báo cáo môn vật lý phát quang chuyên ngành quang – quang phổ

BÁO CÁO MÔN VẬT LÝ
PHÁT QUANG
Học viên: Thái Ngọc Ánh
Chuyên ngành Quang – Quang Phổ
Thời gian báo cáo: 30 phút
NGUỒN GỐC CỦA SỰ PHÁT
QUANG HỮU CƠ
1. Các liên kết cơ bản trong chất hữu cơ
2. Các quá trình phát quang
3. Quan sát thực nghiệm
3.1 Phổ hấp thụ
3.2 Phổ phát xạ
3.3 Phổ kích thích
3.4 Thời gian sống và các thông số tốc độ
3.5 Hiệu suất lượng tử và các hiệu suất
1. Các liên kết cơ bản trong chất
hữu cơ
Cấu hình các bon thường 1S
2
2S
2
2p
2
Cấu hình các bon chuẩn bị liên kết 1S
2
2S
1
2p
3
(một e từ quỹ đạo 2s
nhãy lên quỹ đạo 2p)

Đê giải thích cho sự hình thành liên kết J. Slater và Pau – Linh
dùng thuyết lai hoá giữa các obitan
Sự lai hoá obitan nguyên tử là sự tổ hợp “trộn lẫn” một số
obitan trong một nguyên tử để được từng ấy obitan lai hoá
giống nhau nhưng định hướng khác nhau trong không gian.
Các kiểu lai hóa thường gặp
Lai hoá sp
3
là tổ hợp 1 obitan s và 3 obitan p của một
nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 4 obitan lai hoá sp
3

định hướng từ tâm đến 4 đỉnh của hình tứ diện đều
Lai hoá sp
3
dùng để giải thích
cho CH
4
và các hyđro – các
bon no. Đặc biệt trong dãy
ankan hay là các parafin
Lai hoá sp
2
Lai hoá sp
2
là sự tổ hợp 1 obitan s và 2 obitan p của
nguyên tử các bon tham gia liên kết tạo thành 3 obitan
lai hoá sp
2
nằm trong một mặt phẳng, định hướng từ

tâm đến đỉnh của tam giác đều.
Lai ho
á
sp
Lai hoá sp là sự tổ hợp 1 obitan s với 1
obitan p của nguyên tử các bon tham gia
liên kết tạo thành hai obitan lai hoá sp
nằm thẳng hàng nhau hướng về hai phía,
đối xứng nhau.
Liên kết  và liên kết 
Liên kết  tạo thành do sự xen
phủ trong đó trục của các
obitan tham gia liên kết trùng
với đường nối tâm của hai
nguyên tử liên kết (sự xen
phủ trục)
Liên kết  tạo thành do sự xen
phủ trong đó trục các obitan
tham gia liên kết song song với
nhau và vuông góc với đường
nối tâm của hai nguyên tử tham
gia liên kết (sự xen phủ bên)
Chẳng hạn
2. Quá trình phát quang
• Phát quang có thể sinh ra từ các trạng thái đơn S
1
, S
2
,

S
3
,… Tuy nhiên, thường thì phát quang xảy ra với S
1.
• Thời gian sống S
1
cở 10
-9
s, trong khi đó chu kì dao
động phân tử 10
-12
s, phân tử cân bằng nhiệt động trước
khi phát quang. Đối với phân tử đã cho phổ phát xạ thì
thời gian huỳnh quang và hiệu suất huỳnh quang
lượng tử không phụ thuộc vào trạng thái kích thích ban
đầu.
• Quá trình dịch chuyển không phát xạ đống vai trò
quan trọng trong quá trình phát quang trong phân tử
chất hữu cơ. Quá trình không bức xạ gồm quá trình
dịch chuyển bên trong(internal conversion) và quá trình
truyền qua (intersystem crossing)
• Sự dịch chuyển giữa trạng thái đơn và trạng thái ba
thường bị cấm do quy tắc chon lọc, tuy nhiên vẫn
còn một hằng số tốc độ hữu hạn cho sự truyền qua từ
trạng thái đơn kích thích đến trạng thái ba kích thích
thấp nhất T
1
.
• quá trình truyền qua (intersystem crossing) là sự
dịch chuyển không bức xạ từ trạng thái đơn đến

trạng thái ba và ngược lại.
• Hằng số tốc độ đối với sự truyền qua và quá trình
dịch chuyển bên trong làm giảm sự tăng độ rộng
vùng cấm. đối với dịch chuyển S
2
và S
1
và S
3
và
S
2
là rất lớn so với dịch chuyển bên trong của S
1
và
S
0
huỳnh quang tuân theo giữa S
1
và S
0
, không
tuân theo giữa S
3
và S
2
hay S
2
và S
1

• Hằng số tốc độ của sự truyền qua là lớn nếu
vùng cấm giữa trạng thái đơn và trạng thái
ba là nhỏhằng số tốc độ S
2
và T
3
lớn hơn
S
2
và T
2
.
• Các dịch chuyển bên trong làm cho điện tử
nhanh chống về T
1
. Dịch chuyển huỳnh
quang T
1
và S
0
sẽ cạnh tranh với dịch
chuyển bên trong từ T
1
về S
0
.
S
1
S
0

Huỳnh quang k
FM
k
1M
S
1
 S
0
Dịch chuyển bên trong k
GM
S
1
 T
1
Truyền qua giữa các hệ thống k
TM
T
1
 S
0
Lân quang k
PT
T
1
 S
0
Truyền qua giữa các kệ thống k
GT
Các thông số tốc độ
• Phát xạ lân quang của ánh sáng cũng xảy ra.

Phát xạ lân quang cũng có ý nghĩa quan trọng
trong phát quang hữu cơ vì nó cũng bao gồm
phổ phát xạ khác nhau trong vùng bước sóng
dài hơn so với quá trình huỳnh quang tương
ứng
• Một loại phát quang kéo dài nữa đó là sự
huỳnh quang kéo dài (delayed fluorescence).
• Hai kiểu để giải thích cho huỳnh quang kéo
dài
3. Quan sát thực nghiệm
• 3.1 Phổ hấp thụ (absorption spectra)
• 3.2 Phổ phát xạ (emission spectra)
• 3.3 Phổ kích thích (excitation spectra)
• 3.4 Thời gian sống và các thông số tốc độ
(lifetimes and rate parameters)
• 3.5 Hiệu suất lượng tử và các hiệu suất
(quantum efficiency and yields)
Ánh sáng truyền qua vật liệu
• Ta có
t
I
I
cd
0
lg
1


3.1 Phổ hấp thụ
• Hệ thức Einstein

• Trong một phân tử thì phải kể đến năng
lượng do dao động và năng lượng quay nên
hệ thức trên viết đầy đủ là
12
EE
hc
h 


rotvibe
EEEh







Phổ hấp thụ thường được vẽ hiệu suất tắt
dần  theo tần số , bước sóng , hoặc số
sóng
Các mức năng lượng dao động của S1 và S0
trong phổ hấp thụ và phát xạ
3.2 Phổ phát xạ
• Phổ phát xạ là đường cong biểu diễn năng lượng
phát ra theo bước sóng hoặc tần số của bức xạ đó.
3.3 Phổ kích thích
Phổ kích thích là khảo sát cường độ bức xạ phát ra
theo tần số hoặc bước sóng của ánh sáng kích thích
. Fluorescence excitation spectrum of the E-isomer of I in

methanol [
em
= 420 nm (black), 450 nm (red), 480 nm (blue),
540 nm (green)].
Đối với hầu hết chất hữu cơ hiệu suất lượng tử không đổi đối với
bước sóng kích thích.
Đối với nhiều phân tử như benzen, toluen, … với dung dịch đậm
đặc hấp thụ hầu hết ánh sáng tới, điều này có lợi cho việc nghiên
cứu các chuyển dời không bức xạ.
A
D


Với dung dịch loảng thì cường độ lượng tử I
I=I
0
(1-10
- c d
) q = I
o
2.3  cd q với  cd <<1
Cường độ lượng tử đo được  giới hạn bởi độ nhạy của phổ huỳnh
quang và phụ thuộc vào cường độ của nguồn kích thích.
Phép trắc phổ trên cũng dùng để xác định hiệu suất lượng tử
của năng lượng truyền qua giữa phân tử donor và acceptor.
Quan sát hiệu suất phát quang donor, 
D
khi donor được kích
thích và hiệu suất 
A

khi acceptor kích thích trực tiếp thì hiệu
suất truyền năng lượng là
3.4 Thời gian sống và các hằng số tốc độ
n là chiết suất môi trường
Là hệ số tắt
được liên hệ với số sóng trung bình của
phổ huỳnh quang
Xác suất dịch chuyển phát xạ tự phát được biểu diễn bởi Einstein
đối với trạng thái kích thích tỉ lệ với xác suất hấp thụ tương ứng.
Xác suất trên một đơn vị thời gian k
FM
, một điện tử trong trạng
thái kích thích sẽ nhãy xuống trạng thái cơ bản, có thể suy ra từ
phổ hấp thụ nếu bước sóng trung bình của phổ phát xạ và quan hệ
đối xứng gương.








~
~
)
~
(
~
1088,2

1329
d
nk
avFM
)
~
(






3
13
~
~
)
~
(
~
)
~
(
~






d
F
dF
M
M
av
Năm 1963, Birks và Dyson đã đề xuất thay
n
a
là chiết suất đối với ánh sáng hấp thụ
n
t
là chiết suất đối với ánh sáng phát xạ
Thời gian huỳnh quang quan sát được  sẽ phụ thuộc vào sự
cạnh tranh giữa quá trình phát xạ và không phát xạ. Nếu k
IM
là tổng các thông số tốc độ không bức xạ với quá trình dịch
chuyển bên trong là k
GM
và quá trình truyền qua là k
TM
từ
trạng thái kích thích thấp nhất thì xác suất toàn phần đối với
dịch chuyển giữa S
1
và S
0
là
1
FM IM

k k


