- •Физический факультет Кафедра лазерной физики и спектроскопии
- •Введение в люминесценцию. Краткое теоретическое пособие к лабораторному практикуму
- •1. Основные понятия и классификация
- •Явлений люминесценции
- •2. Спектры поглощения и испускания сложных молекул
- •Образование спектров поглощения и испускания. Закон Стокса-Ломмеля
- •Независимость спектров флуоресценции от частоты возбуждающего света
- •3. Кинетика затухания и время жизни люминесценции
- •4. Квантовый выход люминесценции
- •5. Поляризация люминесценции
- •6. Перенос энергии электронного возбуждения
- •Методические указания и задания к лабораторным работам
- •Аппаратура для люминесцентных измерений
- •Лабораторная работа № 1. Изучение спектров поглощения и люминесценции сложных молекул
- •Лабораторная работа № 2. Изучение законов затухания люминесценции
- •Лабораторная работа № 3. Измерение квантового выхода люминесценции
- •Лабораторная работа № 4 изчение тушения люминесценции
- •Лабораторная работа № 5 изучение поляризованной люминесценции
- •Лабораторная работа № 6 изучение переноса энергии электронного возбуждения в молекулярных системах
- •Лабораторная работа № 7 изучение зависимостей спектров люминесценции от экспериментальных условий
- •Основная и дополнительная литература Основна
6. Перенос энергии электронного возбуждения
Энергия электронного возбуждения, первоначально локализованная на одной молекуле, может при определенных условиях переходить на соседнюю молекулу безызлучательным путем. Из опыта известно, что в определенных условиях эффективный перенос энергии имеет место при концентрациях, соответствующих средним расстояниям между молекулами в 50-100 Å.
Первая попытка теоретического объяснения процесса была предпринята Перреном в 1927 г. Рассмотрение базировалось на классических представлениях о резонансе диполей (откуда и название механизма – «индуктивно-резонансный»), а приведенные в нем расстояния переноса были порядка 1000 Å, что не соответствует опыту.
Ферстер на основе
квантово-механического рассмотрения
связал вероятность диполь-дипольного
переноса по индуктивно-резонансному
механизму со спектральными характеристиками
молекул и получил для вероятности
переноса
следующее
выражение:
. (6.1)
Здесь R
расстояние между молекулами донора и
акцептора, N
– число Авогадро,
-
показатель преломления среды,
-
время жизни донора (излучательное),
- угловой фактор.
,
где
- угол между направлениями дипольных
моментов переходов донора и акцептора;
и
- углы между линией, соединяющей молекулы
и
направлениями моментов переходов в
доноре и акцепторе, соответственно.
Кроме того, в выражение входит интеграл
перекрытия спектра флуоресценции донора
со спектром поглощения акцептора
.
Удобной для оценки
эффективности переноса является
величина расстояния, на котором
вероятность переноса равна вероятности
спонтанной дезактивации донора, т.е.
.
Учитывая, что
,
где
-
квантовый выход донора в отсутствие
акцептора, получаем
, (6.2)
где
.
(6.3)
Таким образом, критическое расстояние (и вероятность переноса) зависит от перекрытия спектра флуоресценции донора и спектра поглощения акцептора. В связи с этим перенос энергии возможен как между разнотипными молекулами при условии перекрытия спектров (гетероперенос), так и между одинаковыми молекулами (гомоперенос), поскольку спектры флуоресценции обычно существенно перекрываются со спектрами поглощения.
В результате переноса энергии с исходно возбужденных молекул на молекулы, дипольные моменты которых ориентированы хаотически, флуоресценция деполяризуется. С чисто формальной стороны перенос энергии на молекулу с другой ориентацией дипольного момента приводит к тому же результату, что и поворот молекулы вследствие броуновского движения.
Галанин показал, что степень поляризации флуоресценции для хаотического ансамбля молекул, получивших энергию в результате переноса, равна 1.42, т.е. весьма низка. Поэтому основной вклад в значение степени поляризации дают молекулы, исходно поглотившие квант света. Таким образом, с хорошим приближением
,
где числитель представляет суммарную интенсивность флуоресценции, которую дают «первые», т.е. исходно поглотившие свет, ансамбли. В результате задача расчета зависимости степени поляризации от концентрации сводится к определению доли энергии, высвечиваемой первоначально возбужденными молекулами. Решение этой задачи встречает на своем пути трудности, обусловленные необходимостью учесть перенос с исходно возбужденной молекулы на все прочие, обратный перенос, хаотичность распределения молекул по объему.
Надежными представляются результаты решения задачи численными методами: методом случайных блужданий и методом балансных уровней с усреднением по координатам методом Монте-Карло. Зависимость, которую дают численные методы, аппроксимируется следующим выражением:
,
где
– так называемая критическая концентрация
переноса.
Путем сопоставления
экспериментальных данных по концентрационной
деполяризации и теоретической кривой
легко найти
,
а затем и важный параметр
0.
Критическое расстояние гомопереноса
варьируется от 40 ÷ 80 Å для молекул
красителей с сильными полосами поглощения.
Обычно концентрационная деполяризация
в растворах (твердых или достаточно
вязких) начинает проявляться с концентраций
порядка 10-4
М и выше.
