6. Phƣơng pháp nghiên cứu
4.4.1. Các mức năng lƣợng của điện tử trong chất màu
Theo sơ đồ mức năng lượng màu của phân tử chất màu trong dung dịch, mỗi một trạng thái điện tử gồm một loạt trạng thái dao động và trạng thái quay. Vì cơ chế gây nên sự giản rộng của các vạch trong chất lỏng lớn hơn rất nhiều so với chất khí nên các mức năng lượng quay trong chất lỏng không tách biệt mà thành lập phổ đám giữa các mức dao động.
Hình 4.19. Sơ đồ mức năng lượng đối với chất màu trong dung dịch
Phổ điện tử chất màu trong dung dịch là trạng thái “đơn mức” và “ba mức”. Xét trường hợp khi có bức xạ điện từ tác động lên chất màu:
- Theo quy tắc lọc lựa phổ ΔS = 0, dịch chuyển “đơn-đơn” được cho phép và dịch chuyển “đơn-ba” bị cấm.
- Phân tử chuyển từ trạng thái S0 lên một trong những mức dao động của S1. Một thời gian ngắn sau, phân tử phục hồi không bức xạ về mức dao động thấp nhất của S1.
Tiểu luận lý thuyết LASER - Phân tử bức xạ để chuyển từ mức năng lượng thấp nhất của S1 về S0, bức xạ sinh ra là bức xạ huỳnh quang. Sau đó, phân tử phục hồi không bức xạ về trạng thái năng lượng thấp nhất của S0.
- Khi phân tử đang ở trạng thái thấp nhất của S1, nó có thể dịch chuyển qua trạng thái T1 do va chạm. Đây là quá trình chuyển hóa mức “đơn-ba”.
- Do va chạm, phân tử có thể chuyển từ trạng thái T1 về trạng thái S0. Bức xạ sinh ra là bức xạ lân quang.
Quá trình phục hồi trên được đặc trưng bởi ba thông số sau:
- Thời gian sống τcπ của trạng thái được xác định bởi quá trình phát xạ tự phát - Vận tốc Kst của chuyển hóa “đơn-ba”
- Thời gian sông τR của trạng thái T1.
Nếu kí hiệu thời gian sống của trạng thái S1 là τ thì
1 1 st c K
Điện tử ngoại cùng của phân tử màu có thể dich chuyển tự do khắp thể tích của phân tử nên chất màu có yếu tố ma trận dịch chuyển rất lớn. Từ đây ta có:
- Tiết diện hấp thụ lớn. Chỉ cần một ít chất màu là có thể gây nên sự hấp thụ mạnh độ dài sóng tương ứng với dịch chuyển S0 lên S1. Dung môi có màu bổ sung tương ứng vơi độ dài bước sóng.
- Thời gian sống τcπ rất nhỏ (khoảng nano giây) trong khi 1
st
K rất lớn (10-7 giây) nên phần lớn từ trạng thái S1 do huỳnh quang.
Tiểu luận lý thuyết LASER Thời gian sống τT của trạng thái “ba mức” phụ thuộc vào một số điều kiện thực nghiệm, đặc biệt là lượng O trong dung dịch (10-7 10-3 s khi O bão hòa). Nếu
1
T Kst
thì phân tử sẽ tích tụ trên mức ba T1. Điều này ảnh hưởng mạnh lên quá trình phát quang do: giảm số phân tử hoạt tính, tăng quá trình hấp thụ do dịch chuyển T1 lên T2. Quá trình hấp thụ này xảy ra đối với độ dài sóng huỳnh quang. Nếu τT lớn hơn một giá trị nào đó, laser chỉ phát ở chế độ xung. Dưới tác động của bức xạ sinh ra, môi trường hoạt tính không có sự đồng nhất về nhiệt độ. Gradient chiết suất sẽ tồn tại trong môi trường hoạt tính và cản trở quá trình phát.
Từ những điều trên ta có thể suy ra rằng, các chất màu trong laser phải phát ra bức xạ huỳnh quang. Tần số bức xạ phải đủ trong suốt với dung dịch và nhỏ hơn tần số hấp thụ.