Войти
Фотоэлектрохимические процессы - это процессы в фотоэлектрохимии ; они обычно включают преобразование света в другие формы энергии. Эти процессы применимы к фотохимии, лазерам с оптической накачкой, сенсибилизированным солнечным элементам, люминесценции и фотохромизму.
После поглощения энергии электрон может перейти из основного состояния в возбужденное состояние с более высокой энергией. Электронное возбуждение - это движение электрона в более высокое энергетическое состояние. Это можно сделать либо с помощью фотовозбуждения (PE), когда исходный электрон поглощает фотон и получает всю энергию фотона, либо с помощью электрического возбуждения (EE), когда исходный электрон поглощает энергия другого, энергичного электрона. В кристаллической решетке полупроводника тепловое возбуждение - это процесс, при котором колебания решетки обеспечивают достаточную энергию для перемещения электронов в более высокую энергетическую зону. Когда возбужденный электрон снова возвращается в состояние с более низкой энергией, это называется релаксацией электрона. Это может быть сделано путем излучения фотона или передачи энергии третьей частице-наблюдателю.
В физике есть специальное техническое определение для уровня энергии, которое часто ассоциируется с атом возбужден до возбужденного состояния. Возбужденное состояние, как правило, относится к основному состоянию, где возбужденное состояние находится на более высоком уровне энергии, чем основное состояние.
Фотовозбуждение - это механизм возбуждения электрона посредством поглощения фотона, когда энергия фотона слишком мала, чтобы вызвать фотоионизацию. Поглощение фотона происходит в соответствии с квантовой теорией Планка.
Фотовозбуждение играет роль в фотоизомеризации. Фотовозбуждение используется в сенсибилизированных красителем солнечных элементах, фотохимии, люминесценции, лазерах с оптической накачкой и в некоторых фотохромных приложений.
Военный лазерный эксперимент 
Фотоизомеризация азобензола В химии, фотоизомеризация представляет собой молекулярное поведение, в котором структурные изменения между изомеры вызваны фотовозбуждением. Существуют как обратимые, так и необратимые реакции фотоизомеризации. Однако слово «фотоизомеризация» обычно указывает на обратимый процесс. Фотоизомеризуемые молекулы уже находят практическое применение, например, в пигментах для перезаписываемых компакт-дисков, DVD и решений для хранения трехмерных оптических данных.. Кроме того, недавний интерес к фотоизомеризуемым молекулам был направлен на молекулярные устройства, такие как молекулярные переключатели, молекулярные двигатели и молекулярная электроника.
Поведение при фотоизомеризации можно грубо разделить на несколько классов. Двумя основными классами являются транс-цис-преобразование (или «E-Z») и переход «открытое-закрытое кольцо». Примеры первых включают стильбен и азобензол. Этот тип соединений имеет двойную связь, и вращение или инверсия вокруг двойной связи приводит к изомеризации между двумя состояниями. Примеры последнего включают и диарилэтен. Этот тип соединений претерпевает разрыв связи и образование связей при облучении светом определенной длины волны. Еще один класс - ди-пи-метановая перегруппировка.
Фотоионизация - это физический процесс, при котором падающий фотон выбрасывает один или несколько электронов от атома , иона или молекулы. По сути, это тот же процесс, который происходит с фотоэлектрическим эффектом с металлами. В случае газа или отдельных атомов термин фотоионизация более распространен.
Выброшенные электроны, известные как фотоэлектроны, несут информацию об их предионизированном состоянии. Например, одиночный электрон может иметь кинетическую энергию, равную энергии падающего фотона за вычетом энергии связи электрона в оставленном им состоянии. Фотоны с энергией меньше энергии связи электрона могут поглощаться или рассеиваться, но не будут фотоионизировать атом или ион.
Например, чтобы ионизировать водород, фотоны нуждаются в энергия более 13,6 электронвольт (энергия Ридберга ), что соответствует длине волны 91,2 нм. Для фотонов с большей энергией энергия излучаемого фотоэлектрона определяется выражением:
, где h - постоянная Планка, а ν - частота фотона.
Эта формула определяет фотоэлектрический эффект.
Не каждый фотон, который встречает атом или ион, фотоионизирует его. Вероятность фотоионизации связана с сечением фотоионизации, которое зависит от энергии фотона и рассматриваемой мишени. При энергиях фотонов ниже порога ионизации сечение фотоионизации близко к нулю. Но с развитием импульсных лазеров стало возможным создавать чрезвычайно интенсивный когерентный свет, в котором может происходить многофотонная ионизация. При еще более высоких интенсивностях (около 10–10 Вт / см инфракрасного или видимого света) наблюдаются непертурбативные явления, такие как ионизация подавления барьера и ионизация с повторным рассеянием.
Несколько фотонов с энергией ниже порога ионизации могут фактически объединить свои энергии для ионизации атома. Эта вероятность быстро уменьшается с увеличением количества необходимых фотонов, но разработка очень мощных импульсных лазеров все еще делает это возможным. В пертурбативном режиме (ниже примерно 10 Вт / см на оптических частотах) вероятность поглощения N фотонов зависит от интенсивности лазерного излучения I как I.
Выше пороговой ионизации (ATI) является расширением многократной -фотонная ионизация, при которой поглощается даже больше фотонов, чем фактически необходимо для ионизации атома. Избыточная энергия дает высвобожденному электрону более высокую кинетическую энергию, чем в обычном случае ионизации чуть выше порога. Точнее, система будет иметь несколько пиков в ее фотоэлектронном спектре, разделенных энергиями фотонов, это указывает на то, что испускаемый электрон имеет большую кинетическую энергию, чем в случае нормальной (минимально возможное количество фотонов) ионизации.. Электроны, выпущенные из мишени, будут иметь примерно на целое число фотонов больше кинетической энергии. В областях интенсивности от 10 Вт / см до 10 Вт / см каждая из MPI, ATI и ионизации подавления барьера может происходить одновременно, каждая из которых вносит свой вклад в общую ионизацию задействованных атомов.
В физике полупроводников эффект Фото-Дембера (названный в честь его первооткрывателя Х. Дембера) заключается в образовании зарядового диполя вблизи полупроводника. поверхность после сверхбыстрой фотогенерации носителей заряда. Диполь формируется из-за разницы подвижностей (или констант диффузии) для дырок и электронов, которые в сочетании с нарушением симметрии, обеспечиваемой поверхностью, приводят к эффективному разделению зарядов в направлении, перпендикулярном поверхности.
Закон Гроттуса – Дрейпера (также называемый Принцип фотохимической активации ) гласит, что только тот свет, который поглощается системой, может вызвать фотохимическое изменение. Такие материалы, как красители и люминофоры, должны быть способны поглощать «свет» на оптических частотах. Этот закон дает основу для флуоресценции и фосфоресценции. Этот закон был впервые предложен в 1817 г. Теодором Гроттусом и в 1842 г. независимо друг от друга Джоном Уильямом Дрейпером.
. Этот закон считается одним из двух основных законов фотохимии. Второй закон - это закон Старка – Эйнштейна, который гласит, что первичные химические или физические реакции происходят с каждым поглощенным фотоном.
Закон Штарка – Эйнштейна назван в честь физиков немецкого происхождения Йоханнеса Штарка и Альберта Эйнштейна, которые независимо сформулировали закон между 1908 и 1913 годами. также известный как закон фотохимической эквивалентности или закон фотоэквивалентности . По сути, это говорит о том, что каждый поглощенный фотон вызовет (первичную) химическую или физическую реакцию.
Фотон - это квант излучения или одна единица излучения. Следовательно, это единичная единица электромагнитного излучения, которая равна постоянной Планка (h), умноженной на частоту света. Эта величина обозначается символами γ, hν или ħω.
Закон фотохимической эквивалентности также переформулируется следующим образом: на каждый моль вещества, которое вступает в реакцию, поглощается эквивалентный моль квантов света. Формула:
, где N A - число Авогадро..
Закон фотохимической эквивалентности применяется к той части индуцированной светом реакции, которая называется первичным процессом (т.е. поглощение или флуоресценция ).
В большинстве фотохимических реакций первичным процессом является обычно за ними следуют так называемые вторичные фотохимические процессы, которые представляют собой нормальные взаимодействия между реагентами, не требующие поглощения света. В результате такие реакции не подчиняются соотношению реагент один квант – одна молекула.
Закон таков: далее ограничиваются обычными фотохимическими процессами с использованием источников света умеренной интенсивности; источники света высокой интенсивности, такие как те, что используются в импульсном фотолизе и в лазерных экспериментах, как известно, вызывают так называемые бифотонные процессы, т.е. молекула вещества двух фотонов света.
В физика, поглощение электромагнитного излучения - это способ, которым энергия фотона поглощается веществом, обычно электронами атома. Таким образом, электромагнитная энергия преобразуется в другие формы энергии, например, в тепло. Поглощение света во время распространения волны часто называют затуханием. Обычно поглощение волн не зависит от их интенсивности (линейное поглощение), хотя в определенных условиях (обычно в оптике ) среда меняет свою прозрачность в зависимости от интенсивности проходящих волн, и Происходит насыщающееся поглощение (или нелинейное поглощение).
Фотосенсибилизация - это процесс передачи энергии поглощенного света. После поглощения энергия передается (выбранным) реагентам. Это часть работы фотохимии в целом. В частности, этот процесс обычно используется там, где для реакций требуются источники света с определенными длинами волн, которые недоступны.
Например, ртуть поглощает излучение при 1849 и 2537 ангстрем, а источником часто являются ртутные лампы высокой интенсивности . Это обычно используемый сенсибилизатор. Когда пары ртути смешивают с этиленом и соединение облучают ртутной лампой, это приводит к фоторазложению этилена до ацетилена. Это происходит при поглощении света с образованием атомов ртути в возбужденном состоянии, которые способны передавать эту энергию молекулам этилена и, в свою очередь, дезактивируются до своего исходного энергетического состояния.
Кадмий ; некоторые из благородных газов, например ксенон ; цинк ; бензофенон ; и большое количество органических красителей также используются в качестве сенсибилизаторов.
Фотосенсибилизаторы являются ключевым компонентом фотодинамической терапии, используемой для лечения рака.
A сенсибилизатор в хемилюминесценции - химическое соединение, способное испускать свет после того, как оно получило энергию от молекулы, которая ранее возбудилась. в химической реакции. Хороший пример:
При смешивании щелочного раствора гипохлорита натрия и концентрированного раствора перекиси водорода происходит реакция:
O2* - возбужденный кислород - это означает, что один или большее количество электронов в молекуле O 2 продвинулось на молекулярные орбитали с более высокими энергиями. Следовательно, кислород, образующийся в результате этой химической реакции, каким-то образом «поглощал» энергию, выделяемую в результате реакции, и становился возбужденным. Это энергетическое состояние нестабильно, поэтому оно вернется в основное состояние , снизив свою энергию. Он может делать это более чем одним способом:
Интенсивность, продолжительность и цвет излучаемого света зависят от квантового и кинетического факторов. Однако возбужденные молекулы часто менее способны излучать свет с точки зрения яркости и продолжительности по сравнению с сенсибилизаторами. Это связано с тем, что сенсибилизаторы могут накапливать энергию (то есть быть возбужденными) в течение более длительных периодов времени, чем другие возбужденные молекулы. Энергия сохраняется посредством квантовой вибрации, поэтому сенсибилизаторами обычно являются соединения, которые либо включают в себя системы ароматических колец, либо множество сопряженных двойных и тройных связей в своей структуре.. Следовательно, если возбужденная молекула передает свою энергию сенсибилизатору, таким образом возбуждая ее, часто наблюдается более длительное и легкое количественное определение излучения света.
Цвет (то есть длина волны ), яркость и продолжительность излучения зависят от используемого сенсибилизатора. Обычно для определенной химической реакции можно использовать множество различных сенсибилизаторов.
Флуоресцентная спектроскопия, также известный как флуорометрия или спектрофлуориметрия, представляет собой тип электромагнитной спектроскопии, который анализирует флуоресценцию образца. Он включает использование луча света, обычно ультрафиолетового света, который возбуждает электроны в молекулах определенных соединений и заставляет их излучать свет меньшей энергии, обычно, но не обязательно, видимый свет. Дополнительным методом является абсорбционная спектроскопия.
Устройства, измеряющие флуоресценцию, называются флуорометрами или флуориметрами.
Абсорбционная спектроскопия относится к спектроскопическим методам измерения поглощения излучения в зависимости от частоты или длины волны из-за его взаимодействия с образцом. Образец поглощает энергию, т.е. фотоны, из излучающего поля. Интенсивность поглощения изменяется в зависимости от частоты, и это изменение представляет собой спектр поглощения . Спектроскопия поглощения выполняется по электромагнитному спектру.
