22.Пути дезактивац возбужд мол-л.Внутр конверсия.

Энергия возбуждения, приобретенная молекулой при поглощениии кванта света, реализуется различными путями. Прямые стрелки между уровнями - излучательные переходы, волнистые - безызлучательные. При поглощении молекулой кванта света происходит переход одного электрона с заполненного уровня (So) на один из незаполненных уровней. Молекула при этом оказывается в синглет-ном (Si, S2) электронно-возбужденном состоянии. При переходе между уровнями So, Si, S2 спины электронов не изменяются (антипараллельны). Время жизни молекул в состоянии Si составляет 10″8 - 10~9 с. За время - 10~12 с возбужденная молекула безызлучательным путем отдает избыток электронной и колебательной энергии окружающей среде. Этот процесс в спектроскопии получил название внутренней конверсии. В результате внутренней конверсии все молекулы вещества, независимо от того, в какое электронно-колебательное состояние они были переведены поглощенным фотоном, переходят на низший колебательный подуровень первого синглетного возбужденного состояния (Si). От этого состояния берут начало все последующие, конкурирующие между собой фотофизические процессы, в конечном счете приводящие к дезактивации возбужденной молекулы. Необходимым условием люминесценции является превышение вероятности излучательных переходов над вероятностью безызлучательных. Повышение вероятности безызлучательных переходов приводит к тушению люминесценции, и эта вероятность увеличивается при повышении температуры (температурное тушение), концентрации люминесцирующих молекул (концентрационное ту-шение).Люминесценция ряда биологических объектов (некоторые виды бактерий, грибов,) позволила получить информацию о процессах, происходящих в клетках на молекулярном уровне. Спектры люминесценции (испускания) - это зависимость интенсивности люминесценции образца от длины волны (частоты) измеряемого света. Интенсивность люминесценции выражается обычно в единицах энергии или в числе высвечиваемых квантов. Измерение спектров люминесценции проводят с помощью приборов, называемых спектрофлуориметрами. Регистрацию люминесценции используют для качественного и количественного анализа, а также для изучения структуры и функции биосистем различной сложности организации: от макромолекул и мембран до целых органов и организмов. В разбавленных растворах 1Л пропорциональна концентрации индивидуальных веществ, поэтому в данном случае спектры возбуждения люминесценции по форме соответствуют спектрам поглощения люминесцирующих веществ. В случае концентрированных растворов чистых веществ, т.е. при полном поглощении возбуждающего света, величина (1 - Т) - 1 и спектры возбуждения люминесценции представляют собой прямую линию, параллельную оси длин волн. Спектры возбуждения люминесценции измер в биологических исследованиях с целью установления спектра поглощения вещества, ответственного за флуоресценцию объекта в данной спектральной области. Это важно для идентификации флуоресцирующих веществ. Измерение спектров возбуждения люминесценции в сочетании с измерением спектров люминесценции - один из основных методов изучения миграции энергии возбуждения между молекулами в биообъекте. Если спектр возбуждения люминесценции полностью совпадает со спектром поглощения смеси двух веществ, то это свидетельствует о 100 %-ной эффективности миграции энергии от одного из компонентов системы к ее другому. Поглощение монохроматического света веществом описывается законом Бугера-Ламберта-Бера I = I0e- snl или I = I010- ecl, где I и I0 - интенсивности ослабленного образцом и падающего на образец монохроматического света ; l - толщина образца (см); n и c - концентрация вещества в образце, выражаемая соответственно в числе молекул на 1 см3 (1/см3) или в молях на литр (М); коэффициенты s (см2) и e [л/(моль " см)] хар-ся способность молекул исследуемого вещества поглощать свет данной длины волны и называются поперечным сечением поглощения и молярным коэффициентом поглощения соответственно. Часто спос-сть образцов поглощать свет колич-нно оценивают величиной оптической плотности D = ecl = lg (I0 / I ). Зависимость s, e или D от длины волны называют спектром поглощения .Способность поглощать свет и положение полосы поглощения определяются прежде всего тем, как связаны между собой в молекулах атомы углерода. Чем длиннее в молекуле система сопряженных двойных связей (система чередующихся двойных и одинарных связей между атомами углерода), тем в более длинноволновой области располагается спектр поглощения Меняя длину волны, можно избирательно возбуждать и фотохимически модифицировать разные биомолекулы. На этом основана избирательность действия света. Поглощение квантов рентгеновского или гамма-излучения осуществляется не молекулами , а атомами и не зависит от того, в состав каких молекул эти атомы входят. Поэтому поглощение ионизирующего излучения происходит в основном теми элементами, которых в организме больше. А так как наш организм на 80% состоит из воды, то радиохимические процессы приводят преимущественно к появлению свободных радикалов воды. По закону Бугера-Ламберта-Бера молекулы представляют собой мишени с некоторым эффективным сечением s, при попадании в которое происходит поглощ кванта света .

25. Люминесцентная спектроскопия напрямую связана с изучением электронной, энергетической структуры, анализом возбужденных состояний молекул, кристаллических решеток, наночастиц, вызванных поглощением возбуждающего излучения. Применения люминесцентной спектроскопии достаточно разнообразны - от оценки времен жизни переходных состояний и ширины запрещенной зоны полупроводников до анализа дефектной структуры, влияния размерного фактора и процессов резонансного пененоса энергии в наноматериалах.Спектры люминесценцииСпектром люминесценции называют зависимость интенсивности люминесцентного излучения от длины волны испускаемого света.. При охлаждении до сверхнизких температур сплошные спектры люминесценции органических соединений, растворенных в определенном растворителе, превращаются в квазилинейчатые. Это явление получило название эффекта Шпольского. Это ведёт к снижению предела обнаружения и повышению избирательности определений, расширению числа элементов, которые можно определять люминесцентным методом анализа.Принцип Франка — КондонаЧасть электронной энергии при поглощении и испускании света должна расходоваться на увеличение колебаний структуры, превращаться в тепло. Явление наблюдается в результате резкого изменения градиента электронной энергии около ядер при возбуждении и релаксации.Правило Стокса — ЛоммеляСпектр люминесценции, как правило, сдвинут относительно спектра поглощения в сторону длинных волн. Данное правило принято объяснять потерей некоторой части поглощённой энергии на тепловое движение молекул. Отметим, что существует антистоксовский люминофор излучающий более коротковолновое излучение чем падающее. Как правило одно и тоже вещество способно испускать излучение как в стоксовой, так и в антистоксовой областях спектра, относительно частоты возбуждающего люминесценцию излучения.Постоянство спектра люминесценцииНезависимо от способа возбуждения и длины волны возбуждающего света спектр люминесценции остается неизменным при данной температуре. Данное правило справедливо только в случае использования одной и той же возбуждаемой среды, системы регистрации излучения люминесценции. Множество разрешенных энергетических уровней в атоме/молекуле, а также множество длин волн источников возбуждения люминесценции позволяет для используемой среды получать множество спектров люминесценции в разных областях спектра и не повторяющих друг друга.Правило зеркальной симметрии ЛевшинаСпектральные линии испускания и поглощения в координатах частоты являются взаимным зеркальным отражением. Положение оси симметрии показывает энергию чисто электронного перехода. Данным свойством обладают в основном жидкие люминофоры; исследования последних лет показали, что оно может быть справедливо и для сред в иных агрегатных состояниях.Применение люминесценцииСпектральный анализ люминесценции является методом исследования полупроводников и диэлектриков. Изучение спектра, кинетики и поляризации излучения люминесценции (поляризация люминесценции связана с ориентацией и мультипольностью излучающих и поглощающих атомных систем) позволяет исследовать спектр энергетического состояния вещества, пространственную структуру молекул, процессы миграции энергии и т. д. Характер спектра излучения кристаллов зависит от очень многих факторов, от типа и концентрации дефектов, температуры, уровня возбуждения, наличия

20. спектрофотометр

Назначение

Основное назначение спектрофотометров в полиграфической отрасли — проведение точной линиаризации и калибровки процессов печати. Спектрофотометры компаний предоставляют возможность проведения точечных и автоматизированных измерений для создания высококачественных

Конструкция

На рисунках приведены две основные схемы спектрофотометров, измеряющих спектральный апертурный коэффициент отражения данного объекта относительно рабочего стандарта с известной спектральной характеристикой:

Измеряемый образец освещается белым светом. Монохроматор расположен в исходящем потоке. Для улучшения характеристик и точности измерений в современных спектрофотометрах также используются двойные монохроматоры

Измеряемый образец освещается монохроматическим светом.

Конструктивные схемы

Есть две схемы построения спектрофотометров: спектрофотометр в виде клиновидной пластинки и с применением гетеродинной схемы приема светового излучения.

В виде клиновидной пластинки

Спектрофотометр в виде клиновидной пластинки

Спектрофотометр (рис.1) выполнен в виде клиновидной пластинки, на одну из поверхностей которой нанесен тонкий, частично пропускающий слой, а на другую поверхность нанесено отражающее покрытие, частично пропускающее световое излучение.

Принцип работы спектрофотометра основан на регистрации интерференционных полос стоячей световой волны путём проецирования изображения системы интерференционных полос на фоточувствительные линейки. При этом метод обработки сигнала отличается от традиционной Фурье-спектроскопии лишь тем, что преобразованию подвергаются сигналы не временной, а пространственной частоты. Спектрофотометр обладает высокой помехоустойчивостью к некогерентному световому излучению.

Спецификация

Спектральная разрешающая способность это способность спектрофотометра измерять спектр излучения. Определяется таким образом шириной единственного интервала длин волн, в котором оценивается величина потока излучения. Обычно шаг, на который изменяется величина длины волны равен 10 нм. Что позволяет с высокой степенью точности производить измерения спектра любых излучений. Более точные спектрофотометры, применяемые для исследовательских целей, могут производить измерения спектра и в более узких интервалах равных 5 нм и 1 нм, однако точность будет являться излишней при использовании в полиграфии.

Спектральный диапазон это диапазон в пределах которого может работать спектрофотометр. Для большинства случаев в полиграфии оценивается спектр светового излучения в видимом диапазоне длин волн от 380 до 730 нм. Для некоторых случаев бывает необходимым оценить ультрафиолетовую и инфракрасную составляющую излучения. Спектрофотометры измеряют только спектр излучения. Все остальные характеристики рассматриваются по спектральным данным.

Межприборная согласованность — это разброс измеряемых значений одного и того же образца, измеряемого с помощью эталонного и исследуемого прибора.

Повторяемость определяет точность измерений, которые осуществляются теми же операторами при нескольких измерениях одинаковыми приборами одних и тех же образцов

14.световая волна, проходя через вещество, возбуждает колебания электронов. Ускоренно движущиеся электроны излучают электромагнитные волны.. Эти вторичные волны имеют ту же частоту, что и частота падающей волны. В однородной среде результат интерференции всех вторичных волн между собой и с падающей на вещество волной отличен от нуля только в одном направлении - в направлении распространения преломленной волны. Скорость распространения результирующей волны в среде становиться меньше скорости света в вакууме, так объясняется возникновение показателя преломления. Причина поглощения света, т.е. перехода энергии световой волны в тепловую энергию, следующая. Атомы вещества, внутри которых происходят вызванные световой волной колебания электронов, участвуют в хаотическом тепловом движении и сталкиваются друг с другом. При каждом столкновении энергия колебательного движения электронов переходит в энергию теплового движения атомов - происходит поглощение света. Работа в поле тяготения. Потенциал поля тяготения Определим работу, совершаемую силами поля тяготения при перемещении в нем материальной точки массой т. Вычислим, например, какую надо затратить работу для удаления тела массой т от Земли. Закон БугераКак показывает опыт интенсивность света при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону:

.

Здесь I₀ - интенсивность света на входе в поглощающий слой вещества толщиной x,

α - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны (частоты) света.

Величина α, в соответствии с законом Бугера, не должна зависеть от интенсивности света. Это утверждение справедливо для очень широкого диапазона изменения интенсивности (примерно в 10²⁰ раз), С. И. Вавилов экспериментально показал, что при больших интенсивностях для специально выбранных веществ коэффициент поглощения αуменьшается с ростом интенсивности. Происходит это потому, что для своих опытов Вавилов выбирал вещества у которых молекулы могут сравнительно долго (значительно больше, чем 10^-8 с.) находится в возбужденном состоянии, в котором они не могут поглощать энергию от световой волны. В этом случае закон Бугера нарушается.ВРАЩАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ, молекулярные спектры, обусловленные квантовыми переходами между дискретными вращат. энергетич. состояниями молекул. Наряду с колебательными спектрами и электронными спектрами возникают в результате взаимод. молекул с электромагн. излучением. Вращательные спектры экспериментально наблюдаются для достаточно легких молекул в-в в газовой фазе в длинноволновом ИК и микроволновом диапазонах, а также методом спектроскопии комбинац. рассеяния (КР) . При изменении электронного и колебат. состояний молекул всегда меняются и вращат. состояния, что приводит к появлению т. наз. вращательной структуры электронных и колебат. спектров в УФ-, ИК-областях и в колебательно-вращат. спектрах КР. Вращательные спектры высоко индивидуальны, что позволяет по неск. линиям отождествлять конкретные молекулы (конформации, изотопные разновидности и т.п.). Именно по вращательным спектрам открыто существование своб. молекул в межзвездном пространстве. По тонкой структуре вращательных спектров, вызванной колебательно-вращат. взаимод., можно определять потенциальные ф-ции внутр. вращения, инверсионного и др. типов внутримол. движений с большими амплитудами (см. Нежесткие молекулы). Совр. техника (двойной оптико-микроволновой резонанс с использованием лазеров) позволяет наблюдать чисто вращат. переходы в высоковозбужденных (электронных и колебательных) состояниях молекул, т.е. изучать по вращательным спектрам св-ва молекул в этих состояниях. Исследование параметров спектральных линий (уширение, сдвиг частоты) дает сведения о межмолекулярных взаимодействиях.

При наложении внешнего электрич. или магн. поля происходит расщепление вращат. уровней энергии молекул; соотв. усложняются правила отбора и вращательных спектров. Появляется возможность получения дополнит. информации, в частности об электрич. дипольных и квадрупольных моментах, магн. моментах и анизотропии магн. восприимчивости молекул. Вращательные спектры парамагнитных молекул можно наблюдать избирательно в смеси с др. молекулами.

Определяемые из вращательных спектров молекулярные постоянные позволяют найти вращат. сумму (сумму по состояниям) Q_вр - одну из главных составляющих полной суммы по состояниям, к-рая необходима для расчета термодинамич. ф-ций в-в и констан равновесия хим. р-ций в газовой фазе (см. Статистическая термодинамика).

Спектрометры высокого разрешения позволяют измерять очень тонкие расщепления вращательных спектров молекул и определять молекулярные параметры с высокой точностью. Так, длины связей находят по вращательным спектрам с точностью до тысячных долей нм, валентные углы - до десятых градуса. Микроволновая спектроскопия наряду с газовой электронографией — осн. метод изучения геометрии молекул. Все шире применяется для этих целей также лазерная КР-спектроскопия и Фурье-спектроскопия.

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ, мол. спектры, обусловленные квантовыми переходами между колебат. уровнями энергии молекул. Экспериментально наблюдаются как ИК спектры поглощения и спектры комбинац. рассеяния (КР); диапазон волновых чисел ~10-4000 см^-1 (частоты колебат. переходов 3^.10¹¹-10¹⁴ Гц). Колебат. уровни энергии определяются квантованием колебат. движения атомных ядер. Двухатомные молекулы. В простейшем случае двухатомную молекулу представляют моделью двух взаимодействующих точечных масс m₁ и m₂ с равновесным расстоянием r_е между ними (длина связи), а колебат. движение ядер считается гармоническим и описывается единств, координатой q=r-r_e, где r - текущее межъядерное расстояние. Зависимость потенциальной энергии колебат. движения V от q определяют в приближении гармонич. осциллятора [колеблющаяся материальная точка с приведенной массой =m₁m₂/(m₁+m₂)] как ф-цию V=^l/₂(K_eq²), где К_е=(d²V/dq²)_q=0 - гармонич. силовая постоянная.

Интерпретация и применение. Колебательные спектры многоатомных молекул отличаются высокой специфичностью и представляют сложную картину, хотя общее число экспериментально наблюдаемых полос м. б. существенно меньше возможного их числа, теоретически отвечающего предсказываемому набору уровней. Обычно осн. частотам соответствуют более интенсивные полосы в колебательных спектрах. Правила отбора и вероятность переходов в ИК и КР спектрах различны, т.к. связаны соотв. с изменениями электрич. дипольного момента и поляризуемости молекулы при каждом нормальном колебании. Поэтому появление и интенсивность полос в ИК и КР спектрах по-разному зависит от типа симметрии колебаний (отношения конфигураций молекулы, возникающих в результате колебаний ядер, к операциям симметрии, характеризующим ее равновесную конфигурацию). Нек-рые из полос колебательных спектров могут наблюдаться только в ИК или только в КР спектре, другие - с разной интенсивностью в обоих спектрах, а нек-рые вообще экспериментально не наблюдаются. Так, для молекул, не обладающих симметрией или имеющих низкую симметрию без центра инверсии, все осн. частоты наблюдаются с разной интенсивностью в обоих спектрах, у молекул с центром инверсии ни одна из наблюдаемых частот не повторяется в ИК и КР спектрах (правило альтернативного запрета); нек-рые из частот могут отсутствовать в обоих спектрах. Поэтому важнейшее из применений колебательных спектров - определение симметрии молекулы из сопоставления ИК и КР спектров, наряду с использованием др. эксперим. данных. Задаваясь моделями молекулы с разной симметрией, можно заранее теоретически рассчитать для каждой из моделей, сколько частот в ИК и КР спектрах должно наблюдаться, и на основании сопоставления с эксперим. данными сделать соответствующий выбор модели. Хотя каждое нормальное колебание, по определению, является колебат. движением всей молекулы, нек-рые из них, особенно у больших молекул, могут более всего затрагивать лишь к.-л. фрагмент молекулы. Амплитуды смещения ядер, не входящих в этот фрагмент, при таком нормальном колебании очень малы. Па этом основана широко используемая в структурно-аналит. исследованиях концепция т. наз. групповых, или характеристических, частот: определенные функц. группы или фрагменты, повторяющиеся в молекулах разл. соед., характеризуются примерно одними и теми же частотами в колебательных спектрах, по к-рым м.б. установлено их присутствие в молекуле данного в-ва (правда, не всегда с одинаково высокой степенью достоверности). Напр., для карбонильной группы характерна очень интенсивная полоса в ИК спектре поглощения в области ~1700(b50) см^-1, относящаяся к валентному колебанию С=О. Отсутствие полос поглощения в данной области спектра доказывает, что в молекуле исследуемого в-ва группы С=О нет. В то же время наличие к.-л. полос в указанной области еще не является однозначным доказательством присутствия в молекуле карбонильной группы, т.к. в этой области могут случайно оказаться частоты других колебаний молекулы. Поэтому структурный анализ и определение конформаций по колебат. частотам функц. групп должны опираться на неск. характеристич. частот, а предполагемая структура молекулы должна подтверждаться данными др. методов (см. Структурная химия). Существуют справочники, содержащие многочисл. структурно-спектральные корреляции; имеются также банки данных и соответствующие программы для информационно-поисковых систем и структурно-аналит. исследований с использованием ЭВМ. Правильной интерпретации колебательных спектров помогает изотопич. замещение атомов, приводящее к изменению колебат. частот. Так, замена водорода на дейтерий приводит к уменьшению частоты валентного колебания X—Н примерно в 1,4 раза. При изотопич. замещении силовые постоянные молекулы К_е сохраняются. Существует ряд изотопич. правил, позволяющих относить наблюдаемые колебат. частоты к тому или иному типу симметрии колебаний, функц. группам и т.д. Модельные расчеты колебательных спектров (частот и интенсивностей полос) при заданных силовых постоянных, к-рые используют для определения структуры молекул, составляют прямую задачу колебат. спектроскопии. Необходимые для этого силовые постоянные и т. наз. электрооптич. параметры (дипольные момент связей, компоненты тензора поляризуемости и др.) переносят из исследований близких по структуре молекул или получают решением обратной задачи, заключающейся в определении наборов силовых постоянных и электрооптич. параметров многоатомных молекул по наблюдаемым колебат. частотам, интенсивностям и др. эксперим. данным. Определение наборов фундаментальных частот колебательных спектров необходимо для вычисления колебат. вкладов в термодинамич. ф-ции в-в. Эти данные используются в расчетах хим. равновесий и для моделирования технол. процессов. Колебательные спектры позволяют изучать не только внутримол. динамику, но и межмолекулярные взаимодействия. Из них получают данные о пов-стях потенциальной энергии, внутр. вращении молекул, движениях атомов с большими амплитудами. По колебательным спектрам исследуют ассоциацию молекул и структуру комплексов разл. природы. Колебательные спектры зависят от агрегатного состояния в-ва, что позволяет получать информацию о структуре разл. конденсир. фаз