Elektroniset spektrit ja Franckin–Condonin periaate

Molekyylien elektroniset transitioit tuottavat näkyvän valon ja ultravioletin alueen vyöjärjestelmiä, joiden värähtelyrakennetta säätelee Franckin–Condonin periaate.

Definition

Elektroniset spektrit ovat vyöjärjestelmiä, jotka syntyvät molekyylin muuttaessa elektronitilaansa, tyypillisesti näkyvän valon tai ultravioletin alueella; Franckin–Condonin periaate toteaa, että koska elektroniset transitioit ovat nopeita verrattuna ytimien liikkeeseen, ne tapahtuvat vertikaalisesti potentiaalienergiadiagrammilla ja suosivat lopullisia värähtelytasoja, joiden aaltofunktiot ovat parhaiten päällekkäin alkuperäisen kanssa.

Scope

Tämä aihe käsittelee molekyylien elektronispektroskopiaa: transitioita elektronitilojen välillä, joihin liittyy muutoksia värähtely- ja rotaatiokvanttiluvuissa, niistä seuraavia vibronisia vyöjärjestelmiä sekä Franckin–Condonin periaatetta, joka ennustaa, mitkä värähtelykomponentit ovat intensiteetiltään voimakkaimpia. Se käsittelee absorptiota ja emissiota (fluoresenssi ja fosforesenssi), potentiaalienergiapinnan geometrian roolia ja sitä, miten elektroniset spektrit paljastavat virittyneen tilan rakenteen.

Core questions

• Miksi molekyylien elektroniset transitioit näkyvät vyöryhminä yksittäisten viivojen sijaan?
• Mitä Franckin–Condonin periaate sanoo transitioiden intensiteeteistä?
• Miten geometria muuttuu elektronitilojen välillä muokaten vyöryhmän muotoa?
• Miten absorptio, fluoresenssi ja fosforesenssi eroavat toisistaan?

Key concepts

• Vibroniset transitioit
• Vyöjärjestelmät ja progressiot
• Franckin–Condonin periaate ja kertoimet
• Vertikaaliset transitioit
• Fluoresenssi ja fosforesenssi
• Virittyneen tilan geometria

Key theories

Vibroninen vyörakenne

Elektroniseen transitioon liittyy muutoksia värähtely- ja rotaatiokvanttiluvuissa, joten yksittäinen elektroninen transitio ilmenee vyöjärjestelmänä, jossa jokainen vyö on värähtelykomponentti, jolla on rotaation hienorakenne.

Franckin–Condonin periaate

Koska elektronit järjestäytyvät uudelleen paljon nopeammin kuin ytimet liikkuvat, transitioit ovat vertikaalisia ja kunkin värähtelykomponentin intensiteetti on verrannollinen alkuperäisen ja lopullisen värähtelyaaltofunktion neliölliseen päällekkäisyyteen (Franckin–Condonin kerroin).

Clinical relevance

Elektroniset spektrit ja Franckin–Condonin analyysi ovat perustana ultravioletti-näkyvän valon spektroskopialle ja fluoresenssille, joita käytetään laajasti kemiassa ja biologiassa, mukaan lukien fluoresoiva merkintä ja kuvantaminen, väriaineiden ja aurinkokennomateriaalien karakterisointi sekä elektronisesti virittyneiden lajien etätunnistus liekeissä ja yläilmakehässä.

History

Franck ehdotti vuonna 1925, että ytimet pysyvät olennaisesti paikallaan elektronisen transition aikana, ja Condon antoi idealle kvantitatiivisen kvanttimekaanisen muodon vuosina 1926–1928 päällekkäisyysintegraalien kautta, joita nykyään kutsutaan Franckin–Condonin kertoimiksi. Periaatteesta tuli keskeinen molekyylien vyöspektrien ja virittyneen tilan dynamiikan tulkinnassa.

Key figures

• James Franck
• Edward Condon
• Gerhard Herzberg

Seminal works

• condon1928
• herzberg1950

Frequently asked questions

Miksi elektroniset transitioit piirretään pystysuorina viivoina?

Potentiaalienergiadiagrammilla, jossa ytimien välinen etäisyys on vaakasuoralla akselilla, Franckin–Condonin periaate sanoo, että ytimet tuskin liikkuvat nopean elektronisen transition aikana, joten transitio esitetään pystysuorana viivana alkuperäisessä ydinrakenteessa.

Mikä on Franckin–Condonin kerroin?

Se on alkuperäisen ja lopullisen elektronitilan värähtelyaaltofunktioiden päällekkäisyysintegraalin neliö. Nämä kertoimet määräävät värähtelykomponenttien suhteelliset intensiteetit elektronisen vyöjärjestelmän sisällä.