Spektroskopia dla (nie) kompletnie zielonych #9 Energie: Energia elektronowa
W wielu kulturach Tęcza na ogół oznacza coś pozytywnego, zakończenie okresu niepokoju - burzy, na jej końcu miał się znajdować karzeł z garnkiem złota. Oczywiście nikt tego złota nie znalazł ponieważ Tęcza nie ma końca. Jest to tylko złudzenie któremu ulegamy, takie samo jakiemu ulegają ci którzy oddają pozytywne głosy na posty z tej serii. Jeśli jesteś tutaj pierwszy raz, polecam zamknąć tę kartę póki nie wyrządziła Ci jeszcze żadnej krzywdy. Kolejne akapity czytasz na własną odpowiedzialność. Jeśli jednak spotykasz się z moją do bólu nudną opowieścią po raz kolejny, cóż zniechęcanie Cię chyba nie przyniesie efektu... Przypomnę jedynie, jeśli jednak chcesz zagłębić się w tą nieprzyjemną historię, zalecam lekturę poprzednich części ponieważ ta jest najgorsza, a będzie jeszcze gorzej.
Ostatnio opowiedzieliśmy sobie o energii oscylacyjnej, teraz zajmiemy się energią elektronów. Polecam przypomnieć sobie jak zbudowane jest jądro atomowe oraz Termy. Na początek spróbujmy sobie wyobrazić jakiś związek. Niech będzie on 2 atomowy aby było łatwiej.
Czyli wyobrażamy sobie 2 kulki połączone patykiem.
Model związku chemicznego Kasztaniak
Związek ten lata gdzieś w przestrzeni wykorzystując energię translacji czyli nasz Kasztaniak lata sobie po naszym pokoju, zderza się ze ścianami i innymi przeszkodami.
Dodatkowo jego atomy rotują wokół siebie, czyli jednocześnie kręci głową okręgi i wykonuje taniec brzucha.
Żeby było ciekawiej, to oprócz tego, że lata i rotuje wokół siebie, to jeszcze długości wiązań między atomami zmieniają się, tak samo jak kąty. Czy Kasztaniak bardzo mocno wyciąga głowę, a następnie chowa zbliża ją do korpusu, łamie się w pół, robi brzuszki, a to wszystko podczas kręcenia się i latania po pokoju.
Chaos.
A teraz spróbujcie sobie wyobrazić (o ile już nie odpadliście), że wokół Kasztaniaka latają jeszcze małe kasztany, a każdy z nich oddala się i przybliża do wykonującego Breakdance Kasztaniaka.
No dobra, i my dziś się zajmiemy własnie tymi kasztanami wokół Kasztaniaka, czyli elektronami.
Na początek, jakie energie posiadają elektrony? Otóż mają one energię kinetyczną (bo latają wokół jądra) i energię potencjalną bo są zarówno przyciągane przez jądro jak i odpychane przez inne elektrony. Wykonują one coś na wzór ruchów oscylacyjnych, ale nie jest to dobre słowo.
Elektrony walencyjne (bo nimi będziemy się głównie zajmować) są pobudzane na skutek padających fotonów i mogą osiągnąć stan wzbudzony (Patrz: Termy) Można je przyrównać do wsi które żyją własnym życiem, na które jednak ma wpływ stan w jakim znajduje się państwo (atom). Jest to bardzo ważne na przykład w kontekście rozpatrywania przejść gdzie czasami jedne są bardziej prawdopodobne od drugich w zależności, co się dzieje z atomami.
Jako, że elektrony są znacznie mniejsze od atomów, to podświadomie czujemy, że zmiany w nich będą szybsze. I rzeczywiście są. W porównaniu do elektronów, jądra są wolne jak ślimak. Elektron zdąży wielokrotnie zmienić swój stan zanim jądro poruszy się na jakąś znaczącą odległość. Stąd możemy uznać, ze dla elektronów jądra są nieruchome.
Mówi o tym zasada Francka-Condona w swojej pierwszej części, druga zaś odnosi się do prawdopodobieństwa przejścia i wynika niejako z pierwszej.
Widzimy tutaj dwie krzywe energii. Dolna krzywa, reprezentuje stany niewzbudzone. Górna natomiast stany wzbudzone. Jako, że rozpatrujemy jądra jako nieruchome obiekty, strzałki są proste. Przejście następuje na ten poziom, gdzie wykresy najbardziej się nakładają. tutaj poziomowi 0 niewzbudzonemu najlepiej odpowiada poziom 2 wzbudzony, a wzbudzonemu 0, poziom 2 niewzbudzony. Oczywiście przejście może nastąpić z innego poziomu na inny, ale jest ono mniej prawdopodobne, co ma odzwierciedlenie w intensywności - Im bardziej prawdopodobne przejście tym pasmo bardziej intensywne. Widać to na poniższej ilustracji:
W przypadku przejść, nie jest tak prosto. Nadrzędną zasadą jest to aby energia fotonu była równa przerwie energetycznej. To jednak nie wystarcza. Przejście musi być jeszcze prawdopodobne. Te najczęstsze zachodzą pomiędzy podobnymi stanami tzn. Singlet - Singlet, Dublet - Dublet, Tryplet - Tryplet. Oczywiście teoretycznie te przejścia będą najbardziej intensywne, ale będzie można często zaobserwować np. Singlet - Tryplet, z mniejszą intensywnością. Ale i tutaj może zajść wyjątek ponieważ w wyniku ruchów jąder, może zmienić się moment dipolowy i takie pasmo będzie miało dobrą intensywność chociaż będzie wzbronione.
Teraz wróćmy do tego obrazka:
Widzimy tutaj obsadzenie i możliwe przejścia z różnych poziomów? Dlaczego tak jest, w poprzednich przypadkach mieliśmy do czynienia raczej z jednym stanem podstawowym i kilkoma wzbudzonymi, cóż tutaj pojawia się coraz więcej obsadzeń, ba obsadzeń na wyższych poziomach, które są stabilne! Wszystko to za sprawą rozkładu Boltzmanna. Głosi on, że w temperaturze pokojowej mogą być zajmowane różne stany zgodnie z prawdopodobieństwem. Jako, że dla jednej molekuły prawdopodobieństwa zajmowania wyższych stanów przez elektrony będzie małe - można je w zasadzie pominąć, ale w przypadku całych zbiorów molekuł, jak ma to miejsce w przyrodzie - zachodzi prawo dużych liczb, więc i te mniej prawdopodobne stany mają swoje odzwierciedlenie.
Czynnikiem regulującym rozkład jest temperatura - im wyższa, tym bardziej równomierny rozkład. Drugim czynnikiem jest energia poziomu, jak można się domyślić, im jest większa tym mniej cząstek znajdzie się w danym stanie. Ale i od tego jest wyjątek (a jakże!) Jeśli poziom jest wyższy, ale zdegenerowany, to prawdopodobne jest znalezienie na nim więcej cząstek niż na niższych.
Zasada ta ma swoje zastosowanie w np. Spektroskopii EPR, ale też przy termodynamice gazów czy nawet ekonomii. Dla chemików jest to rzecz którą warto znać - że coś takiego jest.
No dobrze, ale na początku była tęcza, a ja nic o niej, no tak, to będzie temat na kolejny odcinek w którym zajmiemy się istotnym z punktu widzenia chemików - zjawiskiem absorpcji i transmisji. Dodatkowo rozpoczniemy już faktyczne wykorzystanie spektroskopii i tego czego się tutaj nauczyliśmy. To by było na tyle.
Źródła:
Podstawy spektroskopii molekularnej Z. Kęcki PWN Wydanie 3
http://www.edupedia.pl/words/index/show/543034_slownik_chemiczny-energia_elektronowa.html
http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/fizyka/c_od_atomu_do_atomu/fizyka/energia_elektronu/energia_elektronu.html
https://zapytajfizyka.fuw.edu.pl/pytania/co-oznacza-ze-energia-elektronow-w-atomie-jest-skwantowana/
https://www.edukator.pl/fizyka-atomu-i-jadra-atomowego,1416.html
Jestem ciekawy czy w Twojej serii pojawią się artykuły o zastosowaniu spektroskopii. A jeśli tak to czy będzie na przykład o spektroskopii wykonywanej w kosmosie - urządzeniach na sondach eksploracyjnych, łazikach marsjańskich.
Spektroskopia kojarzy mi się z kosmosem dlatego, że jako uczeń czytający o łaziku Curiosity, musiałem dowiedzieć się co ten termin oznacza. :)
Zastosowanie spektro będzie z pewnością, przy omawianiu poszczególnych rodzajów. Generalnie spektroskopia ma wiele zastosowań, aczkolwiek ich popularność jest zależna od potrzeb i kosztów. Najpopularniejsza jest chyba spektrofotometria z uwagi na niski koszt aparatury i prostotę badania.