Универсальное соотношение Степанова

В 1956 году Б.И. Степановым был открыт общий закон, связывающий спектры поглощения и люминесценции сложных молекул. В соответствии с этим законом контуры полос поглощения и люминесценции сложных молекул связаны соотношением, которое получило название универсального:

, (8)

где D — постоянная, зависящая от температуры, условий возбуждения и ряда других факторов. Главное условие для выполнения универсального соотношения (8) заключается в том, чтобы установить равновесное распределение частиц по колебательным подуровням основного и возбужденного состояний за время, значительно меньшее времени спонтанного перехода. Условие (8) можно записать так:

(9)

и прологарифмировать (как предложил Аленцев):

. (10)

Выражение (10) дает возможность экспериментально проверить выполнение универсального соотношения Степанова. Действительно, если построить график зависимости , то должна получиться прямая линия.

. (11)

По угловому коэффициенту этой прямой можно определить температуру среды Т:

. (12)

Линейный ход зависимости (11) практически наблюдается во всех опытах по проверке универсального соотношения. Однако температура Т, определенная по наклону прямой, временами не соответствует температуре раствора и чаще всего превышает ее. Это несоответствие поясняется на основе представлений о влиянии межмолекулярных взаимодействий на спектры молекул в растворах.

Порядок выполнения работы

1. Изучить инструкцию по эксплуатации спектрофлуориметра «Универон». Обратить особое внимание на оптическую схему кюветного отделения, подготовку к работе прибора и порядок работы.

2. Ознакомиться со схемой универсальной установки для изучения люминесценции.

3. Включить ПЭВМ. С рабочего стола компьютера загрузить программу Т.МЕТR. Включить спектрофлуориметр, предварительно закрыв обе щели монохроматора перед фотоприемником (ФЭУ).

Внимание! Одновременно с включением прибора в сеть включается источник высоковольтных напряжений и подается напряжение на ФЭУ. Категорически запрещается при включенном приборе открывать кюветную камеру и другие крышки на приборе.

4. В меню программы найти кнопку Интенсиметр и при закрытых щелях монохроматора посмотреть частоту «темновых» импульсов, поступающих от ФЭУ. Информация будет выводиться в отдельном окне на экране дисплея. Убедиться, что число импульсов на ФЭУ не превышает 50 при времени накопления 1 с. Закрыть окно интенсиметра.

5. Измерить спектр люминесценции красителя Родамин-6Ж в растворе этилового спирта для разных частот возбуждения (546,1; 491,6; 435,8 нм). Для этого необходимо:

• Включить ртутную лампу ДРШ-250 (на блоке питания ртутной лампы ЭПС-111 перевести тумблеры «Сеть» и «Лампа ДРШ» в положение «Вкл», нажать кнопку «Пуск»). Дать лампе прогреться 5 — 10 минут и сфокусировать свет лампы на щель монохроматора.

• Выбрать в меню Спектр, соответствующую опцию флуоресценции. В появившемся окне задать параметры: длина волны возбуждения, диапазон регистрации (500 — 700 нм), время регистрации (1 с), шаг сканирования (1 нм).

• Перед началом записи спектра флуоресценции необходимо установить уровень сигнала люминесценции в максимуме спектра люминесценции. Для этого: 1) в окне возбуждения устанавливаем 546,1 нм; 2) диапазон регистрации: начало — 558 нм, конец — 559 нм; 3) шаг сканирования — 1 с; 4) время регистрации — 1 с; 5) нажать клавишу ОК.

• Закрыть окно Спектр и открыть окно Интенсиметр. Плавно открывая щели входного и выходного монохроматоров, установить уровень сигнала света люминесценции порядка 100 000 импульсов на ФЭУ.

• Закрыть окно Интенсиметр и открыть окно Спектр. В параметрах установить диапазон регистрации 500 — 700 нм и нажать кнопку ОК. Прервать регистрацию спектра можно посредством кнопки Стоп.

• Полученный спектр записать на дискету.

Аналогично осуществляются записи спектров при возбуждении на длине волны 491,6 нм (при настройке в максимум полосы люминесценции получить на ФЭУ, открывая щели монохроматоров до 5000 импульсов, записать спектр на дискету) и при возбуждении на длине волны 435,8 нм (в максимуме полосы люминесценции на ФЭУ до 22 000 импульсов, записать спектр на дискету).

• Аккуратно закрыть щели монохроматоров, выйти из программы, выключить (на блоке питания) спектрофлуориметр, выключить лампу.

6. Получить исправленные с учетом спектральной чувствительности спектры люминесценции.

Указания: 1) использовать с рабочего стола файлы CorrTmetr; 2) величина отклика системы регистрации флуоресценции на излучение одной и той же интенсивности обычно различна для различных длин волн, т. е. спектральная чувствительность установки . Причиной этого является зависимость от длины волны чувствительности фотоприемника, а также пропускания монохроматора люминесценции. В результате зависимость сигнала на выходе регистрирующей системы люминесцентной установки от частоты (т. е. регистрируемый, или аппаратурный спектр люминесценции ) по форме не совпадает с истинным спектром люминесценции , и можно записать:

. (1.1)

Калибровка люминесцентной установки по спектральной чувствительности производится путем регистрации спектра источника с известным спектральным распределением интенсивности и нахождения из соотношения (1.1).

Применяемая в настоящей работе универсальная установка прокалибрована, результаты представлены в виде файла , причем исходно калибровка сделана для представления спектра не в виде спектра мощности испускания, а в квантовых единицах, т. е. для нахождения спектра мощности люминесценции необходимо выполнить процедуру, даваемую соотношением

.

7. Преобразовать спектры поглощения и люминесценции к виду, позволяющему анализировать выполнимость зеркальной симметрии .

Указания. Спектр поглощения Родамин-6Ж записан на приборе Solar 125/PV. Файлы с результатами приведены на рабочем столе в папке спектры п…. Для работы выбираем любой спектр. Спектр записан в координатах , где D — оптическая плотность раствора. Можно показать, что с точностью до постоянной пропорционально ~ . Длину волны переводим в частоту. В спектроскопии частота измеряется не в Гц ( ), а в см^–1 ( ).

8. Представить спектры в нормированном виде графически в координатах от частоты (см^–1) на одном графике (спектр поглощения и три спектра люминесценции). Графики распечатать.

Указания. Для нормировки спектров выбираем максимальное значение интенсивности в каждом спектре и делим на него все остальные значения интенсивностей соответствующего спектра. В результате получаем величины интенсивностей в пределах от 0 до 1.

9. По точке пересечения графиков определяем частоту чисто электронного перехода, убеждаемся, что положение максимумов спектров люминесценции не зависит от частоты возбуждения, и проверяем выполнение правила зеркальной симметрии спектров поглощения и люминесценции.

Указания. Для проверки зеркальной симметрии спектров строим график , где . Если эта зависимость линейная, то правило зеркальной симметрии выполняется.

10. Проверить выполнимость универсального соотношения Степанова. Определить из анализа спектров температуру раствора красителя.

Указания. Используя график и один из графиков в области перекрытия спектров поглощения и люминесценции определить для разных частот (не менее 5 значений, включая частоту чисто электронного перехода). Построить график . Прямая линия указывает на выполнение универсального соотношения Степанова. Используя формулу (12)

,

где — угол наклона прямой, оценить температуру раствора красителя.