Molekuly Vazby, přechody mezi energetickými hladinami, laser
Interakce mezi atomy • Je zprostředkována elektromagnetickou interakcí (jedna ze čtyř základních fyzikálních interakcí).
• Vysvětlit působení mezi atomy není obecně možné pouze na základě klasického pohledu na elektrostatickou interakci (Coulombův zákon), systém musíme popisovat kvantově. • Mezi atomy může vznikat velmi pevná vazba – interakce mezi atomy je silná (velké síly) – tzv. chemická vazba (velké vazebné energie) – vznikají molekuly • Mezi atomy nebo molekulami působí také slabší síly – tzv. slabé mezimolekulové interakce (malé vazebné energie)– mohou vznikat např. shluky atomů či molekul = klastry
2
• Ve většině případů hraje významnější roli elektrická interakce, resp. elektrostatická interakce (slabší magnetické síly lze zanedbat).
Podmínka rovnováhy • Atomy v molekule se musí nacházet v takových vzájemných vzdálenostech (rovnovážné polohy), ve kterých jsou síly jimiž na sebe atomy vzájemně působí nulové. Podmínka stability • Na atomy při vychýlení z rovnovážných poloh musí působit síly, které vrací atomy do těchto poloh, v rovnovážné poloze má tedy molekula i nejnižší interakční energii (též potenciální energie nebo potenciál).
Poznámka – stejně to platí i pro vznik klastrů v důsledku slabé mezimolekulové interakce.
3
Podmínky vzniku chemické vazby
4
Graf potenciální energie
Dvouatomové molekuly • Nepolární (homopolární), na žádném z atomů není parciální elektrický náboj, jak tomu je u homonukleárních molekul. • Polarizovaná (semipolární), též polární, na každém z atomů je stejně velký částečný parciální náboj opačného znaménka. • Silně polarizovaná (heteropolární), též iontová neboli elektrovalenční, na každém z atomů je elektrický náboj s velikostí blížící se hodnotě elementárního elektrického náboje („elektron přešel od jednoho atomu k druhému“).
5
Typy vazeb dle polarity
6
Iontová vazba
Objasnění vzniku této chemické vazby
Původ odpudivých sil mezi atomy je u všech typů vazeb stejný – elektrostatické odpuzování kladně nabitých jader, jejichž náboj je ale částečně stíněn elektrony v atomových obalech.
Původ přitažlivých sil lze vysvětli rovněž na základě elektrostatiky jako přitahování iontů s opačnou polaritou náboje.
Kovalentní vazba
• Kovalentní - zde ve smyslu nepolární vazby.
7
• Původ odpudivých sil mezi atomy vysvětlíme stejně – elektrostatické odpuzování kladně nabitých jader, jejichž náboj je ale částečně stíněn elektrony v atomových obalech. • Objasnění přitažlivých sil je na rozdíl od vazby iontové možné teprve na základě kvantové mechaniky. • Při řešení se vychází ze Schrödingerovy rovnice pro molekulu, důležitou úlohu při objasnění podstaty nepolární vazby pak hraje princip nerozlišitelnosti identických částic, jehož přímým důsledkem je tzv. výměnná interakce. • S využitím kvantově mechanických výpočtů je pak možné objasnit i polární vazbu a zpřesnit popis vazby iontové.
Princip nerozlišitelnosti • V kvantové fyzice nelze ani v principu rozlišit dvě identické částice. • Stav systému částic tak nesmí být ovlivněn záměnou dvou identických částic. • V kvantové fyzice je stav systému popsán vlnovou funkcí. Při formální záměně dvou identických částic (jejich souřadnic)
nezmění znaménko (symetrické funkce)
změní znaménka (antisymetrické funkce).
8
Víceatomové molekuly Model lokalizovaných vazeb • vychází z představy, že vazba mezi dvěma sousedními atomy ve víceatomové molekule není podstatně ovlivněna vazbami zbývajících atomů v molekule. • Vazba, resp. vazebné elektrony jsou tedy podle tohoto modelu lokalizovány („vázány“) pouze na dané sousední atomy.
9
Víceatomové molekuly Model delokalizovaných vazeb
• je nutné použít v případech, kdy model lokalizovaných vazeb selhává. • Vazebné elektrony nejsou lokalizovány u konkrétních atomů. • Tento model více odpovídá představám kvantové mechaniky, podle kterých existuje nenulová pravděpodobnost výskytu kdekoliv v molekule.
10
Vibrace dvouatomové molekuly
Konstanta meziatomových sil
Úhlová frekvence vibrací
Redukovaná hmotnost
Vibrační energie
11
Rotace dvouatomové molekuly Moment hybnosti
Moment setrvačnosti
Rotační energie
12
Spektra molekul Jádra molekul nespočívají nehybně v rovnovážných polohách, ale vykonávají rotační a vibrační pohyby.
Energie molekuly je součtem energie elektronového systému a vibrační a rotační energie molekuly. Výsledné spektrum je kombinací elektronového, rotačního a vibračního spektra. Přechody mezi hladinami Absorpce – foton musí mít dostatečnou energii, aby se dostal z jedné hladiny na druhou Luminiscence -vyzáření fotonu, členíme na: Fluorescence- bez změny spinu Fosforescence – se změnou spinu Přeměna na teplo
13
Spektroskopie Absorpční spektroskopie změna světla při průchodu zkoumanou látkou přináší informace o struktuře, umožňuje identifikaci látky, stanovení její koncentrace atd.
Lambert-Beerův zákon dI I c dl L:
L
dI 0 I 0 c dl
ln I L ln I 0 c L IL ln c L I0 IL e cL I0 IL T I0 IL * cL 10 I0 A * c L
• A -Absorbance – optická hustota • Molární extinkční koeficient je funkcí vlnové délky a závisí na rozložení energetických hladin v molekule
* 2.303
Kvantová optika - spektroskopie Princip spektrometru: Světlo vstupuje pomoci optickeho vlakna do spektrometru. Divergujici svazek je kolimovan sférickym zrcadlem na rovinnou mřižku. Dochazi k difrakci na mřižce a světlo je fokusovano sférickym zrcadlem. Obraz spektra je zobrazen na jednodimenzionální CCD čip a získana data jsou přenesena do PC pomocí A/D převodniku. 1- SMA konektor; 2 - štěrbina; 3 - filtr; 4 kolimačni zrcadlo; 5 - mřižka; 6 - fokusačni zrcadlo; 7 - čočky; 8 - CCD detektor
Luminiscenční spektrofotometrie • Informace o výskytu molekul – například navázání luminiscenční sondy na maligní tkáně, membrány, místo výskytu zlomu na DNA,….
Změny spektra luminiscence informace o okolí molekul, změny pH
Některé biologicky zajímavé molekuly vykazují luminiscenci také
• Píky charakteristického záření je zvykem označovat písmenem hladiny (slupky), na kterou dopadá elektron, (čili ze které díra vychází), s řeckým indexem podle rozpětí od hladiny, odkud elektron přichází (nebo kam díra dopadá). Například: • K - elektron padá ze slupky L na nejnižší slupku K • K - elektron padá ze slupky M na nejnižší slupku K • L - elektron padá ze slupky M na slupku L • L - elektron padá ze slupky N na slupku L •
11. 01. 2011
RTG spektrum - čárové
• …
18
Laser
Zdroj monochromatického světla Světlo je koherentní – stejná fáze na výstupu z laseru Laserový paprsek je emitován v určitém směru – malá divergence, může se dosáhnout velkých intenzit .
Podmínky pro činnost laseru • Rezonátor – sestává se z vysoce odrazivého zrcadla odráží téměř 100% a částečně propustného zrcadla – odráží cca 99% • Aktivní médium – v médiu se pohlcuje dodaná energie optická, elektrická, chemická , která způsobí excitaci média do stavů s vyšší energií. Médiem mohou být krystaly – safír, Nd:YAG, roztoky barviv, plyny jako CO2 or Helium - Neon, nebo polovodiče jako GaAs.
• Lasery se většinou nazývají podle média • Podle výstupního paprsku se dělí na kontinuální a pulzní
Aktivní médium 1. 2. 3.
4.
5.
6.
7.
Energie (například absorbovaných fotonů o určené frekvenci) vybudí atomy médií do nestabilní excitované hladiny Atomy přejdou spontánní emisí do základního stavu Základem laseru je jev stimulovaná emise - z excitované stavu může také přejít absorpcí druhého fotonu -– z atomu jdou tedy dva fotony (ale na tento jev se spotřebovali dva fotony). Zvyšování intenzity budícího světla převede polovinu atomů do excitovaného stavu – tedy z média vyjde tolik fotonů, kolik tam dopadne, médium je transparentní. Pro laserování je potřeba mít médium s třetí hladinou s dlouho dobou života – na ní se soustředí většina atomů inverzní populace. Absorbovaný foton v této hladině vyvolá stimulovanou emisi – tedy účinkem jednoho fotonu vyletí dva fotony stejné energie (zbylou energii dodal třeba také foton, ale jiné energie). Fotony jsou částečně odráženy zrcadly rezonátoru a stimulovanou emisí vyrážejí další fotony
21
Excitovaný stav Spontanní emise Metastabilní stav Stimulovaná emise
energie
Absorbovaná
Energetické schéma
22
Základní stav
Rezonátor • Elektromagnetické vlny – fotony – se odráží na zrcadlech rezonátoru a interferují spolu ti, co jdou vlevo i vpravo. Vlny s nahodilými rozdíly fází se vynulují – vznikne stojatá vlna s uzly na koncích • Na výstupním zrcadle je proto vždy konstantní fáze – vystupující světlo je koherentní • Délka rezonátoru určuje vlnovou délku laserového světla - je celým (hodně velkým, třeba 500.000) násobkem vlnové délky • 𝐿 = 𝑛λ • Tuto podmínku ale splňuje hodně vlnových délek – zároveň ale musí být splněna podmínka, určená aktivním médiem
24
Vlnové délky nejpoužívanějších laserů Laser Type
Wavelength (mm)
Argon fluoride (Excimer-UV) Krypton chloride (Excimer-UV) Krypton fluoride (Excimer-UV) Xenon chloride (Excimer-UV) Xenon fluoride (Excimer-UV) Helium cadmium (UV) Nitrogen (UV) Helium cadmium (violet) Krypton (blue) Argon (blue) Copper vapor (green) Argon (green) Krypton (green) Frequency doubled Nd YAG (green) Helium neon (green) Krypton (yellow) Copper vapor (yellow)
Key:
UV = ultraviolet (0.200-0.400 µm) VIS = visible (0.400-0.700 µm) NIR = near infrared (0.700-1.400 µm)
0.193 0.222 0.248 0.308 0.351 0.325 0.337 0.441 0.476 0.488 0.510 0.514 0.528 0.532
Helium neon (yellow) Helium neon (orange) Gold vapor (red) Helium neon (red) Krypton (red) Rohodamine 6G dye (tunable) Ruby (CrAlO3) (red) Gallium arsenide (diode-NIR) Nd:YAG (NIR) Helium neon (NIR) Erbium (NIR) Helium neon (NIR) Hydrogen fluoride (NIR) Carbon dioxide (FIR) Carbon dioxide (FIR)
0.594 0.610 0.627 0.633 0.647 0.570-0.650 0.694 0.840 1.064 1.15 1.504 3.39 2.70 9.6 10.6
0.543 0.568 0.570
25
Laserový výstup Pulzní výstup (P)
Energy (Watts)
Energy (Joules)
Kontinuální výstup (CW)
Time
Time
26
