Фотолюминесценция. Закон Стокса

Лекция 12

Элементы физики молекул

План лекции:

1. Виды хим связи в молекулах: ионная, ковалентная. Молекулярный ион . Молекула водорода. Многоатомные молекулы.

2. Люминесценция и ее виды. Закон Стокса. Закон Вавилова.

3. Применение люминесценции.

Вопрос 1. Виды хим связей в молекулах

Молекула – меньшая частичка вещества, владеющая основными хим качествами этого вещества.

Молекула может состоять из схожих либо разных Фотолюминесценция. Закон Стокса атомов, соединенных меж собой в одно целое хим связями. Число атомов в молекуле может изменяться от 2-ух (кислород, водород, азот) до многих тыщ (ДНК, полимеры). Если молекула состоит из огромного числа чередующихся групп атомов, ее именуют макромолекулой. 1-ые представления о молекулах появились в 18 веке в связи с развитием Фотолюминесценция. Закон Стокса термодинамики и молекулярно – кинетической теории газов. Размеры (поперечникы) молекул определяются числом содержащихся в их атомов и варьируются в границах 10-8 – 10-7 см. это значит, что 10 миллионов молекул, уложенные впритирку друг к другу повдоль прямой полосы, составят молекулярную цепочку длиной всего только 1 – 10 мм. Разумеется, что при настолько малом размере атомов и молекул число Фотолюминесценция. Закон Стокса их в физическом теле должно быть колоссальным. К примеру в одной капле воды содержится 3*1021 молекул.

Электроны в молекулах, как и в атомах, размещаются, образуя молекулярные электрические оболочки. Хим и большая часть физических параметров молекул определяются их наружными электронами, при этом внутренние электрические оболочки атомов фактически не меняются при Фотолюминесценция. Закон Стокса объединении атомов в молекулу и не оказывают влияние на характеристики молекул. Более общими чертами молекул являются ее молярная масса, элементный состав и структурная формула,указывающая последовательность расположения атомов и хим связей в молекуле (к примеру, молекулярная масса воды равна 18 а.е.м., ее состав H2O, структурная формула H Фотолюминесценция. Закон Стокса – O – H).

Возможность существования молекулы как устойчивого микрообразования обоснована тем, что внутренняя энергия молекулы как системы атомов оказывается меньше суммарной энергии всех составляющих ее атомов в изолированном состоянии. Соответственная разность энергий именуется энергией образования молекулы.

Она приблизительно равна сумме энергий хим связей. При систематизации молекул обычно выделяют 2 вида хим связей в Фотолюминесценция. Закон Стокса молекулах: ионную и ковалентную, хотя в ряде молекул реализуются и промежные виды связей.

Ионная связь

Ионная связьосуществляется благодаря электростатическому взаимодействию ионов, которые образуются при переходе 1-го либо нескольких электронов от 1-го атома к другому. Ионными молекулами являются NaCl, LiF, KJ и другие. А потому что они состоят из ионов, атомы Фотолюминесценция. Закон Стокса которых значительно различающимися качествами, то связь меж ними именуется ионной либо гетерополярной.

На примере молекулы LiF проиллюстрируем процесс образования ионной молекулы из атомов.

Для существования устойчивой системы, какой является молекула, нужно, чтоб суммарная энергия Е молекулы LiF, состоящей из ионов Li+ и F-, была меньше суммарной энергии Е0 нейтральных атомов лития и Фотолюминесценция. Закон Стокса фтора в свободном состоянии. В грубом приближении разность Е1 – Е0 можно выразить через энергию ионизации атома Li (Eи=5,4 эВ) и сродство к электрону атома фтора (Ес=3,6 эВ).

(1)

Зависимость энергии ∆E от расстояния R меж ионами Li+ и F- в молекуле LiF показана на рисунке 1:

Оказывается, что энергия ∆E мала при значении R Фотолюминесценция. Закон Стокса0=1.5*10-10 м, что соответствует сбалансированному значению длины хим связи в молекуле LiF.

На наименьших расстояниях R (R

Энергия диссоциации Dмолекулы на отдельные атомы Фотолюминесценция. Закон Стокса определяется значением энергии ∆E в точке минимума. Для молекулы LiF:

(2)

Ковалентная связь

Ковалентная, либо гомеополярная связь появляется при обобществлении электрона либо электрических пар, находящихся сразу у 2-ух схожих атомов либо атомов с близкими качествами.

Атомы в таких молекулах могут быть соединены одинарной (H2, H3C – CH3), двойной (H2C = CH Фотолюминесценция. Закон Стокса2) либо тройной (N2, C2H2) ковалентной связью.

При образовании таких молекул появляется деформация наружных электрических оболочек начальных атомов, также происходит перекрытие этих оболочек по полосы, соединяющей центры атомных ядер.

На неком расстоянии меж ядрами силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания, т.е. появляется устойчивая система атомов (молекула), владеющая минимумом внутренней энергии Фотолюминесценция. Закон Стокса.

Разглядим особенности образования ковалентной связи на примере простых двухатомных систем – молекулярного иона и молекулы водорода H2.

Молекулярный ион

Данный ион состоит из 2-ух протонов H+ и 1-го электрона, который образует электрическое скопление вокруг 2-ух протонов, расположенных на неком расстоянии R. Полная энергия иона (см. рис. 2) равна сумме кинетической энергии Фотолюминесценция. Закон Стокса электрона (протоны числятся недвижными) и возможной энергии взаимодействия протонов H+ меж собой и передвигающимся электроном:

(3)

Два первых слагаемых в формуле (3) определяют энергию притяжения электрона протонами, третье – энергию отталкивания ядер.

На рисунке 3 схематично представлена зависимость энергии E0=f(R) для основного состояния электрона в ионе :

В области значений R>R0 преобладают силы Фотолюминесценция. Закон Стокса притяжения, обусловленные обменными квантово-механическими силами взаимодействия протонов через посредство электрона, который находится в большей степени в области меж протонами. При R

Каждое возбужденное состояние электрона характеризуется определенным сбалансированным расстоянием R0 и соответственной энергией диссоциации иона :

(4)

Молекула водорода H2

В молекуле Фотолюминесценция. Закон Стокса водорода, как и в молекулярном ионе , осуществляется ковалентная связь, но, она появляется при помощи 2-ух электронов. Потенциальную энергию молекулы рассчитывают по формуле:

(5)

Эта энергия находится в зависимости от всех обоюдных расстояний меж электронами и протонами ( , ).

Многоатомные молекулы

Молекулы, состоящие из 3-х и поболее атомов, именуются многоатомными.

Основным требованием стойкости многоатомной молекулы является Фотолюминесценция. Закон Стокса требование, чтоб энергия ее электрической конфигурации, зависящая от обоюдного расположения ядер атомов, была малой.

В многоатомных молекулах, как и в двухатомных, хим связь может быть ковалентной, ионной, смешанной. Ковалентная связь меж атомами осуществляется парами электронов. Крепкость хим связей, т.е. энергия связи, находится в зависимости от степени перекрывания волновых функций валентных электронов. По Фотолюминесценция. Закон Стокса другому, чем больше перекрываются их электрические оболочки при образовании молекулы, тем посильнее обменные квантово-механические взаимодействия меж атомами, образующими связь.

Вопрос 2. Люминесценция

Свечение вещества (т.е. испускание видимого света), обусловленное переходами атомов и молекул с высших энергетических уровней на низшие, именуется люминесценцией либо прохладным свечением.

Люминесценции должно предшествовать возбуждение атомов либо Фотолюминесценция. Закон Стокса молекул вещества.

После устранения возбудителя люминесценция длится в течение некого промежутка времени, зависящего от природы люминесцирующего вещества и изменяющегося в широких границах: от миллиардных толикой секунды до многих часов и даже суток.

Изучал люминесценцию, академик С.И. Вавилов (1891 – 1951). Им и его сотрудниками были сконструированы люминесцентные лампы «дневного света Фотолюминесценция. Закон Стокса». Результаты собственных исследовательских работ по исследованию люминесценции и природы света С.И. Вавилов обобщил в монографии «Микроструктура света».

По длительности «послесвечения» люминесценция разделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию.

Флуоресценция – краткосрочное свечение, прекращающееся практически сходу после прекращения облучения тела.

Фосфоресценция – свечение, продолжающееся еще некое время после облучения.

В текущее время люминесценцией именуют излучение, представляющее собой Фотолюминесценция. Закон Стокса излишек над термическим при данной температуре, продолжительность которого существенно превосходит период световых волн (~10-15 с).

Это определение отличает люминесценцию от других видов свечения, таких, как отражение и рассеяние света, свечения, обусловленного термическим движением атомов и молекул и др.

Вещества, владеющие ярко выраженной способностью люминесцировать, именуются люминофорами.

Зависимо от метода возбуждения Фотолюминесценция. Закон Стокса люминофора различают последующие виды люминесценции:

1. Фотолюминесценция возбуждается видимым и уф-излучением. Примером фотолюминесценции может служить свечение часового циферблата и стрелок, окрашенных подходящим люминофором.

2. Рентгенолюминесценция возбуждается рентгеновскими лучами. Она наблюдается на дисплее рентгеновского аппарата.

3. Радиолюминесценция возбуждается радиоактивным излучением. Наблюдается на экранах сцинтилляционных счетчиков.

4. Катодолюминесценция возбуждается электрическим лучом. Наблюдается на экранах телека, радиолокатора, осциллографа и других электоронно-лучевых Фотолюминесценция. Закон Стокса устройств. В качестве люминофора, покрывающего экран, употребляются сульфиды и селениды цинка и кадмия.

5. Электролюминесценциявозбуждается электронным полем. Наблюдается в газоразрядных трубках.

6. Хемилюминесценциявозбуждается хим процессами в веществе. К примеру, свечение белоснежного фосфора, гниющей древесной породы, также свечение неких споровых растений, насекомых, морских животных и микробов. К хемилюминесценции относят биолюминесценцию – видимое Фотолюминесценция. Закон Стокса свечение организмов, связанное с процессами их жизнедеятельности. Слабенькая хемилюминесценция, провождающая свободнорадикальные, перекисные и другие процессы в био системах, употребляются для исследования биохимических и биофизических явлений. Этот способ, получивший заглавие сверхслабых свечений, был развит в работах Ю.А. Владимирова.

Таким макаром, люминесценция является типичным квантовым генератором, конкретно модифицирующим энергию ЭМВ Фотолюминесценция. Закон Стокса различной длины волны, также механическую, электронную и хим энергию в энергию видимого света.

Степень преобразования поглощаемой энергии E0 в энергию люминесценции E характеризуется энергетическим выходом люминесценции:

(6)

Диапазон люминесценции находится в зависимости от природы люминесцирующего вещества и вида люминесценции.

Из всех перечисленных видов подробнее разглядим фотолюминесценцию.

Фотолюминесценция. Закон Стокса

Фотолюминесценция разделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию.

Исходным Фотолюминесценция. Закон Стокса актом хоть какой фотолюминесценции является возбуждение фотоном с энергией атома либо молекулы.

В более ординарном случае, который обычно реализуется в одноатомных парах и газах, атом ворачивается в основное состояние, излучая фотон света той же частоты (рис. 4):

Это явление именуют резонансной флуоресценцией (резонансным рассеянием).

Проведенные опыты проявили, что такое свечение появляется примерно через 10-8 с после Фотолюминесценция. Закон Стокса освещения вещества и потому не является рассеянием в обыкновенном осознании этого слова.

При добавлении в люминесцирующие пары посторонних газов (водород, кислород и др.) резонансная флуоресценция миниатюризируется.

Это происходит поэтому, что за время, пока атом находится в возбужденном состоянии, он может повстречаться с молекулой другого сорта и дать ей Фотолюминесценция. Закон Стокса энергию. Кинетическая энергия молекулы при всем этом увеличивается, а атом безызлучательно перебегает в основное состояние.

Другая флуоресценция появляется, если переход из возбужденного состояния в основное происходит равномерно через промежные возбужденные состояния (рис. 5):

Энергия вроде бы «разменивается» и излучаются фотоны с наименьшими частотами.

В сложных органических молекулах появляется переход из возбужденного Фотолюминесценция. Закон Стокса состояния в некое промежуточное, метастабильное, из которого переход в основное маловероятен. За счет молекулярно-кинетической энергии окружающих частиц может быть вновь возвращение молекулы на возбужденный уровень, а с него переход в основное состояние (рис. 6):

Такой один из устройств фосфоресценции. Нагревание наращивает возможность ухода с метастабильного уровня и увеличивает Фотолюминесценция. Закон Стокса фосфоресценцию.

Экспериментальное исследование спектров фотолюминесценции показало, что они, обычно, отличаются от спектров возбуждающего излучения.

Закон Стокса: диапазон люминесценции смещен в сторону длинноватых волн относительно диапазона, вызвавшего эту фотолюминесценцию (рис.7):

Энергетический выход люминесценции (6) может при неких критериях быть очень огромным, достигающим 0,8. У водянистых и жестких тел он находится в зависимости от длины волны возбуждающего Фотолюминесценция. Закон Стокса света.

Закон Вавилова: энергетический выход люминесценции поначалу вырастает пропорционально длине волны возбуждающего света , а потом, достигнув максимума, резко падает до нуля.

На рисунке 8 приведен график зависимости от λв, приобретенный С.И. Вавиловым для раствора флуоресцеина:


forteskyu-tiho-usmehayas-naravne-s-ostalnimi-naskolko-lichnuyu-i-naskolko-zainteresovano-ya.html
fortifikaciya-drevnih-vekov.html
forum-donorov-priglashaet-golosovat-za-raboti-uchastnikov-fotokonkursa-rossijskaya-blagotvoritelnost-v-zerkale-smi.html