Електронни спектри и принцип на Франк-Кондон

Електронните преходи в молекулите предизвикват ивичести системи във видимата и ултравиолетовата област, чиято вибрационна структура се определя от принципа на Франк-Кондон.

Definition

Електронните спектри са ивичести системи, получени, когато молекула променя електронното си състояние, обикновено във видимата или ултравиолетовата област; принципът на Франк-Кондон гласи, че тъй като електронните преходи са бързи в сравнение с движението на ядрата, те протичат вертикално върху диаграмата на потенциалната енергия и благоприятстват крайни вибрационни нива, чиито вълнови функции най-добре се припокриват с началната.

Scope

Тази тема обхваща молекулната електронна спектроскопия: преходи между електронни състояния, придружени от промени във вибрационните и ротационните квантови числа, произтичащите вибронни ивичести системи и принципа на Франк-Кондон, който предсказва кои вибрационни компоненти са най-интензивни. Разглеждат се абсорбцията и емисията (флуоресценция и фосфоресценция), ролята на геометрията на повърхността на потенциалната енергия и как електронните спектри разкриват структурата на възбуденото състояние.

Core questions

• Защо молекулните електронни преходи се появяват като ивици, а не като единични линии?
• Какво казва принципът на Франк-Кондон за интензитета на преходите?
• Как промяната в геометрията между електронните състояния оформя обвивката на ивицата?
• Как се различават абсорбцията, флуоресценцията и фосфоресценцията?

Key concepts

• Вибронни преходи
• Ивичести системи и прогресии
• Принцип и фактори на Франк-Кондон
• Вертикални преходи
• Флуоресценция и фосфоресценция
• Геометрия на възбуденото състояние

Key theories

Вибронна ивичеста структура

Електронният преход е придружен от промени във вибрационните и ротационните квантови числа, така че един електронен преход се появява като система от ивици, като всяка ивица е вибрационен компонент, носещ ротационна фина структура.

Принцип на Франк-Кондон

Тъй като електроните се пренареждат много по-бързо, отколкото се движат ядрата, преходите са вертикални и интензитетът на всеки вибрационен компонент е пропорционален на квадрата на припокриването (фактор на Франк-Кондон) на началните и крайните вибрационни вълнови функции.

Clinical relevance

Електронните спектри и анализът по Франк-Кондон са в основата на ултравиолетово-видимата спектроскопия и флуоресценцията, използвани в химията и биологията, включително флуоресцентното етикетиране и изобразяване, характеризирането на багрила и фотоволтаични материали, както и дистанционното идентифициране на електронно възбудени видове в пламъци и горната атмосфера.

History

Франк предлага през 1925 г., че ядрата остават по същество фиксирани по време на електронен преход, а Кондон дава на идеята количествена квантово-механична форма през 1926–1928 г. чрез интегралите на припокриване, сега наричани фактори на Франк-Кондон. Принципът става централен за тълкуването на молекулните ивичести спектри и динамиката на възбуденото състояние.

Key figures

• James Franck
• Edward Condon
• Gerhard Herzberg

Seminal works

• condon1928
• herzberg1950

Frequently asked questions

Защо електронните преходи се изобразяват като вертикални линии?

На диаграма на потенциалната енергия с междуядрено разстояние по хоризонталната ос, принципът на Франк-Кондон гласи, че ядрата почти не се движат по време на бързия електронен преход, така че преходът е представен с вертикална линия при началната ядрена геометрия.

Какво е фактор на Франк-Кондон?

Това е квадратът на интеграла на припокриване между вибрационните вълнови функции на началните и крайните електронни състояния. Тези фактори определят относителния интензитет на вибрационните компоненти в рамките на електронна ивичеста система.