Электроны запасаются энергией

Рассмотрим некоторые закономерности поглощения светового излучения атомами или молекулами. Квантовомеханическая теория установила, что эти частицы могут принимать и отдавать энергию отдельными порциямиквантами. В фотохимии и в химии окрашенных веществ энергия, которой обладают кванты света, соответствует так называемым электронным переходам. В результате таких переходов энергетическое состояние атомов и молекул может принимать вполне определенный размер отдельных значений.

Рассмотрим любое химическое соединение, состоящее из нескольких атомов. Возьмем для примера молекулу зеленовато-желтоватого газа-хлора. Эта молекула состоит из двух атомов, содержит два ядра и 34 электрона. Ковалентная связь между атомами осуществляется двумя электронами: внешним электроном каждого атома хлора на 3pорбитали. Если располагать наружные электроны по энергиям, то наибольшей энергией будут обладать именно эти два электрона.

Обычно энергия молекул изображается диаграммами молекулярных уровней (рис.5). Энергия электронов последней заполненной орбиты принимается равной нулю. Выше этого уровня s₀ находятся незаполненные молекулярные уровни s_1,s₂ и т. д. Это уровни, которые свободны в обычном состоянии, но могут заполняться, если электрону сообщить дополнительную энергию («возбудить») и перевести его нулевого уровня молекулы на более высокий. Поглощение кванта света с энергией E=hн, равной разности между E_s1 -E_s0, приведет к переходу одного электрона на уровень s₁. Если энергия кванта света больше и равна E_s2 -E_s0, то электрон перейдет на уровень s₂.

Пара электронов на уровне s₀ по всем своим квантовым характеристикам одинакова, кроме одной — спина, т. е. они, вращаются вокруг собственных осей в противоположных направлениях (напомним, что спин электрона может принимать только два значения +Ѕ и -Ѕ).

В состоянии s₀ суммарный спин равен 0 (так как +Ѕ + (-Ѕ)=0). Такое состояние обозначается термином «синглетное». Если при возбуждении электрон переходит на другой уровень, а спин его не меняется, то суммарный спин в возбужденном состоянии также равен нулю (синглетное возбужденное состояние s*). Однако возможен случай, когда при возбуждении электрон, переходя в другое состояние, меняет значение своего спина и тогда спины электронов, находящихся на основном и возбужденном уровне, параллельны и суммарный спин будет равен единице: +Ѕ + (+Ѕ)=1, -Ѕ + (-Ѕ)=-1. Такое состояние называется триплетным. Оно более устойчиво, чем синглетное, и время нахождения молекул в нем от 10^-3 до нескольких секунд.

Триплетное состояние характеризуется меньшей энергией, чем синглетное возбужденное состояние (рис. 6.).

Через некоторое время электрон начинает отдавать энергию и самопроизвольно переходит с синглетного возбужденного состояния на триплетный (рис. 6.), что сопровождается изменением цвета вещества и различными иногда очень красочными световыми явлениями фосфоресценции, люминесценции и флуоресценции.

Именно эти процессы обусловливают свечение различных веществ в темноте. Вы, Вероятно, встречались с картинками, нарисованными такими красками, которые начинают светиться, стоит их только немного подержать на ярком солнечном или электрическом свете. Это электроны в молекулах фосфоресцирующих веществ, запасшиеся энергией от световых лучей, начинают ее отдавать в темноте.

В возбужденном синглентном состоянии молекула может находиться очень недолго, примерно 10^-8 -10^-9 сек. За это время она может излучить квант света — именно этим вызывается явление флуоресценции. Может безызлучательно растратить энергию возбуждения, при этом происходит увеличение колебательной энергии самой молекулы и молекул среды. Возможен сопровождающийся излучением или безызлучательный переход молекулы в триплетное состояние. Кроме того, молекула может потерять энергию возбуждения при столкновении с другими молекулами-тушителями. И наконец, возбужденная молекула может вступить в фотохимическую реакцию. По какому из этих путей пойдет процесс? Это в большей степени зависит от соотношения констант скоростей соответствующих реакций и условий поведения фотохимического процесса.

Итак, квант света воздействует на электроны молекулы, переводит их в иное состояние. Если электрон из всего видимого спектра «чувствителен» к какому-то определенному виду лучей, то мы видим цвет вещества. Так, электроны, связывающие атомы в молекуле хлора, восприимчивы к зеленовато-желтому участку спектра; в металлическом натриик красному.

Когда энергия кванта достаточно велика, то возможно более сильное взаимодействие фотона и электрона. В таком случае электрон переходит на более высокий энергетический уровень и некоторое время спустя излучает запасенную энергию. В этом состоит существо рассмотренной ранее фосфоресценции и флуоресценции. Волны, излучаемые электроном, как правило, иной длины. Поэтому серый и белый сульфид цинка становится голубым, оранжевым или синим и светится в темноте.

Электронно-возбужденные молекулы представляют собой по сути дела новые молекулы, характеризующиеся своим распределением электронной плотности, структурой, своим химическими свойствами. Наличие избытка энергии делает возбужденную молекулу химически более активной, чем исходная молекула. Таким образом, вещество может приобретать цвет не только под действием видимого света, то и в результате взаимодействия с электромагнитными колебаниями в более широком диапазоне. С теми, что находятся на невидимых концах радуги, — инфракрасным и ультрафиолетовыми лучами.