kolan2.gif (1752 bytes)STANY WZBUDZONE ATOMÓW I CZĄSTECZEK. SPOSOBY POWROTU DO STANU PODSTAWOWEGO. LUMINESCENCJA

Przy opisywaniu rodzajów luminescencji zostały wymienione różne sposoby wzbudzania atomów i cząsteczek: absorpcja kwantów promieniowania elektromagnetycznego, reakcje chemiczne, działanie fal dźwiękowych itd. W tym rozdziale zajmniemy się procesami towarzyszącymi powrotowi cząsteczek do stanu podstawowego ze szczególnym uwzględnieniem procesów odpowiedzialnych za luminescencję. Na początku jednak dla ułatwienia krótko przypomnimy podstawowe pojęcia związane z budową atomów i przybliżymy strukturę bardziej skomplikowanych od atomów cząsteczek dwuatomowych.

Poziomy energetyczne atomów i cząsteczek.

Atomy zbudowane są z dodatnio naładowanego jądra i elektronów poruszających się w jego polu elektrycznym. Energie elektronów w atomie przyjmują jedynie określone (dyskretne) wartości tzn. nie mogą zmieniać się w sposób ciągły, tak jak na przykład zmienia się energia kopniętej piłki poruszającej się w polu grawitacyjnym Ziemi. Mówimy, że energia w atomach jest skwantowana.
Atom posiada szereg poziomów energetycznych. Stan o najniższej energii czyli taki, w którym zbiór elektronów otaczających jądro przyjmuje najmniejszą możliwą wartość energii nazywa się stanem podstawowym atomu, pozostałe zaś stanami wzbudzonymi. Na rysunku przedstawiono schematycznie rozkład poziomów energetycznych w atomie wodoru.

Rys. Modelowe przedstawienie rozkładu poziomów energetycznych w atomie wodoru.

Atom może znaleźć się w stanie wzbudzonym (np. E2, E3, E4) pobierając z otoczenia (absorbując) energię tylko określonymi porcjami. Te porcje energii nazywamy kwantami.
Powrót do stanu podstawowego jest związany z emisją kwantu promieniowania elektromagnetycznego - fotonu o energii hv równej różnicy energii poziomu wzbudzonego (np. E2) i podstawowego E1.

h - stała Plancka
v - częstość promieniowania elektromagnetycznego

Gdy jest to foton promieniowania widzialnego obserwujemy świecenie. Absorpcję i emisję kwantów promieniowania elektromagnetycznego przedstawiono na rysunku.

Wzbudzeniu atomu towarzyszy czasami inne zjawisko - jonizacja. Przy wyższych poziomach energetycznych różnice energii pomiędzy nimi stają się coraz mniejsze, aż dochodzimy do pewnej granicy. Elektron, który otrzymał energię dostateczną do przekroczenia tej granicy zostaje uwolniony z atomu - staje się elektronem swobodnym. Ponieważ przestał już być związany z atomem jego energia nie jest skwantowana, może przyjmować dowolne wartości.
Proces uwalniania elektronu z atomu nazywamy właśnie jonizacją.

Cząsteczka powstaje w wyniku połączenia się dwu lub więcej atomów. Dla cząsteczek (a one głównie uczestniczą w procesach prowadzących do ultrasłabej bioluminescencji) zjawiska, z którymi mamy doczynienia przy przejściach elektonów pomiędzy stanami energetycznymi, są o wiele bardziej złożone niż w przypadku atomów. Aby je w miarę prosto przedstawić posłużymy się na początku opisem najmniej skomplikowanych molekuł  - cząsteczek dwuatomowych.

Na całkowitą energię cząsteczki składają się:
- energia elektronowa
- energia rotacyjna
- energia oscylacyjna
Energia elektronowa
jest związana (podobnie jak to miało miejsce w atomach) z położeniem elektronów, a ponadto z rodzajem utworzonych wiązań i odległością pomiędzy jądrami atomów wchodzących w skład cząsteczki.
Nie jest to jednak jedyny rodzaj energii z jaką mamy doczynienia w przypadku cząsteczek. Poruszające się molekuły cieczy lub gazu mogą wykonywać ruchy obrotowe. Mówimy, że posiadają energię rotacyjną. Atomy, z których zbudowana jest cząsteczka zbliżają się do siebie badź oddalają - energię tych oscylacji nazywamy energią oscylacyjną. Cząsteczka nie może wykonywać dowolnych ruchów oscylacyjnych i rotacyjnych, obracać się i oscylować z dowolną częstością. Wszystkie te energie przyjmują określone wartości - są skwantowane. Zatem, analogicznie do tego co zostało powiedziane przy omawianiu atomów, cząsteczka może znajdować się jedynie na ściśle określonym, charakterystycznym dla niej poziomie energetycznym, zaś przejścia na wyższe lub niższe poziomy wiążą się odpowiednio z absorpcją i emisją kwantów energii.

Do przedstawienia poziomów energetycznych i przejść elektronowych w dwuatomowych molekułach używamy krzywych potencjału Morse'a. Krzywa Morse'a jest funkcją opisującą zmiany energii potencjalnej cząsteczek w zależności od wzajemnej odległości jąder.

Rys. Krzywe energii potencjalnej stanu podstawowego E1 cząsteczki dwuatomowej.

A, B - oznaczenia atomów wchodzących w skład cząsteczki;
R1 - odległość, przy której cząsteczka ulega dysocjacji.

Minimum krzywej odpowiada energii cząsteczki stabilnej. W miarę zmiejszania się odległości (R) pomiędzy jądrami (czyli przesuwania się w lewą stronę naszego wykresu), wzrasta energia odpychania jąder oraz elektronów należących do różnych atomów i maleje stabilność cząsteczki. Natomiast gdy atomy odsuwają się od siebie (wzrasta R), słabnie wiązanie chemiczne pomiędzy nimi. Przy odległości oznaczonej na naszym rysunku literą R1 cząsteczka dysocjuje - rozpada się na dwa swobodne atomy (A,B).
Na rysunku zaznaczono poziomy oscylacyjne i rotacyjne. Poziomy rotacyjne rozmieszczone są gęściej niż oscylacyjne. Zwykle trudno jest je rozróżnić, dlatego też pominięto je na kolejnych wykresach. 

Gdy cząsteczka zaabsorbuje foton, przechodzi na wyższy poziom energetyczny. Krzywa energii potencjalnej stanu wzbudzonego ma minimum, co umożliwia utrzymanie się molekuły w tym stanie przez pewien czas.

Rys. Krzywe energii potencjalnej cząsteczki dla stanu podstawowego E1 i wzbudzonego E2.

Wzbudzona cząsteczka jest nietrwała i przechodzi do stanu podstawowego bezpromieniście lub emitując promieniowanie.
W wyniku absorpcji kwantu promieniowania elektromagnetycznego przez cząsteczkę może zajść jeszcze inny proces, o którym mówiliśmy wcześniej - dysocjacja. Cząsteczka dysocjuje gdy energia zaabsorbowanego kwantu przekracza granicę dysocjacji. Istnieją molekuły, dla których krzywa energii potencjalnej stanu wzbudzonego nie posiada minimum. W takich wypadkach wzbudzenie powoduje natychmiastową ich dysocjację. Sytuację tę przedstawiono na rysunku.

Emitowane lub absorbowane przez atomy i cząsteczki promieniowanie elektromagnetyczne możemy badać rejestrując jego rozkład spektralny. Analiza rozkładu spektralnego dostarcza cennych informacji o budowie i własnościach badanych związków oraz może pozwolić na ich identyfikację, gdy nie wiemy jakie substancje są źródłem emisji.
Przejścia z kolejnych stanów wzbudzonych atomu do stanu niższego prowadzą do emisji promieniowania, którego rozkład spektralny składa się z linii. Nazywamy go widmem liniowym.
Rozkład spektralny otrzymany przy elektronowych przejściach cząsteczek składa się z pasm. Jest to widmo pasmowe. Taka postać widma jest związana ze zmianami nie tylko energii elektronowej, lecz także oscylacyjnej i rotacyjnej badanego układu.
Przejściom elektronów swobodnych (mogących przyjmować dowolne energie) na jeden ze stanów związanych atomu lub połączeniu się cząsteczek, które wcześniej zdysocjowały odpowiada widmo ciągłe - linie przechodzą płynnie jedna w drugą.
Po tym wstępie przejdźmy do dokładnego omówienia zjawisk towarzyszących przejściom elektronowym.

Procesy towarzyszące powrotowi cząsteczek do stanu podstawowego. Diagram Jabłońskiego.

Zacznijmy od początku. Przy dostatecznie dużej energii absorbowanego kwantu (rysunek) lub odpowiednim kształcie powierzchni energii potencjalnej stanu wzbudzonego (rysunek), cząsteczka może ulec dysocjacji. Gdy absorpcja kwantu nie prowadzi do dysocjacji cząsteczki, przechodzi ona przeważnie nie na pierwszy, lecz wyższy poziom oscylacyjny stanu wzbudzonego (wyjaśnia to reguła Francka-Condona). Na skutek zderzeń z cząsteczkami ośrodka pozbywa się zwykle nadmiaru energii oscylacyjnej. W stanie wzbudzonym przebywa przez niezwykle krótki czas, a następnie z najniższego poziomu oscylacyjnego tego stanu powraca do stanu podstawowego. Jej powrót może się dokonać na kilka konkurencyjnych sposobów.

Cząsteczka może przejść na niższy poziom energetyczny emitując światło. Jeżeli wzbudzenie nie nastąpiło w wyniku wzrostu temperatury źródła promieniowania świecenie to nazywamy luminescencją. Wyróżniamy dwa rodzaje przejść promienistych:

- fluorescencja

- fosforescencja

Powrót cząsteczki do stanu podstawowego niekoniecznie musi wiązać się z emisją fotonu. Może zajść bezpromieniście na drodze:

- konwersji wewnętrznej

- przejścia interkombinacyjnego

Naciśnij odpowiednią strzałkę, a dowiesz się z jakim procesem masz doczynienia!

Rys. Diagram Jabłońskiego

Procesy te bardzo łatwo można przedstawić graficznie, zarówno dla cząsteczek prostych jak i bardziej skomplikowanych, posługując się diagramem Jabłońskiego. Diagram Jabłońskiego jest schematem stanów kwantowych. Jego nazwa pochodzi od nazwiska profesora Uniwersytetu im. Mikołaja Kopernika w Toruniu - Aleksandra Jabłońskiego, który opracował i w 1936 roku opublikował w czasopiśmie Phisik pierwotną wersję diagramu. Diagram narysowany obok jest rozszerzony i uzupełniony.

Schemat przedstawia kolejne poziomy energetyczne cząsteczki wieloatomowej. Poziomem podstawowym jest poziom S0. Pozostałe rozmieszczone są według wzrastającej energii.
S1, S2, S3, S4stanami singletowymi, T1, T2,T3 stanami trypletowymi.

W świecie opisywanym prawami mechaniki kwantowej często operuje się prawdopodobieństwem. Całkowite prawdopodobieństwo przejścia cząsteczki ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego wynosi 1 i jest sumą prawdopodobieństw wszystkich procesów, w wyniku których cząsteczka może powrócić do stanu podstawowego. Proces najbardziej prawdopodobny ma największe szanse wystąpienia. Prawdopodobieństwo zajścia danego procesu nazywamy jego wydajnością kwantową. Na przykład wydajność kwantową fluorescencji określa się jako iloraz  liczby fotonów wyemitowanych przez cząsteczki w całym zakresie widma fluorescencji i liczby fotonów zaabsorbowanych.

ffl - wydajność kwantowa fluorescencji
Nfl - liczba fotonów wyemitowanych
Nab- liczba fotonów zaabsorbowanych

Wzbudzony układ dąży do przyjęcia najbardziej stabilnego stanu i realizuje to najszybszą możliwą drogą. Najszybsze są te procesy, które są najbardziej prawdopodobne. Do opisu procesów często stosuje się wielkość zwaną stałą szybkości. Stała szybkości danego przejścia elektronowego jest miarą liczby cząsteczek podlegającym mu w ciągu jednej sekundy. Stałe szybkości oznaczamy literą k (np. kic - stała szybkości konwersji wewnętrznej, kisc - stała szybkości przejścia interkombinacyjnego).
Średni czas przebywania cząsteczki w stanie wzbudzonym - czas życia stanu wzbudzonego - jest uwarunkowany kilkoma czynnikami. Przede wszystkim zależy od tego, czy przejście dokonuje się pomiędzy stanami o takiej samej czy też różnej multipletowości. Przejścia o różnej multipletowości (np. T1__>S0) są formalnie zabronione, dlatego są mniej prawdopodobne i wiażą się z dłuższym czasem życia stanu wzbudzonego cząsteczek. Ponieważ stan singletowy (S0) jest stanem podstawowym większości znanych nam molekuł, wzbudzony stan trypletowy ma najczęściej dłuższy czas życia, niż wzbudzony stan singletowy. Na najniższym wzbudzonym poziomie singletowym cząsteczka może przebywać około 10-8 s. Czas życia najniższego wzbudzonego stanu trypletowego jest rzędu 10-6 s a istnieją cząsteczki, dla których wynosi 1 sekundę i więcej. Obserwujemy to jako różnicę w długościach średnich czasów zaniku emisji spontanicznej światła dla fosforescencji i fluorescencji. Po wyłączeniu promieniowania wzbudzającego widzimy, że świecenie fosforescencyjne trwa o wiele dłużej niż fluorescencyjne.
Szybkość zachodzenia danego procesu zależy również od różnic energetycznych pomiędzy poziomami. Konwersja wewnętrzna z wyższych singletowych stanów wzbudzonych Sn do pierwszego stanu wzbudzonego S1 Sn__> S1, a także między stanami trypletowymi Tn __> T1 jest ze względu na zagęszczenie poziomów energetycznych procesem bardzo szybkim (stała szybkości kic ok. 1011__1013 s-1).
Konwersja wewnętrzna ze stanu S1 i przejście interkombinacyjne ze stanu T1 są dużo wolniejsze. Jeśli przejście interkombinacyjne S1__> T1 zachodzi pomiędzy stanami o podobnej energii, pomimo zakazu spinowego jego stała szybkości (kisc) jest rzędu 107 __ 1011 s-1 i może ono konkurować z procesem fluorescencji (kfl ok. 106 __ 109 s-1).

Oprócz omawianej wcześniej fluorescencji znamy jeszcze inny jej rodzaj. Jest to tzw. fluorescencja opóźniona. Proces ten charakteryzuje się składem spektralnym takim jak dla fluorescencji i czasem zaniku emisji jak dla fosforescencji.

Wyróżniamy dwa typy fluorescencji opóźnionej:

Jak już mówiliśmy fluorescencja wiąże się z promienistym powrotem cząsteczki ze stanu singletowego S1 do stanu podstawowego S0. Zadrza się jednak, że proces ten nie zachodzi bezpośrednio.
Molekuła, która znalazła się w stanie wzbudzonym S1 może przejść bezpromieniście do stanu T1.

Rys. Schemat fluorescencji opóźnionej typu E.

Można oczekiwać, że z poziomu T1 przejdzie do stanu  podstawowego emitując promieniowanie w procesie fosforescencji lub pozbywając się nadmiaru energii na drodze bezpromienistej. Jeżeli jednak temperatura otaczającego ośrodka będzie dostatecznie duża, aby zapewnić energię termiczną wystarczjąca do przeniesienia jej na wyższy energetycznie poziom, powraca ze stanu T1 do stanu singletowego S1.

C(T1) - cząsteczka C w stanie trypletowym T1
C(S1) - cząsteczka C w stanie singletowym S1

Cząsteczka emituje światło przechodząc do stanu podstawowego nie z T1 lecz z S1.

Mamy więc doczynienia z fluorescencją, ale taką gdzie zanik luminescencji zachodzi wolniej niż w przypadku normalnej fluorescencji tej samej molekuły. Czas wzbudzenia równy jest czasowi przebywania cząsteczki w stanie trypletowym. Proces ten nazywamy fluorescencją opóźnioną typu E.

Innym rodzajem fluorescencji opóźnionej jest tzw. anihilacja tryplet-tryplet. Czas życia poziomu trypletowego jest dostatecznie długi, aby przy odpowiednim "stężeniu" cząsteczek znajdujących się w tym stanie mogły się one ze sobą zderzać. Połączona energia dwóch cząsteczek wystarczy do wzbudzenia jednej z nich do stanu S1. Następuje anihilacja stanu trypletowego.

Powracając w procesie fluorescencji do stanu podstawowego cząsteczka C(S1) emituje foton.

Podobnie jak poprzednio emisja zanika dużo wolniej.

Istnieją jeszcze dwa procesy, w wyniku których wzbudzona cząsteczka może utracić nadmiar energii. Są to:

- reakcje chemiczne

- przenoszenie energii

Niektóre cząsteczki po absorpcji kwantu promieniowania elektromagnetycznego bardzo łatwo wchodzą w reakcje chemiczne. W tych przypadkach, podobnie jak przy przejściach bezpromienistych, również nie obserwujemy luminescencji. Takimi procesami są na przykład ciemnienie chlorku srebra i blaknięcie barwników pod wpływem światła słonecznego. Badaniem procesów chemicznych i fizycznych zachodzących pod wpływem działania światła zajmuje się fotochemia.

Przenoszenie energii to dwucząsteczkowy proces polegający na przekazaniu energii wzbudzenia jednej cząsteczki, cząsteczce drugiej. W jego wyniku cząsteczka pierwotnie wzbudzona wraca bezpromieniście do stanu podstawowego natomiast cząsteczka druga przechodzi do wyższego stanu elektronowego. Proces ten zachodzi jako efekt działania różnorodnych mechanizmów i wielu różnych substancji. Jednym z jego rodzajów jest bezpromieniste przenoszenie energii. Opiszemy go dokładniej.

Bezpromieniste przenoszenie energii jest wynikiem oddziaływania pomiędzy wzbudzonymi i niewzbudzonymi (lub tylko samymi wzbudzonymi) cząsteczkami. To proces, w którym jedna cząsteczka (D) przekazuje energię wzbudzenia cząsteczce (A), przy czym proces przeniesienia energii dokonuje się zanim cząsteczka D wyemituje foton - w czasie życia jej stanu wzbudzonego.

Cząsteczkę A nazywamy akceptorem, cząsteczkę D donorem energii. Jeżeli akceptor A odznacza się duża wydajnościa kwantową fluorescencji emituje promieniowanie.

Przyroda umiejętnie wykorzystuje ten mechanizm w niektórych przypadkach bioluminescencji. Sprzyja mu gęste upakowanie cząsteczek w organellach świecących zwierząt. Na przykład u niektórych gatunków robaczków świętojańskich energia pierwotnie wzbudzonej oksylucyferyny jest przenoszona na białko enzymu lucyferazy - silny emiter. Wiemy to z analizy spektralnej rejestrowanego promieniowania, a także z określenia wydajności kwantowej fluorescencji, które okazują się charakterystyczne dla lucyferazy.

Wszystkie opisane wyżej procesy są konkurencyjne. Przekazywanie energii współzawodniczy z fluorescencją, fosforescencją, przejściami bezpromienistymi oraz reakcjami chemicznymi. Jedynie dysocjacja jest procesem tak szybkim (zachodzi podczas pierwszej oscylacji cząsteczki), że żaden inny proces nie może z nią konkurować.
Są to jednocześnie procesy zachodzące w organizmach żywych. Obserwowane słabe świecenie organizmów jest wynikiem promienistych przejść elektronowych atomów i cząsteczek, z których są zbudowane. Zagadnienie warunków i mechanizmów powstawania związków w stanach wzbudzonych w układach biologicznych będzie rozpatrywane w następnych rozdziałach.


Spis pozostałych rozdziałów:


LITERATURA

1. S. Paszyc "Podstawy fotochemii" PWN, Warszawa 1981.

2. J.P. Simons "Fotochemia i spektroskopia" PWN, Warszawa 1976.

3. A. Kawski "Fotoluminescencja roztworów" PWN, Warszawa 1992.

4. J. Sławiński "Luminescence research and its relation to ultrweak cell radiation" Experientia 44 (1988).