Phổ điện tử

Phổ điện tử đo lường sự chuyển đổi của các điện tử giữa các obitan phân tử, chủ yếu trong vùng tử ngoại và khả kiến, giải thích màu sắc, quang hóa học, và các hiện tượng phong phú của huỳnh quang và lân quang.

Definition

Phổ điện tử là nghiên cứu về các chuyển đổi giữa các mức năng lượng điện tử của phân tử thông qua sự hấp thụ hoặc phát xạ bức xạ tử ngoại, khả kiến và các bức xạ liên quan, bao gồm phổ hấp thụ, phát quang và phổ quang điện tử.

Scope

Chủ đề này bao gồm các chuyển đổi giữa các trạng thái điện tử của phân tử: sự hấp thụ tử ngoại-khả kiến phát sinh khi các điện tử được kích thích giữa các obitan, nguyên lý Franck-Condon chi phối cấu trúc dao động đi kèm, và định luật Beer-Lambert liên hệ độ hấp thụ với nồng độ. Nó bao gồm các nhóm mang màu (chromophore) và liên hợp, các trạng thái đơn và ba cơ bản của huỳnh quang, lân quang, và sự chuyển đổi giữa các hệ (intersystem crossing) như được tóm tắt trong sơ đồ Jablonski, và phổ quang điện tử. Các phương pháp theo dõi động học trạng thái kích thích theo thời gian và bằng laser được đề cập trong một chủ đề liên quan.

Core questions

• Làm thế nào các chuyển đổi điện tử giữa các obitan phân tử tạo ra phổ tử ngoại-khả kiến?
• Nguyên lý Franck-Condon giải thích cấu trúc dao động của các dải điện tử như thế nào?
• Định luật Beer-Lambert liên hệ độ hấp thụ với nồng độ như thế nào?
• Huỳnh quang, lân quang và sự chuyển đổi giữa các hệ phát sinh từ các trạng thái kích thích như thế nào?

Key concepts

• Chuyển đổi điện tử và nhóm mang màu (chromophore)
• Nguyên lý Franck-Condon
• Định luật Beer-Lambert
• Trạng thái kích thích đơn và ba
• Huỳnh quang, lân quang và sơ đồ Jablonski

Key theories

Nguyên lý Franck-Condon

Các chuyển đổi điện tử diễn ra rất nhanh đến mức các hạt nhân thực tế đứng yên trong quá trình này, do đó các dải dao động-điện tử (vibronic) có cường độ mạnh nhất là những dải có hàm sóng dao động chồng lấn tốt nhất giữa trạng thái điện tử cơ bản và trạng thái kích thích.

Các con đường phân rã trạng thái kích thích

Một phân tử bị kích thích có thể thư giãn bằng cách phát ra một photon dưới dạng huỳnh quang từ trạng thái đơn hoặc lân quang từ trạng thái ba, hoặc không bức xạ thông qua chuyển đổi nội bộ (internal conversion) và chuyển đổi giữa các hệ (intersystem crossing), như được sắp xếp trong sơ đồ Jablonski.

Clinical relevance

Phổ điện tử là cơ sở của phân tích định lượng tử ngoại-khả kiến thông qua định luật Beer-Lambert, thiết kế thuốc nhuộm, sắc tố, vật liệu quang điện và phát quang, các xét nghiệm và kính hiển vi dựa trên huỳnh quang trong khoa học đời sống, và sự hiểu biết về thị giác và quang hóa học.

History

Nguyên lý Franck-Condon, được Franck xây dựng vào năm 1926 và được Condon đưa ra dạng lượng tử, đã giải thích các mẫu cường độ của phổ dải điện tử; sơ đồ Jablonski những năm 1930 về các quá trình trạng thái kích thích đã hệ thống hóa sự phát quang, và các phương pháp quang điện tử và laser hiện đại đã mở rộng lĩnh vực này sang ion hóa và động học siêu nhanh.

Key figures

• James Franck
• Edward Condon
• Aleksander Jablonski

Seminal works

• atkins2018
• hollas2004

Frequently asked questions

Tại sao một số chất có màu?

Một chất xuất hiện màu khi các chuyển đổi điện tử của nó hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến, thường là do liên hợp mở rộng hoặc chuyển đổi obitan d của kim loại làm giảm khoảng cách năng lượng; màu sắc quan sát được là màu bổ sung cho các bước sóng bị hấp thụ.

Sự khác biệt giữa huỳnh quang và lân quang là gì?

Huỳnh quang là sự phát xạ nhanh chóng từ trạng thái đơn kích thích có cùng spin với trạng thái cơ bản, trong khi lân quang là sự phát xạ chậm hơn từ trạng thái ba đạt được thông qua chuyển đổi giữa các hệ; sự thay đổi spin làm cho lân quang bị cấm và do đó có thời gian sống dài.