1.1 Rozdíl mezi klasickou a kvantovou fyzikou

EXCITACE, FLUORESCENCE, FOSFORESCENCE, LASERY MIROSLAVA MALENOVSKA VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ, FAKULTA CHEMICKÁ PURKYŇOVA 112. BRNO [email protected]

1.

Úvod

Téma excitace elektronů v atomu, lasery, fluorescence nebo fosforescence se týká energie v atomů a jejích změn. Začátek tohoto článku bude věnován těmto základním termínům. Závěr článku je vyhrazen pro odborné termíny.

1.1 Rozdíl mezi klasickou a kvantovou fyzikou Ke konci devatenáctého století se zdálo, že vše podstatné bylo ve fyzice již dokázáno. Vědci se domnívaly, že nic nového nelze v oblasti fyziky objevit. Fyzika té doby se řídila i pro nás známými Newtonovými postuláty. Isaac Newton své tři zákony dokázal již v sedmnáctém století. Na nich byla postavena fyzika té doby. Newtonovská klasická fyzika předpovídá v každém okamžiku přesné trajektorie částic s přesně určenými souřadnicemi a hybností. Dovoluje, aby se translační, rotační nebo vibrační druhy pohybu měnily na libovolnou energetickou hladinu podle působení sil. (1) Koncem devatenáctého století se nahromadily informace, u kterých klasická fyzika selhávala. Zejména, byla-li aplikována na přenosy velmi malých množstvích energie a na tělesa s velmi malou hmotností.

1.2 Záření absolutně černého tělesa Jedním z příkladů, kde selhávali postuláty klasické fyziky bylo i záření černého tělesa. Jakýkoliv horký objekt emituje elekromagnetické záření. Toto emitované záření má vlnovou délku v oblasti viditelného spektra (400-700 nm). Kdybychom teplotu tělesa zvyšovali, posunovala by se i vlnová délka emitovaného elektromagnetického záření. Nastal by posun ke kratším vlnovým délkám. Z pohledu klasické fyziky tento experiment studoval lord Rayleigh, který považoval elektromagnetické pole za soubor oscilátorů s různými frekvencemi. Rayleigh objevil přítomnost záření s frekvencí ν a vlnovou délkou λ . Vše naznačovalo tomu, že záření bylo excitováno. Rayleigh použil ekvipartiční princip (zákon rovnoměrného rozdělení energie. Vyplývá z klasické kinetické teorie látek. Podle něj je střední energie jedné molekuly v rovnovážném stavu látky při termodynamické teplotě T° rozdělena stejnoměrně na všechny kvadratické složky energie. Tedy kinetickou, rotační a vibrační složku) na výpočet hodnoty průměrné energie každého Obrázek č.1: Ultrafialová katastrofa (5) oscilátoru kT. 1

S menší pomocí Jamese Jeanse dospěl k Rayleigh – Jeansenovému zákonu. Viz vzorec č.1:

dε = ρdλ

ρ=

8kπT λ4

(1)

kde ρ je konstanta úměrnosti mezi dρ a hustotou energie v daném rozsahu vlnových délek, k je Boltzmanova konstanta. Rayleigh – Jeansenův zákon platí pro vysoké hodnoty vlnových délek. Selhává však v oblasti malých hodnot vlnových délek.Podle této rovnice by oscilátory malých vlnových délek byly excitovány již při pokojové teplotě. Znamenalo by to, že by tělesa měla sálat ve tmě. Ve skutečnosti by vlastně žádná tma neměla existovat. Z pohledu termodynamiky se otázkou záření absolutně černého tělesa zabýval německý fyzik Max Planck. Na základě experimentálního pozorování v roce 1900 usoudil, že teoretické výsledky by se shodovali s praktickými, za předpokladu, že energie elektromagnetického oscilátoru je omezena na diskrétní hodnoty. Nemůže nabývat libovolných hodnot, ale pouze některých. Dovolené hodnoty energie elektomagnetického oscilátoru s frekvencí ν jsou pouze celočíselné násobky hν . Viz vzorec č.2: E = nhν

(2)

Pozorování, že elektromagnetické záření s frekvencí ν může nabývat energie jen 0, hν ,2 hν ,… naznačuje, že se skládá z 0, 1, 2,… částic a každá částice má energii hν . Tedy, jestliže je přítomna jedna z těchto částic, energie je hν , jestliže dvě, tak energie je 2 hν Tyto částice elektromagnetického záření se nazývají fotony (1).

1.3 Excitace, Fluorescence, Fosforescence Každá částice má určitou energii. Jinak by nemohla existovat. Energetický stav kvantového systému je, jak už jsem psala kvantován, a pohybuje se po určitých diskrétních hodnotách.Energetické hladiny částice, které mají větší hodnotu než je základní hodnota energie se nazývají excitované (vzbuzené) stavy. Příslušná energie, o kterou energie převyšuje energii základního stavu se nazývá excitační energie. Systém v excitovaném stavu je vždy nestabilní a přechází do energetické hladiny s nižší energií, popř. do základního stavu vyzářením fotonu nebo částice. Aby se částice dostala do excitovaného stavu, musí přijmout energii. A to buď chemicky (chemickou reakcí), bombardováním Obrázek č.2: Fosforescence (6) energeticky bohatými 2

částicemi nebo elektricky (4). Takto excitovaná látka se může zúčastnit chemické reakce, protože díky excitované energii snadno reaguje. Nebo, pokud nedojde k účinné srážce a následné chemické reakce, může svou excitovanou energii přeměnit na záření jiné vlnové délky a vyzářit ji do okolí. Mluvíme tak o fluorescenci nebo fosforescenci.

2.

Aplikace

Principy kvantové chemie a fyziky mohou být pozorovány všude kolem nás. Výzkum by bez drahých přístrojů, které pracují právě na těchto principech, nebyl na takové úrovni, jak je dnes. Jedním z nich je například laser.

2.1 Lasery Název je odvozen podle anglického „light amplification by stimulated emission of radiation“. Znamená to světlo zesilněné stimulovanou emisí záření. Jedná se v podstatě o zesilovač pro infračervenou, viditelnou nebo ultrafialovou oblast. Lasery jsou založeny na interakci hmoty se zářením. Zjednodušeně si můžeme princip laseru vysvětlit následovně. Atom absorbuje energii z vnějšího zdroje. Dojde k vybuzení částic na vyšší energetickou hladinu. Jak bylo uvedeno (viz odstavec Obrázek č.3: Laser (7) Excitace, Fluorescence, Fosforescence) excitované částice se přebytečné energie, která ji činí nestabilní, zbaví vyzářením. Mluvíme tak o stimulované emisi. Generované záření je koherentní (všechny elektromagnetické vlny jsou ve fázi) a monochromatické. „Snadnost excitovat elektrony atomů závisí i na skupenství, ve kterém se atomy nachází. Nazývejme atomy nebo molekuly, které by byly schopny excitovat se a vyzářit elektromagnetické záření, aktivní atomy nebo molekuly. V krystalech je kolem 0,1% aktivních atomů. V kapalné fázi je koncentrace aktivních atomů c = 10-5-10-3°mol.l-1. V plynném prostředí může dosáhnout počet aktivních atomů nebo molekul až 100%.

2.2 Rozdělení laserů Je mnoho způsobů, do jakých skupin a podle jakého kritéria rozdělit lasery. Vybrala jsem rozdělení laserů podle Atkinse (2). Podle něj můžeme lasery rozdělit na tuhofázové, plynové, chemické, exiplexové, diody emitující světlo a polovodičové lasery. Upozorňuji, že toto je omezené dělení zahrnující běžně dostupné lasery. V jiné literatuře jsem se setkala s jiným dělení. Tuhofázový laser byl první úspěšně sestavený laser. Stalo se tak v roce 1960 v Hugher Laboratory California. Autorem je Theodore Maiman. Jednalo se o laser s laserovým prostředím tvořený z rubínu (Al2O3).

3

2.3 Polární záře První člověk, který si existenci polární záře správně spojil s magnetickými disturbancemi, byl britský královský astronom Edmund Halley. V noci na 17. 3 1716 si povšiml, že při polární záři (viditelná byla tehdy v Londýně) se přístroje měřící magnetismus chovají podivně. Roku 1773 si kapitán Cook všiml i polární záři i na jižní polokouli, které se říká aurora Australis, zatímco na severní aurora Borealis. Obrázek č.4: Polární záře (8)

2.4 Výskyt Polární záře se nejvíce vyskytují v oblastech kolem zemských magnetických pólů, největší četnost jejich výskytu bývá přibližně podél kružnice vedené po zemském glóbu v úhlové vzdálenosti cca 20-25° od zmíněných pólů. Zde bývá tento úkaz pozorován i více než stokrát za rok. Vrstva, v níž se v atmosféře polární záře vyskytují, má značný vertikální rozsah a nalézá se přibližně 1000°km nad zemským povrchem.

2.5 Princip V důsledku sluneční aktivity proniká do oblasti planety Země tok elektricky nabitých částic vyvrhovaných Sluncem, které po zachycení zemským magnetickým pólem začnou vykonávat spirálovitý pohyb podél jednotlivých siločar vycházejících ze zemských magnetických pólů. Takto ionizované plazma ze slunečního větru se dostane do interakce s molekulami atmosférických plynů. Tyto molekuly jsou excitovány do vyšších kvantových stavů a po jejich navrácení zpět do nižších stavů dochází k vyzáření energie odpovídající určitým spektrálním čarám, které bývají ve viditelné části spektra. Barvu záření ovlivňují kolidující částice. Při srážce s kyslíkem se záření zbarví do zelena, s dusíkem do modra a kyslík s dusíkem vytvářejí paprsky v červených vlnových délkách. Tyto polární záře při zesílení sluneční aktivity mohou dosahovat až nad naše území, dokonce až nad Středozemí.

2.6 Zbarvení plamene Jedná se o zkoušku, podle které chemici nebo mineralogové dokazují možnou přítomnost prvku v neznámém vzorku. Principem je opět excitace elektronů a jejich následného návratu na základní hladinu, při němž dojde k vyzáření energie. Pokus se provádí s velmi malým množstvím neznámého vzorku, které je naneseno na platinový drát předem namočený v kyselině chlorovodíkové. Drát je vložen do plamene. Při zahřání na určitou teplotu kyselina chlorovodíková produkuje chloridy, které se ihned vypařují. Tato reakce dodává energii elektronům neznámého vzorku k excitaci (4). Tento typ zkoušky byl zdokonalen Robertem Wilhelmem Bunsenem, který pro tuto zkoušku navrhl speciální kahan aby docílil nesvětélkujícího plamene. 4

2.7 Neonové výbojky První výboj plynu byl pozorován mnoha vědci v osmnáctém století. Jednalo se o zelený plamen ve vakuu nad sloupcem rtuti. Jednalo se o výsledek excitace plynné rtuti, vyvolané statickým elektrickým polem. První kontrolovaný pokus vedoucí k výboji plynu byl představen v roce 1835 Michaelem Faradayem a Heinrichem Geisslerem v roce 1860. Tak bylo objeveno, že i „prázdná“ trubice může vykazovat elektrickou vodivost a emitovat světlo. Barva světla závisí na povaze zbytkového plynu v trubici (4). Geisslerocva trubice vedla ke vzniku neonových výbojek, které byly vyvinuty okolo roku 1910 Georgem Claudem ve Francii. Neonové výbojky se bohatě užívají v reklamní síti.

3.

Shrnutí

Teď, už tedy víme, že všechny typy energie (translační, vibrační a rotační) jsou ve světě atomů a molekul (mikrosvětě) kvantovány. Mění se skokově. Po určitých kvantech. Tedy ne kontinuálně, jak je tomu v makrosvětě. Dalším podstatným objevem je dualistická povaha částic v mikrosvětě. Elektromagnetické vlnění může mít částicový charakter.

4.

Použitá literatura

[1] Atkins, P., W.: Fyzikálná chémia, ATKINS 2b. 1vyd., STU Bratislava, 1999. 349s. ISBN 80-227-1238-8. [2] Atkins, P., W.: Fyzikálná chémia, ATKINS 2a. 1vyd., STU Bratislava, 1999. 230s. ISBN 80-227-1238-8. [3] Kutinová, B.: Technický naučný slovník, 2 vyd. SNTL Praha, 1982. 400 s. [4] Nassan, K.: The physic and chemistry of color, the fifteen causes of color. 2 vyd. New York, John Wiley and sons, 2001. 481 s. ISBN 0-471-39106-9 [5] Plambeck, J., A.: Chemical Sciences: Black-body radiation [online]. 1997, poslední revize 19.6.1997 [cit. 4.1.2004]. Dostupné z: [6] Charlesworth, P..: New sensitisers for photodynamic therapy: a photophysical study [online]. 1997, poslední revize 16.5.1997 [cit. 4.1.2004]. Dostupné z: [7] Romero, G., S.: Internet Ray Tracing Competition: May – June 1997 [online]. 1997, poslední revize 23.11.2003 [cit. 4.1.2004]. Dostupné z: [8] Dolan, M.,T.: The Aurora Page – Local Images of the Aurora [online]. 1994, poslední revize 12.2.2003 [cit. 4.1.2004]. Dostupné z:

5