Hydrogen bond dynamics in water studied by depolarized Rayleigh scattering

Abstract
We measured the depolarized Rayleigh light scattering by water from 80°C down to - 17°C. The spectra obtained could be analysed into two lines, a broad and a sharp one. From the sharp line we deduced a relaxation time which can be interpreted as a reorientational time due to rotations. The broad line gives a relaxation time which is Arrhenius temperature dependent, with an activation energy E = 2.7 kcal/mole. This shorter time can be associated with the mean lifetime of H-bonds in water and E is the activation energy of the formation and breaking of H-bonds process. This interpretation can be supported by recent measurements on quasi-elastic neutron scattering and by taking into account the librational frequencies from Raman spectroscopy.

Résumé
Nous avons mesuré le spectre de diffusion Rayleigh dépolarisée de l'eau, entre 80°C et - 17°C. L'analyse spectrale a permis une décomposition en deux raies de largeurs très différentes. A partir de la raie étroite nous avons déduit un temps de relaxation qui peut être interprété comme un temps de réorientation dû aux rotations. La raie large donne un temps de relaxation dont la dépendance en température suit une loi d'Arrhenius avec une énergie d'activation E = 2,7 kcal/mole. Ce temps plus court peut être associé au temps de vie des liaisons hydrogène dans l'eau et E représente alors l'énergie d'activation associée au processus de formation des liaisons hydrogène. Cette interprétation est en accord avec des résultats récents de diffraction quasi élastique de neutrons et peut se justifier également si l'on tient compte des fréquences de libration déterminées par spectroscopie Raman.