Materie & Energie

Strahlung - Energieübertragung

Energieübertragung

Fluoreszenz und Phosphoreszenz

Im Allgemeinen luminesziert ein kleines, einfaches Molekül im ultravioletten und ein komplexeres Molekül in der Nähe des blau-violetten Endes des sichtbaren Spektrums . Andererseits können Farbstoffmoleküle im gesamten sichtbaren Bereich einschließlich des roten Endes emittieren . Der elektronische Grundzustand der meisten Moleküle ist ein Singulettzustand. Normalerweise ist daher die optisch zulässige Emission oder Fluoreszenz vom niedrigsten angeregten Singulettzustand zum Grundzustand. Der niedrigste Triplettzustand des Moleküls liegt etwas unterhalb des angeregten Singuletts. Die Lichtemission aus diesem Triplettzustand ist nach den quantenmechanischen Auswahlregeln verboten, tritt jedoch standardmäßig aufwenn andere Prozesse noch weniger wahrscheinlich sind. Eine solche Emission wird Phosphoreszenz genannt. Es ist relativ schwach, langsam und in Richtung längerer Wellenlänge verschoben . Triplettzustände können aus höheren Singuletts durch Prozesse erzeugt werden, die als interne Umwandlung und Intersystemkreuzung bezeichnet werden. Die Zustände können auch in Anregung aus dem Grundzustand durch Aufprall relativ langsam geladener Teilchen wie Elektronen erzeugt werden.

Ein Großteil der Wirkung optischer Strahlung in einem kondensierten System betrifft nicht das Molekül, in dem die Energie anfänglich absorbiert wird, sondern ein entfernteres Molekül, auf das die Energie in einer Vielzahl möglicher Prozesse übertragen wird. Sie umfassen den Anregungstransfer entweder direkt zwischen benachbarten Molekülen durch eine direkte quantenmechanische Wechselwirkung eines angeregten Moleküls mit einem entfernten Molekül in einem Abstand von 40 Angström (4 × 10 -7 Zentimeter) oder weniger oder durch den sogenannten trivialen Prozess der Fluoreszenzemission von einem Molekül und der Reabsorption von einem in beliebiger Entfernung. Diese Prozesse werden hauptsächlich im Hinblick auf Fluoreszenz- und Phosphoreszenzphänomene untersucht.

Bei energiereicher Strahlung (wie der von Elektronen, Röntgen- und Gammastrahlen) steht auch ein zusätzlicher Mechanismus zur Verfügung, an dem Ionen beteiligt sind. Im Fall eines gelösten Stoffes M in einem Lösungsmittel S wird beispielsweise eine vereinfachte Beschreibung einiger möglicher Auswirkungen von Strahlung durch die folgenden Ausdrücke dargestellt, in denen das Symbol ☢ gelesen wird, „auf das energiereiche Strahlung einwirkt, um zu ergeben ”Und e steht für ein ausgestoßenes Elektron:Gleichungen.

Jeder tatsächliche Prozess ist erheblich komplizierter und umfasst eine größere Anzahl von Arten.

Fotografischer Prozess

Eine der wichtigsten Auswirkungen von Strahlung auf Materie ist die fotografische Wirkung. Fotografie ist neben ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in Kunst, Handel und Industrie ein unschätzbares wissenschaftliches Instrument. Es wird häufig in der Spektroskopie , in der Photometrie und bei Röntgenuntersuchungen verwendet . Auch fotografische Emulsionstechniken wurden in großem Umfang zum Nachweis und zur Charakterisierung von hochenergetischen geladenen Teilchen verwendet. Es ist wichtig zu beachten , dass alle Spekulationen um die primären Erscheinungen in Bezug auf den Begriff beinhaltet , dass in einem Energieabsorptionsprozess, entweder direkt oder sensibilisiert, ein Chlorid (oder ein anderes Halogenid) Ion in einem Silberhalogenid - Gitterverliert ein Elektron . Dieses Elektron wird danach von einem Silberion eingefangen, das sich an einem solchen Punkt im Gitter befindet, dass unter geeigneten Belichtungs- und Entwicklungsbedingungen ein Silberkorn auf eine Größe wächst, die für die Dauer und Intensität der Belichtung repräsentativ ist.

Ionisation und chemische Veränderung

Zu Beginn dieses Abschnitts wurde das Ionisationsphänomen kurz als Sonderfall der molekularen Aktivierung diskutiert. Der Ionisationsprozess weist jedoch bestimmte charakteristische Merkmale auf. Insbesondere unterscheiden sich die Wahrscheinlichkeiten (oder Querschnitte) für die Ionisierung durch Licht (Photoionisierung) und für die Ionisierung durch Aufprall geladener Teilchen in ihrer Größe und in der niedrigsten Strahlungsenergie ( dh dem Schwellenverhalten ) für dasselbe Atom oder Molekül . Der Photoionisation Querschnitt zeigt abrupten Beginn ( dh ein Verhalten Schritt) auf einen hohen Wert bei der Schwelle, fällt danach nur allmählich mit der Erhöhung des PhotonsEnergie. Die Elektronenstoßionisation in einfachen Atomen (wie Wasserstoff und Helium) beginnt beim Ionisationspotential , steigt direkt proportional zur Energie nahe der Schwelle an und zeigt einen Peak bei einer einfallenden Energie von etwa 100–200 eV. Bei Molekülen ist das Verhalten ähnlich, außer dass der Peak breit und viel weniger ausgeprägt ist. Wenn die einfallende Energie hoch ist und das ausgestoßene Elektron eine kinetische Energie (Bewegungsenergie) aufweist, die weit über seiner Bindungsenergie liegt, nähert sich der Querschnitt für den Prozess einer Grenze, die als klassisch bezeichnet wirdRutherford-Wert nach dem britischen Physiker Ernest Rutherford .

Im Allgemeinen umfassen die anfänglichen Prozesse, die sich aus der Einwirkung energiereicher Strahlung auf Materie ergeben, die Zwischenproduktion und Beteiligung von positiven Ionen (sowohl stabil als auch instabil), Elektronen, negativen Ionen, angeregten Spezies sowie freien Radikalen und Atomen, die wiederum kann in die Prozesse der klassischen Reaktionskinetik eintreten.

Gewöhnliche energiearme (oder optische) Prozesse umfassen normalerweise nur angeregte Spezies und freie Radikale und Atome - allesamt durch Prozesse, bei denen die elektrische Ladung ( dh Elektronen) nicht direkt zwischen verschiedenen Atomen und Molekülen übertragen wird.

Das wichtige Merkmal , dass die Chemie sowohl optischer Verfahren (Photochemie) und hochenergetischer Strahlung (Strahlenchemie) charakterisiert ist , dass sie bequem eingesetzt werden , und ihre Kinetik bei Raumsuchten Temperatur und senken.

Photochemie

Es gibt zwei "Gesetze" der Photochemie. Der erste, derDas Grotthuss-Draper-Gesetz (benannt nach den Chemikern Christian JDT von Grotthuss und John W. Draper) lautet einfach: Damit Licht eine Wirkung auf die Materie hat, muss es absorbiert werden. Der zweite oderStark–Einstein law (for the physicists Johannes Stark and Albert Einstein), in its most modern form is: one resultant primary physical or chemical act occurs per photon absorbed. The quantum yield of a particular species of product is the number of moles of that product divided by the number of einsteins of light (units of 6.02 × 1023 photons)—or the number of molecules of product per photon—absorbed. In the ideal case the quantum yield, frequently denoted by the Greek letters gamma, γ, or phi, Φ, is unity. In real cases, Φ may approach zero on the one hand—particularly if a back reaction is involved—or it may be of the order of 1,000,000, in which case the primary product may start a chain reaction, as in a clean, dry mixture of hydrogen (H) and chlorine (Cl). In the following chemical equations each symbol for an element stands for one atom, and the number of atoms bonded into a molecule is given as a subscript following the symbol, while the number of molecules precedes the formula; the arrow indicates the course of the reaction:Chemische Gleichung.Chemische Gleichung.Chemische Gleichung.in which reactions 2 and 3 reoccur repeatedly in a chain reaction. The symbol →hν may be read “when a photon of light frequency, symbolized by the Greek letter nu, ν (which is always stipulated), is absorbed, gives.” Because h is Planck’s constant of action (approximately 6.6 × 10-27 erg second) and ν is expressed in reciprocal seconds (i.e., second-1), the product hν indicates the energy absorbed per photon. Some reactions may give two primary products; e.g.,Chemische Gleichung.

In diesem Fall gibt es für jede der Primärreaktionen unterschiedliche Quantenausbeuten, und das Verhältnis dieser Ausbeuten variiert mit der Frequenz ν des absorbierten Lichts.