光致激发的后果

的化学性质分子主要是描述的行为吗电子。的一个重要方面量子力学是一个分子的总能量的电子(电子能源)只能承担某些不同的值;的能量是量子化的。每个不同的能量对应于分子的电子态。电子状态是由一系列的描述量子数字和指定每个电子轨道内在”自旋“每一个电子。电子的自旋,这并不对应于旋转,只有两种可能的values-referred上下。每一个轨道只能包含一个电子的自旋;这就是所谓的泡利不相容原理。如果每个占领(或electron-containing)轨道拥有一对互相对立的电子自旋,在一个分子单重态的模式基态大多数分子。当分子激动(例如,通过吸收光子),一个电子是晋升为此前未被轨道,并且,如果它的自旋不改变,那么这两个电子(现在未配对)仍有反对旋转和单重态分子仍在。然而,偶尔一个电子的自旋翻转兴奋时,两个未配对电子现在有平行旋转和分子三重态。改变固有的电子自旋不太可能的,所以从单线态三联体或转换的分子反之亦然缓慢与其他分子的过程。

的内部能量从令人兴奋的辐射吸收输了辐射过渡(荧光或磷光)或非辐射的过程。非辐射的过程是内部转换,包括电子态相同的电子自旋,系统穿越,其中包括国家不同的电子自旋,或化学。

值得注意的是,除了电子,原子核的行为也是很重要的在描述分子的行为。运动原子核的通常描述为相对于彼此振动,正如电子能量分子的总振动能量是量子化的。然而,一个分子的振动状态比电子能态间隔的更为紧密。因此,一个分子的总能量是粗的电子状态和更精细的振动状态。其他类型的能源和更精细的状态存在,但不是这里讨论。

量子力学解释了内部转换为电子过剩的能量转移到过量的振动能量较低的电子状态,紧随其后耗散振动能量向周围环境的热量。较高的兴奋单线态状态(年代₂,年代₃等等,通常一般表示_n)内部迅速转换为S₁,最低的激发态能量。内转换的年代₁到S₀,最低(或地面)状态,分子是慢得多,允许时间发出光子(荧光)、系统间交叉三重态内部迅速转换到T₁(最低三重态),或进行化学反应。T₁可以在内部转换为S水平₀,发出一个光子(磷光),或者参加一个化学反应。这种方法访问三联体州(系统穿越从年代₁)是最常见的,虽然他们也可以达到通过一个极度疲弱(不可能)直接从基态吸收三胞胎。因为未配对电子的三联体州(平行旋转)更强烈的互动单线态状态(反对旋转),能量差T₁−年代₀小于年代₁−年代₀,磷光发生在长波长比荧光。同时,旋转变化的低概率的长寿的自然结果磷光观察到Cellini在1568年或在黑暗中可以发光的产品常见的今天。因为内部转换从年代迅速,荧光通常只发生吗₁(这就是所谓的麦粥的规则),虽然少数分子知道发出的年代₂(甘菊环)或年代₃(pentalene)状态。

都是单线态和三线态激发态在本质上是不同的,全新的属性,包括键长和构象(分子几何或形状),等等。因为电子比原子核的质量要小得多,吸收的光几乎涉及一个瞬时的变化电子构型最初,而核留在他们极化子的位置。放松的核向新的激发态位置降低了总能量。这个放松,叫做斯托克斯位移就是为什么荧光发出比原来的低能量吸收。值得注意的是,这种放松发生在单个电子态,因此适用于吸收和荧光涉及的年代₁和S₀州。

的量子产率发光、荧光或磷光的分数是吸收辐射出现发光。量子收益率不到100%由于非辐射的过程(例如,内部转换),消除多余的内部能量吸收光子的收购。这种能量以热能的形式出现。

所有这些事件发生在一个广泛的时代,其中大部分是由人类标准非常快。内部多余的振动能量的转换和传递环境发生在30 - 300飞秒(fs;1 fs是10⁻¹⁵秒)。的年代₁国家通常存在1 - 100纳秒(ns;1 ns是10⁻⁹第二个),但如果发生光化学,它可以存在低于100 fs。系统交叉(S₁T_n)100年发生在皮秒(ps;1 ps是10⁻¹²二)到100 ns。T₁相比之下,国家辐射在1毫秒(女士;1是变换第二女士)10秒,在极端情况下,甚至更长。

解开这些流程需要观察吸收和的进化发射随着时间的推移光谱。激动的单线态和三联体国家也可以吸收辐射,达到更高的兴奋电子水平。一般来说,这种瞬态吸收光谱与基态的吸收不同,使监测时间演化的激发态。这是通过一个光脉冲序列:首先一个强烈的辐射脉冲,产生一种兴奋的单重态,过一段时间后,弱脉冲以不同的波长或波长范围,探讨了瞬态吸收。这种类型的早期的实验都是在1940年代由英国化学家R.G.W.诺里什和乔治·波特爵士被授予诺贝尔奖1967年化学奖。被称为闪光光解这些实验使用闪光的灯提供短(毫秒微秒)的光脉冲,并经常用于光解研究(见下文光离解)。现代实验研究通过使用所有类型的光化学反应激光,它允许用时间测量分辨率10 fs。除了相应的方法与荧光和磷光,现代技术有时使用几个光脉冲来获得更详细的信息关于激发态的分子和他们的交互与周围蛋白质或溶剂。

发光

发光的发射光的某些材料相对凉爽的时候。发光的例子中发现自然和人造系统。水母发出绿色荧光蛋白的发光绿色荧光蛋白(GFP),兴奋通过化学反应(见下文化学发光)。绿色荧光蛋白的基因序列可以插入DNA的有机体,从而带来一个新的属性,发出绿色荧光的能力。例如,GFP基因可以插入鼠标DNA相邻肝细胞癌变的基因。这样一个鼠标辐射的绿色荧光癌变肝脏。蛋白GFP中发现了类似珊瑚发出的蓝色、黄色和红色荧光,为探索提供一个丰富的颜色的功能细胞。

有许多发光的工业需求。工程师测量空气压力在各方面的表面模型航天飞机通过使用磷光油漆。油漆的荧光粉是兴奋,最终达到他们的T₁州,他们可以发出磷光和被观察到。在高压地区,氧气在接受T₁从激动的油漆分子(电子能量见下文光敏作用),缩短他们的寿命和减少数量的磷光。领域的磷光分子的生命周期更长低压因为有油漆中含氧量较少。使用这种特殊的油漆不需要费力安装压力传感器,也是汽车和航空行业使用。

材料科学为显示屏使用荧光粉。通过结合所有可能的金属混合物氧化物,创建大量的不同颜色的荧光粉。荧光体被添加到纸和洗衣粉增强洁白的外观通过吸收紫外线,然后荧光蓝色。