2.5 Infrared and Raman Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.6 The Terahertz Spectrum of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.6.1 Between the Infrared and Dielectric Spectra . . . . . . . . . . . 82
2.6.2 5 THz Oscillation Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.6.3 Second Dielectric Relaxation (“Excess Wing”) . . . . . . . . . 88
2.7 Heavy Water: H/D Isotope Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.7.1 Dielectric Spectrum: Intermolecular Dynamics . . . . . . . . . . 90
2.7.2 Infrared Spectrum: Intramolecular Dynamics . . . . . . . . . . . 94
2.8 The Conductivity Sum Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3 The Interaction of Electromagnetic Waves with Ice . . . . . . . . . . . . . 105
3.1 Dielectric-Terahertz Spectrum of Ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.2 The Temperature Dependence of Spectral Parameters . . . . . . . . . . 109
3.3 Ice Among Other Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.4 Similarities Between Water and Ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.5 Protonic Transport as a Fundamental Mechanism
of the Dielectric Response of Ice and Water . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4 The Dielectric Properties and Dynamic Structure of Water
and Ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.1 Problems of Describing the Dynamics of Water on the Basis
of Hydrogen Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.2 A Phenomenological Model for the Broadband Dielectric
Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.2.1 Microscopic Features of Self-diffusion . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.2.2 The Spectral Signature of the Excess Proton . . . . . . . . . . . 136
4.2.3 The Ionic (Protonic) Model of Water . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.3 Comparison of the Ionic Model with Other Microscopic
Models of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.4 Instantaneous Structure of Water and Ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.5 The Microscopic Origin of the Electrodynamic Properties
of Water and Ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.5.1 Dielectric Relaxation and DC Conductivity . . . . . . . . . . . . 152
4.5.2 How Microwave Ovens Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.5.3 The Dielectric Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.5.4 The Second Relaxation and Terahertz Spectrum . . . . . . . . 160
4.5.5 Autoionization and pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.6 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
xii
Contents