁碳纳米管的直径，并能清晰确定石墨烯的层数等等。然而，这些技术或方法仅能确定化学键长度、能量及与之关联物理量中的一个或几个，无法系统地测定不同类型外场下对应的物性参数，例如配位场中的键长、应变场中的单键力常数、压强场中的压缩系数、温度场中的热膨胀系数和德拜温度等系列物性参数，尤其是它们在外界激励条件下弛豫的趋势，原因在于从物理根源上缺乏这一系列物理量之间的本征关系。此外现有的谱学分析仅限于对谱峰的高斯拟合而不能得到所测样本的任何微观键结构和宏观物性及其演变的定量信息。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于谱学分析的外场作用下化学键物性参数测量方法，其可以测量多类外场作用下或者多类外场协同作用下的系列物性参数，提供了一种统一的系统测量方法来得到化学键物性参数。本专利技术提供了一种基于谱学分析的外场作用下化学键物性参数测量方法，包括如下步骤：S1：将待测样品置于连续变化的待考察外场中进行谱学测试得到待测样品的声子谱；所述声子谱为待测样品在待考察外场不同状态下的振动频率-振动强度曲线，所述声子谱中各个谱峰均对应一类化学键的一种振动模态；S2：从步骤S1中振动频率-振动强度曲线截取在待考察外场不同状态下目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率；S3：拟合出在待考察外场不同状态下目标化学键在目标振动模态下的振动频率与参考频率、物性参数的拟合关系式；其中，若待考察外场为配位场，所述拟合关系式是基于化学键振动频率偏移量的计算公式以及化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式，通过构建不同配位数下的目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率与参考频率之差的比值来推理的；若待考察外场不为配位场，所述拟合关系式是基于化学键振动频率偏移量的计算公式以及化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式，通过构建在待考察外场下目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率与参考频率之差与无外场下目标化学键在目标振动模态下振动频率与参考频率之差的比值来推理的；所述物性参数与待考察外场相匹配；其中，化学键振动频率偏移量Δω的公式如下：式中，Δω为化学键振动频率偏移量，其等于化学键的实测振动频率ω与参考频率ω(1)之差，z为原子配位数，μ为振子约化质量，d为化学键长，E为键能，r为化学键长范围内的任意位置，u(r)是振子对应的对势函数；所述化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式如下：式中，x1、x2、…、xn表示不同类型外场作用下的物理自变量，xn为第n类外场作用下的物理自变量，y1(x1)、y2(x2)、…、yn(xn)以及Y1(x1)、Y2(x2)、…、Yn(xn)分别表示不同类型外场作用时引起化学键的应变和键能增量，并与物性参数相关；yn(xn)和Yn(xn)分别表示第n类外场作用时引起化学键的应变和键能增量，db和Eb表示目标化学键在目标振动模态下无外场且配位数为块体值zb时的键长和键能，εJ与ΔJ分别表示外场引起的键长、键能的改变量；其中，所述参考频率为目标化学键在目标振动模态下无外场且配位数为1时的振动频率；S4：获取参考频率并基于步骤S2中获取的在待考察外场不同状态下目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率以及步骤S3中的拟合关系式得到不同状态的待考察外场下的目标化学键的物性参数。本专利技术是基于化学键振动频率偏移量的计算公式以及化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式，通过构建在待考察外场下目标化学键在目标振动模态下谱峰处振动频率与参考频率之差与无外场下目标化学键在目标振动模态下振动频率与参考频率之差的比值，得到在待考察外场不同状态下目标化学键在目标振动模态下的振动频率与参考频率、物性参数的拟合关系式。再利用谱学测试的数据计算出不同状态的待考察外场下的目标化学键的物性参数。该方法适用于各类外场，且得到的目标化学键的物性参数是与外场类型相关的，例如配位场中的键长、应变场中的单键力常数、压强场中的为初始压强下的能量密度、温度场中的热膨胀系数和德拜温度等系列物性参数。本专利技术提供了一种通用的方式来系统的得到不同类型外场下的化学键物性参数，相较于现有方法中物性参数的测量方法仅能得到一类或少几类参数的方式，本专利技术应用范围更广。此外本专利技术结合了谱学分析的手段，首次将谱学分析应用于所测样本的微观键结构和宏观物性及其演变的定量信息。进一步优选，所述参考频率的公式是基于化学键振动频率偏移量的计算公式以及化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式推导而来；所述参考频率的公式如下：其中，式中，ω(1)为参考频率，ω(z1)、ω(z2)分别表示目标化学键在目标振动模态下无外场且配位数为z1、z2时的振动频率，分别为振动频率ω(z1)、ω(z2)对应的键收缩系数，m为键性参数；其中，将无外场且不同配位数下目标化学键在目标振动模态下的振动频率以及键收缩系数代入参考频率计算公式计算出参考频率。进一步优选，外场的类型至少包括：配位场、应变场、温度场、压强场，所述待考察外场为配位场、应变场、温度场、压强场中任意一类外场或者应变场、温度场、压强场中任意组合的外场；所述待考察外场包括配位场时，步骤S4中得到不同状态的待考察外场下的目标化学键的物性参数为键长、键能、能量密度、单原子结合能、杨氏模量与体积模量中的一个或多个的任意组合；所述待考察外场包括应变场时，步骤S4中得到不同状态的待考察外场下的目标化学键的物性参数为单键力常数；所述待考察外场包括压强场时，步骤S4中得到不同状态的待考察外场下的目标化学键的物性参数为初始压强下的能量密度；所述待考察外场包括温度场时，步骤S4中得到不同状态的待考察外场下的目标化学键的物性参数为热膨胀系数和德拜温度。进一步优选，所述化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式中不同类型外场作用时引起化学键的应变和键能增量如下所示：若存在配位场，取x1＝z，则若不存在配位场，x1＝zb，表示块体配位值、y1(z)与Y1(z)均为0；若存在应变场，取x2＝ε，则若不存在应变场，x2、y2(ε)、Y2(ε)均为0；若存在压强场，取x3＝P，则若不存在压强场，x3＝P0，表示初始压强，常为常压，y3(P)与Y3(P)均为0；若存在温度场，取x4＝T，则若不存在温度场，x4＝T0，表示初始温度，常为常温，y4(T)与Y4(T)均为0；式中，Cz表示键收缩系数，m为键性参数；ε表示应变，dz为配位数为z时的键长，k(ε)为单键力常数；P表示压强，β(p)表示压缩系数，p(v)是多项式表述的状态方程，v表示体积；T表示温度，α(t)为单轴热膨胀系数，η(t)为单键比热。进一步优选，键长、键能、能量密度、单原子结合能、杨氏模量与体积模量的关系如下：E＝EbCz-m，Cz＝d/dbEden＝E/d3Ec＝zEY＝Ed-3B＝3Y式中，E为键能，Cz为键收缩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于谱学分析的外场作用下化学键物性参数测量方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：将待测样品置于持续作用的待考察外场中进行谱学测试得到待测样品的声子谱；所述声子谱为待测样品在待考察外场不同状态下的振动频率‑振动强度曲线，所述声子谱中各个谱峰均对应一类化学键的一种振动模态；S2：从步骤S1中振动频率‑振动强度曲线截取在待考察外场不同状态下目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率；S3：拟合出在待考察外场不同状态下目标化学键在目标振动模态下的振动频率与参考频率、物性参数的拟合关系式；其中，若待考察外场为配位场，所述拟合关系式是基于化学键振动频率偏移量的计算公式以及化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式，通过构建不同配位数下的目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率与参考频率之差的比值来推理的；若待考察外场不为配位场，所述拟合关系式是基于化学键振动频率偏移量的计算公式以及化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式，通过构建在待考察外场下目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率与参考频率之差与无外场下目标化学键在目标振动模态下振动频率与参考频率之差的比值来推理的；所述物性参数与待考察外场相关；其中，化学键振动频率偏移量Δω的公式如下：...

【技术特征摘要】
1.一种基于谱学分析的外场作用下化学键物性参数测量方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：将待测样品置于持续作用的待考察外场中进行谱学测试得到待测样品的声子谱；所述声子谱为待测样品在待考察外场不同状态下的振动频率-振动强度曲线，所述声子谱中各个谱峰均对应一类化学键的一种振动模态；S2：从步骤S1中振动频率-振动强度曲线截取在待考察外场不同状态下目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率；S3：拟合出在待考察外场不同状态下目标化学键在目标振动模态下的振动频率与参考频率、物性参数的拟合关系式；其中，若待考察外场为配位场，所述拟合关系式是基于化学键振动频率偏移量的计算公式以及化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式，通过构建不同配位数下的目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率与参考频率之差的比值来推理的；若待考察外场不为配位场，所述拟合关系式是基于化学键振动频率偏移量的计算公式以及化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式，通过构建在待考察外场下目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率与参考频率之差与无外场下目标化学键在目标振动模态下振动频率与参考频率之差的比值来推理的；所述物性参数与待考察外场相关；其中，化学键振动频率偏移量Δω的公式如下：式中，Δω为化学键振动频率偏移量，其等于化学键的实测振动频率ω与参考频率ω(1)之差，z为原子配位数，μ为振子约化质量，d为化学键长，E为键能，r为化学键长范围内的任意位置，u(r)是振子对应的对势函数；所述化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式如下：式中，x1、x2、…、xn表示不同类型外场作用下的物理自变量，xn为第n类外场作用下的物理自变量，y1(x1)、y2(x2)、…、yn(xn)以及Y1(x1)、Y2(x2)、…、Yn(xn)分别表示不同类型外场作用时引起化学键的应变和键能增量，并与物性参数相关，yn(xn)和Yn(xn)分别表示第n类外场作用时引起化学键的应变和键能增量，db和Eb表示目标化学键在目标振动模态下无外场且配位数为块体值zb时的键长和键能，εJ与ΔJ分别表示外场引起的键长、键能的改变量；其中，所述参考频率为目标化学键在目标振动模态下无外场且配位数为1时的振动频率；S4：获取参考频率并基于步骤S2中获取的在待考察外场不同状态下目标化学键在目标振动模态下谱峰处的振动频率以及步骤S3中的拟合关系式得到不同状态的待考察外场下的目标化学键的物性参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述参考频率的公式是基于化学键振动频率偏移量的计算公式以及化学键长度和能量在外场作用下的受激弛豫公式推导而来；所述参考频率的公式如下：其中，式中，ω(1)为参考频率，ω(z1)、ω(z2)分别表示目标化学键在目标振动模态下无外场且配位数为z1、z2时的振动频率，分别为振动频率ω(z1)、ω(z2)对应的键收缩系数，m为键性参数；其中，将无外场且不同配位数下目标化学键在目标振动模态下的振动频率以及键收缩系数代入参考频率计算公式计算出参考频率。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：外场的类型至少包括：配位场、应变场、温度场、压强场，所述待考察外场为配位场、应变场、温度场、压强场中任意一类外场或者应变场、温度场、压强场中任意组合的外场；所述待考察外场包括配位场时，步骤S4中得到不同状态的待考察外场下的目标化学键的物性参数为键长、键能、能量密度、单原子结合能、杨氏模量与体积模量中的一个或多个的任意组合；所述待考察外场包括应变场时，步骤S4中得到不同状态的待考察外场下的目标化学键的物性参数为单键力常数；所述待考察外场包括压强场时，步骤S4中得到不同状态的待考察外场下的目标化学键的物性参数为初始压强下的能量密度；所述待考察外场...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄勇力，杨学弦，孙长庆，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43