สเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอน

สเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนเป็นการวัดการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนระหว่างออร์บิทัลของโมเลกุล ซึ่งส่วนใหญ่เกิดขึ้นในช่วงอัลตราไวโอเลตและแสงที่มองเห็นได้ โดยอธิบายถึงสี, เคมีแสง, และปรากฏการณ์ที่หลากหลายของฟลูออเรสเซนซ์และฟอสฟอเรสเซนซ์

Definition

สเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนคือการศึกษาการเปลี่ยนผ่านระหว่างระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลผ่านการดูดกลืนหรือการปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลต, แสงที่มองเห็นได้, และรังสีที่เกี่ยวข้อง ซึ่งครอบคลุมสเปกตรัมการดูดกลืน, การเรืองแสง, และสเปกตรัมโฟโตอิเล็กตรอน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุล: การดูดกลืนแสงอัลตราไวโอเลต-ที่มองเห็นได้ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้นระหว่างออร์บิทัล, หลักการของฟรังก์-คอนดอนที่ควบคุมโครงสร้างการสั่นสะเทือนที่มาพร้อมกัน, และกฎของเบียร์-แลมเบิร์ตที่เชื่อมโยงการดูดกลืนแสงกับความเข้มข้น นอกจากนี้ยังรวมถึงโครโมฟอร์และการคอนจูเกชัน, สถานะซิงเกล็ตและทริปเล็ตที่เป็นพื้นฐานของฟลูออเรสเซนซ์, ฟอสฟอเรสเซนซ์, และการข้ามระบบภายใน (intersystem crossing) ดังสรุปในแผนภาพจาบลอนสกี้, และสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอน วิธีการที่อาศัยเวลาและเลเซอร์ที่ติดตามพลวัตของสถานะถูกกระตุ้นจะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• การเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนระหว่างออร์บิทัลของโมเลกุลทำให้เกิดสเปกตรัมอัลตราไวโอเลต-ที่มองเห็นได้อย่างไร?
• หลักการของฟรังก์-คอนดอนอธิบายโครงสร้างการสั่นสะเทือนของแถบอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างไร?
• กฎของเบียร์-แลมเบิร์ตเชื่อมโยงการดูดกลืนแสงกับความเข้มข้นได้อย่างไร?
• ฟลูออเรสเซนซ์, ฟอสฟอเรสเซนซ์, และการข้ามระบบภายในเกิดขึ้นจากสถานะถูกกระตุ้นได้อย่างไร?

Key concepts

• การเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนและโครโมฟอร์
• หลักการของฟรังก์-คอนดอน
• กฎของเบียร์-แลมเบิร์ต
• สถานะถูกกระตุ้นแบบซิงเกล็ตและทริปเล็ต
• ฟลูออเรสเซนซ์, ฟอสฟอเรสเซนซ์, และแผนภาพจาบลอนสกี้

Key theories

หลักการของฟรังก์-คอนดอน

การเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนเกิดขึ้นอย่างรวดเรวจนกระทั่งนิวเคลียสแทบจะหยุดนิ่งในระหว่างนั้น ดังนั้นแถบไวโบรนิกที่มีความเข้มสูงสุดคือแถบที่ฟังก์ชันคลื่นการสั่นสะเทือนทับซ้อนกันได้ดีที่สุดระหว่างสถานะอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานและสถานะถูกกระตุ้น

เส้นทางการสลายตัวของสถานะถูกกระตุ้น

โมเลกุลที่ถูกกระตุ้นสามารถคลายตัวได้โดยการปล่อยโฟตอนเป็นฟลูออเรสเซนซ์จากสถานะซิงเกล็ต หรือฟอสฟอเรสเซนซ์จากสถานะทริปเล็ต หรือโดยไม่แผ่รังสีผ่านการเปลี่ยนภายในและการข้ามระบบภายใน ดังที่จัดระเบียบไว้ในแผนภาพจาบลอนสกี้

Clinical relevance

สเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนเป็นพื้นฐานของการวิเคราะห์เชิงปริมาณด้วยแสงอัลตราไวโอเลต-ที่มองเห็นได้ผ่านกฎของเบียร์-แลมเบิร์ต, การออกแบบสีย้อม, เม็ดสี, และวัสดุโซลาร์เซลล์และวัสดุเปล่งแสง, การทดสอบและการถ่ายภาพด้วยฟลูออเรสเซนซ์ในวิทยาศาสตร์ชีวภาพ, และความเข้าใจเกี่ยวกับการมองเห็นและเคมีแสง

History

หลักการของฟรังก์-คอนดอน ซึ่งฟรังก์กำหนดขึ้นในปี 1926 และคอนดอนให้รูปแบบควอนตัม ได้อธิบายรูปแบบความเข้มของสเปกตรัมแถบอิเล็กทรอนิกส์; แผนภาพของจาบลอนสกี้ในปี 1930 เกี่ยวกับกระบวนการสถานะถูกกระตุ้นได้จัดระบบการเรืองแสง และวิธีการโฟโตอิเล็กตรอนและเลเซอร์สมัยใหม่ได้ขยายขอบเขตไปยังการแตกตัวเป็นไอออนและพลวัตแบบอัลตราฟาสต์

Key figures

• James Franck
• Edward Condon
• Aleksander Jablonski

Seminal works

• atkins2018
• hollas2004

Frequently asked questions

ทำไมสารบางชนิดจึงมีสี?

สารจะปรากฏเป็นสีเมื่อการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนดูดกลืนแสงในช่วงที่มองเห็นได้ ซึ่งมักเกิดจากการคอนจูเกชันที่ขยายออกไปหรือการเปลี่ยนผ่านของ d-ออร์บิทัลของโลหะที่ลดช่องว่างพลังงานลง; สีที่สังเกตเห็นจะเป็นสีที่เสริมกับความยาวคลื่นที่ถูกดูดกลืน

ความแตกต่างระหว่างฟลูออเรสเซนซ์และฟอสฟอเรสเซนซ์คืออะไร?

ฟลูออเรสเซนซ์คือการปล่อยแสงอย่างรวดเร็วจากสถานะซิงเกล็ตที่ถูกกระตุ้นซึ่งมีสปินเหมือนกับสถานะพื้นฐาน ในขณะที่ฟอสฟอเรสเซนซ์คือการปล่อยแสงที่ช้ากว่าจากสถานะทริปเล็ตที่เข้าถึงได้โดยการข้ามระบบภายใน; การเปลี่ยนแปลงสปินทำให้ฟอสฟอเรสเซนซ์ถูกห้ามและดังนั้นจึงมีอายุยาวนาน