Weird Science

Fluorescencyjna termochromia - zimno, ale nie bezbarwnie

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (4/2017):

Ilustracja

Ples M., Flu­o­re­scen­cyjna ter­mo­ch­ro­mia - zimno, ale nie bez­barw­nie, Che­mia w Szkole, 4 (2017), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 10-14

Niska tem­pe­ra­tura koja­rzy się nam zwy­kle z ubóstwem barw. Łatwo to zro­zu­mieć pamięta­jąc o natu­ral­nym sko­ja­rze­niu z zimą, jako porą roku odz­na­cza­jącą się na naszej sze­ro­ko­ści geo­gra­ficz­nej przerwą w wege­ta­cji i bielą śniegu. Udo­wod­nię jed­nak, że nawet bar­dzo niskie tem­pe­ra­tury nie­ko­niecz­nie zmu­szają nas do porzu­ce­nia piękna i bogac­twa barw.

W tym miej­scu chciałbym przy­pom­nieć Sza­now­nemu Czy­tel­ni­kowi o zja­wi­skach zbior­czo nazy­wa­nych ter­mi­nem chro­mo­tro­pi­zmów. Pole­gają one na odw­ra­cal­nej zmia­nie barwy związ­ków che­micz­nych pod wpły­wem zmiany warun­ków fizycz­nych lub che­micz­nych [1]. Barwa może zmie­niać się w wyniku dzia­ła­nia różn­ych czyn­ni­ków, np. zmian ciśnie­nia (pie­zo­ch­ro­mizm), oświe­tle­nia (foto­ch­ro­mizm), pola magne­tycz­nego (magne­to­ch­ro­mizm), rodzaju roz­pusz­czal­nika (sol­wa­to­ch­ro­mizm).

Jed­nym z sze­rzej zna­nych przy­kła­dów chro­mo­tro­pi­zmów jest ter­mo­ch­ro­mizm, nazy­wany też ter­mo­ch­ro­mią. Polega on na zależn­o­ści zmiany barwy sub­stan­cji od tem­pe­ra­tury. Takie wła­ści­wo­ści wyka­zuje np. jodek rtęci HgI2 – w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej jest czer­wony, nato­miast po ogrza­niu do 126°C staje się żółty - cały pro­ces jest odw­ra­calny [2]. Cho­ciaż doświad­cze­nia z tą sub­stan­cją są inte­re­su­jące, to mają jed­nak dosyć poważną z punktu widze­nia eks­pe­ry­men­ta­tora wadę: związki rtęci są sil­nie tru­jące, a ich odpo­wied­nie uniesz­ko­dli­wie­nie i skła­do­wa­nie jest dosyć trudne. Bez­piecz­niej­szym przy­kła­dem sub­stan­cji wyka­zu­jących tego rodzaju wła­ści­wo­ści jest - biały w nie­zbyt wyso­kich tem­pe­ra­tu­rach - tle­nek cynku ZnO (Fot.1A), który po ogrza­niu odw­ra­cal­nie zmie­nia barwę na żółtą (Fot.1B). Jest to w tym przy­padku spo­wo­do­wane pow­sta­wa­niem tzw. cen­trów barw­nych (cen­trów F) – defek­tów sieci kry­sta­licz­nej, w których miej­sce jonu ujem­nego zostaje zajęte przez jeden lub więcej nie­spa­ro­wa­nych elek­tro­nów [3].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Ter­mo­ch­ro­mia tlenku cynku; A – tem­pe­ra­tura poko­jowa, B – po ogrza­niu

Oczy­wi­ście w przy­padku ter­mo­ch­ro­mii docho­dzi do zmiany barwy świa­tła odbi­tego od danej sub­stan­cji. Ist­nieje jed­nak pewne inte­re­su­jące zja­wi­sko, w którym zmie­nia się barwa świa­tła emi­to­wa­nego przez sub­stan­cję – dla­tego bywa ono nazy­wane flu­o­re­scen­cyjną ter­mo­ch­ro­mią. Feno­men ten występuje bar­dzo wyraźnie dla pew­nego łatwego w syn­te­zie związku, tj. jodku mono­pi­ry­dy­na­mie­dzi(I) [4]. W razie pro­ble­mów ze zdo­by­ciem potrzeb­nych sub­stan­cji opi­suję też wer­sję doświad­cze­nia, którą można wyko­nać z wyko­rzy­sta­niem bar­dzo łatwych do zdo­by­cia, tanich i bez­piecz­nych sub­stan­cji.

Potrzebne sub­stan­cje

Chcąc otrzy­mać potrzebny nam do doświad­cze­nia kom­pleks piry­dyny i jodku mie­dzi musimy zgro­ma­dzić:

Jodek mie­dzi(I) ma dzia­ła­nie tok­syczne i drażn­iące. Piry­dyna wyka­zuje szko­dliwe wła­sno­ści w przy­padku połk­nięcia, inha­la­cji lub kon­taktu ze skórą. Praw­do­po­dobne jest także jej dzia­ła­nie rako­twór­cze. Ciecz ta jest lotna i ma odra­ża­jący zapach.

Jodek mie­dzi(I) może oka­zać się trud­no­do­stępny. Można go jed­nak łatwo otrzy­mać w reak­cji jodku potasu z roz­pusz­czalną solą mie­dzi(II) - na przy­kład z siar­cza­nem(VI) mie­dzi(II) CuSO4. Po zmie­sza­niu wod­nych roz­two­rów obu soli docho­dzi do reak­cji opi­sa­nej poniższym rów­na­niem:

CuSO4 + 2KI → CuI2 + K2SO4uje Rys.1.

Obok siar­czanu(VI) potasu K2SO4 pow­staje wtedy jodek mie­dzi(II) CuI2. My jed­nak prze­cież potrze­bu­jemy jodku, w którym miedź wyka­zy­wa­łaby war­to­ścio­wość równą I. Nic nie stoi na przesz­ko­dzie, ponie­waż uzy­skany jodek mie­dzi(II) jest nie­tr­wały i ulega natych­mia­sto­wej reak­cji dys­pro­por­cjo­no­wa­nia do jodku mie­dzi(I) oraz pier­wiast­ko­wego jodu I2:

2CuI2 → 2CuI + I2

Pow­stały osad jodku mie­dzi(I) należy odsączyć (naj­le­piej próżn­iowo), a następ­nie kil­ku­krot­nie prze­myć zim­nym eta­no­lem w celu usu­nięcia pozo­sta­ło­ści jodu, który w razie potrzeby można odzy­skać z prze­sączu.

Otrzy­many jodek mie­dzi(I) ma postać bia­łego proszku (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Jodek mie­dzi(I)

Dru­gim wyma­ga­nym rea­gen­tem jest piry­dyna. Jest to orga­niczny aro­ma­tyczny związek hete­ro­cy­kliczny. Ozna­cza to, że w pier­ście­niu jego cząsteczki występuje przy­najm­niej jeden atom pier­wiastka innego niż węgiel – w tym przy­padku jest to azot N. Dosko­nale uka­zuje to wzór struk­tu­ralny piry­dyny (Rys.1).

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny piry­dyny

Sub­stan­cja ta jest bez­barwną cie­czą o gęsto­ści nieco mniej­szej od gęsto­ści wody (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 - Piry­dyna

Piry­dynę należy prze­cho­wy­wać w szczel­nie zamk­niętych naczy­niach z powodu jej lot­no­ści i tok­sycz­no­ści.

Otrzy­my­wa­nie kom­pleksu

By wytwo­rzyć odpo­wiedni kom­pleks, wystar­czy dodać kilka mili­gra­mów jodku mie­dzi(I) do nie­wiel­kiej objęto­ści (około 5 cm3) piry­dyny. Po wstrząśnięciu jodek roz­two­rzy się, a roz­twór przy­bie­rze barwę żółt­awą (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Roz­twór jodku tri­pi­ry­dy­na­mie­dzi(I)

W ten spo­sób uzy­ska­li­śmy roz­twór kom­pleksu jodku tri­pi­ry­dy­na­mie­dzi(I) (C5H5N)3CuI w piry­dy­nie.

Roz­two­rem tym należy nasączyć paski papieru; nie można tu użyć żad­nego papieru zawie­ra­jącego wybie­la­cze optyczne. Dla­tego na pewno nie nada się tutaj papier do dru­karki ani papier zeszy­towy. Naj­lep­szy będzie papier fil­tra­cyjny pozy­skany ze zwy­kłego sączka.

Papier należy następ­nie ostrożnie wysu­szyć w tem­pe­ra­tu­rze 40-60°C. Naj­pierw odpa­ro­wuje wtedy nad­miar piry­dyny, po czym kom­pleks zaczyna odłączać od sie­bie jej cząsteczki. Po odsz­cze­pie­niu jed­nej prze­cho­dzi w jodek dipi­ry­dy­na­mie­dzi(I) (C5H5N)2CuI, wyka­zu­jący nie­zbyt silną bla­do­zie­loną flu­o­re­scen­cję pod wpły­wem świa­tła ultra­fio­le­to­wego. Przy dal­szym ogrze­wa­niu kom­pleks odsz­cze­pia kolejną cząsteczkę piry­dyny i na papie­rze pozo­staje war­stewka sta­bil­nego w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej jodku mono­pi­ry­dy­na­mie­dzi(I) (C5H5N)CuI. I to wła­śnie ten związek jest głów­nym przed­mio­tem naszego zain­te­re­so­wa­nia!

Uwaga prak­tyczna: ogrze­wa­nia nie należy pro­wa­dzić w zbyt wyso­kiej tem­pe­ra­tu­rze ani prze­sad­nie długo, ponie­waż wtedy potrzebny kom­pleks może ulec roz­kła­dowi do jodku i piry­dyny.

Flu­o­re­scen­cyjna ter­mo­ch­ro­mia

Spójrzmy na Fot.5 - pasek papieru B został pokryty kom­plek­sem, w prze­ci­wieńs­twie do paska A.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Paski bibuły fil­tra­cyj­nej przy oświe­tle­niu świa­tłem widzial­nym; A – pasek kon­trolny, B – pasek pokryty war­stwą kom­pleksu

W świe­tle widzial­nym oba frag­menty papieru wyglądają tak samo; nie udaje się zaob­ser­wo­wać żad­nej różn­icy w bar­wie.

Uży­cie świa­tła ultra­fio­le­to­wego ujaw­nia zde­cy­do­wa­nie odmienny widok (Fot.6).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Paski bibuły fil­tra­cyj­nej przy oświe­tle­niu świa­tłem UV; A – pasek kon­trolny, B – pasek pokryty war­stwą kom­pleksu (ISO­400, 1/40s)

Pasek A pozo­staje w dal­szym ciągu ciemny, ale pokryty oma­wia­nym kom­plek­sem pasek B flu­o­ry­zuje pięk­nym jasnym świa­tłem koloru cytry­nowo-żółt­ego!

Sprawdźmy teraz co się sta­nie po sch­ło­dze­niu sub­stan­cji w cie­kłym azo­cie o tem­pe­ra­tu­rze wrze­nia rów­nej -196°C. Przy pracy z tą sub­stan­cją trzeba oczy­wi­ście zacho­wać daleko idącą ostrożn­ość, ponie­waż tak niska tem­pe­ra­tura może z łatwo­ścią spo­wo­do­wać nie­bez­pieczne odm­ro­że­nia. Przy krót­k­o­tr­wa­łym kon­tak­cie cie­kłego azotu ze skórą naszym sprzy­mie­rzeńcem jest jed­nak zja­wi­sko Lei­den­fro­sta – ciecz gwałt­ow­nie wrząc two­rzy izo­la­cyjną war­stwę gazu, która przez krótki czas zabez­pie­cza przed ura­zem ter­micz­nym [5].

Flu­o­re­scen­cja w dal­szym ciągu jest wyraźnie widoczna, ale zacho­dzi zaska­ku­jąca zmiana: w niskiej tem­pe­ra­tu­rze miej­sce barwy żółtej zaj­muje fio­le­towo-nie­bie­ska (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Flu­o­re­scen­cja paska pokry­tego war­stwą jodku mono­pi­ry­dy­na­mie­dzi(I) po sch­ło­dze­niu cie­kłym azo­tem; widoczna fio­le­towo-nie­bie­ska flu­o­re­scen­cja (ISO­400, 1/25s)

Po ogrza­niu flu­o­re­scen­cja na pow­rót przyj­muje barwę żółtą (Fot.8).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Flu­o­re­scen­cja paska pokry­tego war­stwą jodku mono­pi­ry­dy­na­mie­dzi(I) po ogrza­niu do tem­pe­ra­tury poko­jo­wej; ponow­nie widoczna jasno­żółta flu­o­re­scen­cja (ISO­400, 1/25s)

Różn­ice w bar­wie można porów­nać ana­li­zu­jąc Fot.9.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Różn­ica barw flu­o­re­scen­cji (ISO­400, 1/25s)

Przej­ście barwne jest bar­dzo kon­tra­stowe; pod­czas ogrze­wa­nia paska papieru gra­dient tem­pe­ra­tury jest widoczny jako prze­miesz­cza­jąca się gra­nica między barwą fio­le­towo-nie­bie­ską a żółtą (Fot.10).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Zmiany barw flu­o­re­scen­cji paska pod­czas jego ogrze­wa­nia do tem­pe­ra­tury poko­jo­wej (ISO­400, 1/25s)

Jesz­cze pro­ściej

Jeśli nie mamy dostępu do sub­stan­cji potrzeb­nych do wyko­na­nia uprzed­nio opi­sa­nych doświad­czeń to nie trzeba się zała­my­wać, ponie­waż przy­go­to­wa­łem także inne ich warianty. Różn­ica barw nie jest w tym przy­padku aż tak kon­tra­stowa, ale wyma­gane mate­riały są tanie i łatwe do zdo­by­cia:

Zarówno gli­ce­rol (gli­ce­rynę), jak i mle­czan eta­kry­dyny możemy z nabyć w aptece. Ten drugi, pod han­dlową nazwą riwa­nol lub akri­nol zna­lazł zasto­so­wa­nie jako śro­dek dezyn­fe­ku­jący.

Cho­ciaż riwa­nol nie jest uwa­żany za sil­nie tok­syczny, to w dużych ilo­ściach może wyka­zy­wać dzia­ła­nia nie­po­żądane. W sta­nie wil­got­nym pozo­sta­wia na skórze trudne do usu­nięcia żółte plamy.

Riwa­nol zarówno w sta­nie sta­łym, jak i w roz­two­rze wod­nym wyka­zuje bar­dzo silną flu­o­re­scen­cję. Jest ona zau­wa­żalna gołym okiem nawet dla stężeń docho­dzących do jed­nej milio­no­wej czę­ści pro­centa [6].

Aby wyko­nać doświad­cze­nia jest konieczne przy­go­to­wa­nie roz­tworu riwa­nolu w gli­ce­rolu. Roz­twór nie może być zbyt stężony – wystar­czy w kilku-kil­ku­na­stu cen­ty­me­trach sze­ścien­nych cie­czy roz­pu­ścić dosłow­nie szczyptę barw­nika!

Roz­pusz­cza­nie sub­stan­cji sta­łej w gli­ce­rolu jest dosyć powolne. Sil­nie mie­sza­nie wydat­nie przy­spie­sza ten pro­ces.

Gli­ce­ro­lowy roz­twór riwa­nolu (podob­nie jak wodny) wyka­zuje bar­dzo silną flu­o­re­scen­cję pod wpły­wem świa­tła ultra­fio­le­to­wego (Fot.11A). Zau­ważmy, że jej barwa jest inten­syw­nie jasno­zie­lona.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Zmiany barw flu­o­re­scen­cji gli­ce­ro­lo­wego roz­tworu riwa­nolu; A – tem­pe­ra­tura około 20°C, B – tem­pe­ra­tura około −78,5°C, widoczne oszro­nie­nie zlewki spo­wo­do­wane kon­den­sa­cją pary wod­nej z powie­trza (ISO­400, 1/13s)

Tak jest jed­nak jedy­nie w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej. Aby prze­ko­nać się, jaki efekt spo­wo­duje och­ło­dze­nie roz­tworu, w tym przy­padku wystar­czy nam suchy lód, tj. zesta­lony dwu­tle­nek węgla CO2. Sub­li­mu­jąc zacho­wuje on tem­pe­ra­turę −78,5°C i dzięki zasto­so­wa­niu w chłod­nic­twie bywa łatwiej dostępny niż cie­kły azot. Pamiętać należy jed­nak, że mimo tem­pe­ra­tury dużo wyższej niż w przy­padku cie­kłego azotu, suchy lód w dal­szym ciągu może spo­wo­do­wać dot­kliwe i trudno gojące się odm­ro­że­nia – z tych powo­dów trzeba zacho­wać ostrożn­ość.

Po och­ło­dze­niu suchym lodem roz­twór w zau­wa­żalny spo­sób zwięk­sza swoją lep­kość, zaś barwa jego flu­o­re­scen­cji zmie­nia się na wyraźnie nie­bie­sko-zie­loną (Fot.11B). Po ogrza­niu następuje pow­rót do jasno­zie­lo­nej barwy flu­o­re­scen­cji.

W tym przy­padku możemy zaob­ser­wo­wać także inne inte­re­su­jące zja­wi­sko – fos­fo­re­scen­cję. Uprze­dzam jed­nak, że przy wyko­rzy­sta­niu suchego lodu inten­syw­ność i dłu­gość trwa­nia poświaty są sto­sun­kowo małe – zja­wi­sko zaczyna być łatwe do zau­wa­że­nia dopiero po och­ło­dze­niu roz­tworu cie­kłym azo­tem. Po naświe­tle­niu zawar­to­ści naczy­nia i wyłącze­niu źródła świa­tła UV można zaob­ser­wo­wać jasną, trwa­jącą pewien czas żółtą fos­fo­re­scen­cję roz­tworu (Fot.12).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.12 – Fos­fo­re­scen­cja roz­tworu riwa­nolu po och­ło­dze­niu do tem­pe­ra­tury cie­kłego azotu (ISO­400, 1/2s)

Prze­cho­wy­wa­nie

Gli­ce­ro­lowy roz­twór riwa­nolu i otrzy­mane uprzed­nio impre­gno­wane kom­plek­sem jodku mono­pi­ry­dy­na­mie­dzi(I) paski bibuły są trwałe i można je wyko­rzy­sty­wać wie­lo­krot­nie. Należy je jed­nak prze­cho­wy­wać w odpo­wied­nich warun­kach, tj. bez dostępu wil­goci i świa­tła.

Wyja­śnie­nie

Wiemy, że każde ciało pod­grzane do odpo­wied­nio wyso­kiej tem­pe­ra­tury zaczyna świe­cić, podob­nie jak roz­grzany w pło­mie­niu pal­nika pręt meta­liczny. Należy jed­nak pamiętać, że mate­ria wysyła pro­mie­nio­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne w każdej tem­pe­ra­tu­rze wyższej od zera bezw­zględ­nego - zaczyna być ono dostrze­galne dla nas dopiero w odpo­wied­nio wyso­kiej tem­pe­ra­tu­rze. Pro­mie­nio­wa­nie to jest efek­tem tak zwa­nej emi­sji ter­micz­nej.

Odręb­nym ze względu na mecha­nizm jego pow­sta­wa­nia zja­wi­skiem jest lumi­ne­scen­cja, w trak­cie której pro­mie­nio­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne z zakresu świa­tła widzial­nego jest emi­to­wane z przy­czyn innych niż wysoka tem­pe­ra­tura. Ist­nieje wiele typów lumi­ne­scen­cji, różn­iących się czyn­ni­kiem pobu­dza­jącym dane ciało do świe­ce­nia. Może to być prze­pływ prądu elek­trycz­nego (elek­tro­lu­mi­ne­scen­cja), pewne reak­cje che­miczne (che­mi­lu­mi­ne­scen­cja), kru­sze­nie krysz­ta­łów (try­bo­lu­mi­ne­scen­cja) i inne.

Flu­o­re­scen­cja jest także jed­nym z rodza­jów lumi­ne­scen­cji (foto­lu­mi­ne­scen­cji). Jest to zja­wi­sko emi­to­wa­nia świa­tła przez atom lub cząsteczkę po pobu­dze­niu świa­tłem, naj­czę­ściej pro­mie­nio­wa­niem UV. Zja­wi­sko uznaje się za flu­o­re­scen­cję, gdy po usta­niu pro­mie­nio­wa­nia wzbu­dza­jącego następuje szybki zanik emi­sji, tzn. w cza­sie do 10−8s.

Zro­zu­mie­nie zacho­dzących tu pro­ce­sów może uła­twić wyko­rzy­sta­nie tzw. dia­gra­mów Jabłońs­kiego. Obra­zują one uprosz­czony obraz względ­nego roz­miesz­cze­nia pozio­mów ener­ge­tycz­nych cząsteczki. Odpo­wiedni w tym przy­padku dia­gram został przed­sta­wiony na Rys.2.

Ilustracja
Rys. 2 – Dia­gram Jabłońs­kiego; A – tem­pe­ra­tura poko­jowa, B – tem­pe­ra­tura obni­żona; strzałka prze­ry­wana – VR

W nor­mal­nych warun­kach cząstka przez więk­szość czasu znaj­duje się w sta­nie pod­sta­wo­wym, o naj­niższej ener­gii. Stan ten jest sta­bilny. Po poch­ło­nięciu odpo­wied­niej por­cji ener­gii (tutaj w postaci świa­tła ultra­fio­le­to­wego UV) następuje przej­ście do stanu wzbu­dzo­nego o wyższej ener­gii – tutaj E3.

Część ener­gii wzbu­dze­nia zostaje jed­nak pra­wie natych­miast roz­pro­szona, np. na sku­tek przejść oscy­la­cyjno-rota­cyj­nych (ang. vibra­tio­nal-rota­tio­nal, VR). Z tego powodu cząstka prze­cho­dzi na niższy poziom ener­ge­tyczny, który w odnie­sie­niu do stanu pod­sta­wo­wego jest w dal­szym ciągu sta­nem wzbu­dzo­nym.

Wiemy, że cząstki w tem­pe­ra­tu­rach wyższych od zera abso­lut­nego inten­syw­nie drgają. Ampli­tuda owych drgań rośnie wraz z tem­pe­ra­turą. Z tego powodu w wyższej tem­pe­ra­tu­rze (Rys.2A) pod­czas przej­ścia oscy­la­cyjno-rota­cyj­nego VR zosta­nie roz­pro­szona więk­sza ilość ener­gii niż w niższej tem­pe­ra­tu­rze (Rys.2B). Dla­tego w wyniku VR cząstka w pierw­szym przy­padku przyj­mie niższy stan ener­ge­tyczny (E1) niż w dru­gim (E2).

Natura dąży do rów­no­wagi - sta­bilny jest stan o możl­i­wie naj­niższej ener­gii. Dla­tego (w przy­padku flu­o­re­scen­cji) bar­dzo szybko zacho­dzi prze­skok do stanu pod­sta­wo­wego. Różn­ica ener­gii ΔE zgod­nie z zasadą zacho­wa­nia ener­gii zostaje oddana do śro­do­wi­ska w postaci pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego o odpo­wied­niej dłu­go­ści fali [7].

Pod­czas prze­skoku do stanu pod­sta­wo­wego różn­ica ener­gii między sta­nem wzbu­dzo­nym, a pod­sta­wo­wym ΔE1 jest mniej­sza niż ΔE2. Dłu­gość fali wypro­mie­nio­wa­nego świa­tła (jego barwa) jest ści­śle związana z jego ener­gią. W przy­padku jodku mono­pi­ry­dy­na­mie­dzi(I) różn­ica ener­gii w warun­kach tem­pe­ra­tury poko­jo­wej (ΔE1) odpo­wiada świa­tłu żółt­emu, zaś po sch­ło­dze­niu (ΔE2) fio­le­towo-nie­bie­skiemu. Ana­lo­gicz­nie wygląda sytu­a­cja w przy­padku gli­ce­ro­lo­wego roz­tworu riwa­nolu.

Widzimy jasno, że z powodu roz­pra­sza­nia ener­gii pro­mie­nio­wa­nie oddane ma zaw­sze niższą ener­gię niż pro­mie­nio­wa­nie wzbu­dza­jące. Zja­wi­sko to nazy­wamy prze­su­nięciem Sto­kesa i mogli­śmy je zaob­ser­wo­wać dla obu sub­stan­cji w każdej tem­pe­ra­tu­rze. Zau­ważmy jed­nak, że w opi­sy­wa­nych doświad­cze­niach zmie­nia­li­śmy wiel­kość prze­su­nięcia Sto­kesa za pomocą tem­pe­ra­tury sub­stan­cji.

Jeśli cho­dzi o fos­fo­re­scen­cję sch­ło­dzo­nego roz­twory rywa­nolu, to klu­czową kwe­stią jest tutaj fakt, że w tym przy­padku stan wzbu­dzony możemy okre­ślić jako meta­sta­bilny. Cząstka może w nim pozo­stać przez dużo dłuższy czas po usta­niu czyn­nika wzbu­dza­jącego niż ma to miej­sce w flu­o­re­scen­cji. W sub­stan­cjach wyka­zu­jących fos­fo­re­scen­cję docho­dzi do sto­sun­kowo częstych przejść między­sy­s­te­mo­wych między sta­nem sin­gle­to­wym a try­ple­to­wym. Naj­bar­dziej praw­do­po­dobne są jed­nak przej­ścia między sta­nami o tej samej mul­ti­ple­to­wo­ści – mówi o tym kwan­towa reguła wyboru. Przej­ście do stanu pod­sta­wo­wego jest więc utrud­nione z powodu nie­wiel­kiego praw­do­po­do­bieńs­twa takiego pro­cesu, przez co uwal­nia­nie ener­gii wzbu­dze­nia trwa na tyle długo, że możemy je zaob­ser­wo­wać jako powoli zani­ka­jącą poświatę. Wiele sub­stan­cji wyka­zuje podobne wła­ści­wo­ści, np. domiesz­ko­wany man­ga­nem siar­czek cynku ZnS:Mn [8].

W ten sto­sun­kowo pro­sty spo­sób udało nam się wnik­nąć w mecha­ni­zmy prze­mian ener­ge­tycz­nych zacho­dzących w skali ato­mo­wej. Trzeba także zazna­czyć, że tego typu wła­ści­wo­ści nie są jedy­nie cie­ka­wostką; znaj­dują one zasto­so­wa­nie w wielu dzie­dzi­nach współcze­snej nauki.

Lite­ra­tura:

Wszyst­kie foto­gra­fie wyko­nane przez autora

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Uzu­pełn­ie­nie autora

Jako doda­tek do powyższego tek­stu pro­po­nuję ani­ma­cję uka­zu­jącą w cza­sie rze­czy­wi­stym zmianę barw oma­wia­nego w arty­kule kom­pleksu mie­dzi przy ogrze­wa­niu po uprzed­nim zanu­rze­niu w cie­kłym azo­cie:

Ilustracja

Marek Ples

Aa