Đề tài Hiện tượng phát quang ở các hợp chất hữu cơ

 1. PHẦN MỞ ĐẦU 
1.1. Lí do chọn đề tài 
 Ánh sáng phát ra từ quá trình phát quang được xem như một ánh sáng lạnh tương 
phản với ánh sáng phát ra từ các vật được nung nóng ở nhiệt độ cao. Phát quang tồn tại 
dưới rất nhiều dạng khác nhau, ví dụ như quang phát quang, catốt phát quang (sự phát 
quang bởi tia điện tử), sinh phát quang, nhiệt phát quang, ma sát phát quang, âm phát 
quang, điện phát quang. Sự khác nhau của các dạng phát quang này là do những quá 
trình kích thích mà diễn ra ưu tiên là đối với sự bức xạ của quá trình phát quang. Những 
quá trình bức xạ này không bị ảnh hưởng bởi các dạng khác nhau của quá trình kích 
thích nếu các hiệu ứng thứ cấp như quá trình phát ra bức xạ có hại hay phân rã các chất 
hóa học không xảy ra. 
 Quang phát quang, sự kích thích bằng tia cực tím hay bằng ánh sáng nhìn thấy, là 
những quá trình có ích nhất đối với việc nghiên cứu các tính chất cơ bản của vật liệu 
phát quang bởi vì nó cho phép sự điều khiển về điều kiện kích thích. 
 Đề tài “Hiện tượng phát quang ở các hợp chất hữu cơ” nghiên cứu rõ hơn về 
hiện tượng nói trên. Đây là lí do chọn đề tài. 
1.2. Điểm mới của đề tài 
 Nghiên cứ u nguồn gốc phát quang và sự phát quang của các hợp chất hữu cơ. 
 1 này do sự kích thích của các electron σ. Những giản đồ lai hóa khác có thể hình thành 
như sp2 và sp. Trong lai hóa sp2, một trong các orbital p sẽ đứng yên không thay đổi, lai 
 2
hóa sp hình thành nên 3 orbital lai hóa khác nằm trong cùng một mặt phẳng, hợp với 
nhau một góc 1200. Các dạng orbital lai hóa này hình thành nên những liên kết σ giữa 
các nguyên tử C-C hay C-H và cũng dùng cho loại phân tử có cấu trúc mạch vòng như 
benzen. Những orbital p đứng yên này sẽ giãn ra phía dưới và phía trên mặt phẳng 
phân tử , theo phương vuông góc với với mặt phẳng đó, với một nút(node) nằm trong 
mặt phẳng . Orbital p này sẽ xen phủ lên orbital p khác của nguyên tử Cacbon kế cận để 
hình thành nên một liên kết π như ở phân tử êtylen C2H4 (CH2=CH2). Mức độ xem phủ 
của liên kết π kém hơn rất nhiều so với liên kết σ. Điều này được phản ánh rõ ràng 
trong năng lượng liên kết của các liên kết này. Ví dụ như cần cung cấp một năng lượng 
là 6,33eV để phá vỡ một liên kết σ đơn, nhưng phải cần đến 3,98eV để phá vỡ một liên 
kết đôi(1-1π) thành một  đơn. 
 Lai hóa sp còn được áp dụng cho liên kết 3 trong phân tử axêtylen C2H2 , hình 
thành bởi 1liên kết  và 2 liên kết π. 
 Đó là những trạng thái kích thích của hệ các electron π mà liên quan đến phổ phát 
quang của các hợp chất hữu cơ và đặc biệt những phân tử có liên kết đôi như polyenes, 
hidrocacbon thơm, nucleic, hay amino acid,... 
 Việc nghiên cứu về các Hidrocacbon thơm hay polyenes đơn giãn có thể giúp ta 
thấy được quá trình cơ bản của sự phát quang hữu cơ, và những nghiên cứu về lĩnh vực 
này đã trải qua trên hai thập kỉ. Hình 1 chỉ ra được các orbital electron π của vòng 
benzen. Các orbital p của mỗi nguyên tử liên hệ chặt chẽ với các orbital p của các 
nguyên tử kế cận, vì vậy các orbital π giãn xung quanh vòng benzen sinh ra một orbital 
với một nút dọc theo liên kết  của phân tử. Vì sự xen phủ giữa các orbital  và orbital π 
là rất nhỏ, nên rất đơn giãn trong việc nghiên cứu hệ electron π ở trạng thái nghỉ của 
phân tử. Như đã trình bày ở trên, những electron π liên kết kém bền vững với hạt nhân 
cacbon bố so với các electron  định xứ và vì vậy chỉ cần năng lượng rất nhỏ cũng đã có 
thể kích thích chúng. Do đó phổ hấp thụ ở vùng tia cực tím và ánh sáng nhìn thấy xảy ra 
cho tất cả các phân tử này. Năng lượng không dễ dàng mất đi như năng lượng dao dộng 
 3 thái các electron . Hình 2 chỉ ra rằng những quá trình phát quang có thể xảy ra trong 
các hệ electron π của các phân tử hữu cơ. Chúng ta nên kí hiệu trạng thái ba là nằm 
dưới trạng thái đơn tương ứng vì nó tuân theo quy tắc Hund. 
 Hình 2. Quá trình phát quang xảy 
 ra trong các hệ electron π của các 
 phân tử hữu cơ 
 Chồng chất lên mỗi mức điện tử là những mức con dao động vì năng lượng dao 
động của khung phân tử chính. 
 Phát quang có thể được sinh ra từ sự hấp thụ vào bất kỳ trạng thái đơn kích thích 
nào S1, S2, S3, ...Tuy nhiên, về cơ bản bức xạ huỳnh quang quan trọng nhất xảy ra ở 
những trạng thái đơn bị kích thích thấp nhất như S1 bất chấp trạng thái ban đầu được 
kích thích. Những chuyển dời bức xạ từ những trạng thái kích thích cao hơn S2, S3, ... là 
rất yếu vì tốc độ và hiệu suất các quá trình không bức xạ của sự chuyển dời bên trong 
giữa S2, S3, ...và trạng thái kích thích thấp nhất S1. 
 -9
 Thời gian sống của các bức xạ của mức S1 là vào cỡ 10 s, nó là dài hơn so với so 
với chu kỳ dao động của phân tử (xấp xỉ 10-12s), vì vậy bình thường, phân tử tiến đến 
trạng thái cân bằng nhiệt trước khi bức xạ huỳnh quang phát ra ở trạng thái dao động 
thấp nhất của S1. Cho nên việc đưa ra cho mỗi phân tử phổ bức xạ, thời gian sống 
huỳnh quang, hệ số lượng tử huỳnh quang (là tỉ số giữa số phôtôn huỳnh quang bị bức 
 5 sóng dài hơn (năng lượng thấp hơn) so với phát xạ huỳnh quang tương ứng. Hình 3 cho 
ta thấy huỳnh quang và lân quang của benzen ở các nhiệt độ thấp. 
 Hình 3. Huỳnh quang và lân quang của benzen ở các nhiệt độ 77k 
 Một loại phát quang có thời gian sống dài khác đã được biết đến như là huỳnh 
quang trễ cũng xảy ra trong hệ các phân tử hữu cơ, và mặc dù có nguồn gốc từ trạng 
thái ba, nó cũng có một phổ phát xạ đồng nhất với phổ huỳnh quang thông thường tức 
thời. Huỳnh quang trễ xảy ra khi ở trạng thái ba T1 (có thời gian sống dài) thể bị giảm 
mật độ cư trú thông qua S1 hay các cặp phân tử có liên kết ba bị kích thích tương tác với 
nhau để tạo ra một mức năng lượng kích thích lớn hơn hay bằng năng lượng S1. 
 Hình 4. Nguồn gốc của hai loại phát quang trễ . 
 7 Qua quá trình nghiên cứu đề tài, tôi rút ra một số kết luận sau: 
- Nguồn gốc phát quang của các hợp chất hữu cơ. 
- Điểm khác biệt giữa phát quang hữu cơ và phát quang vô cơ. 
- Các quá trình phát quang của các hợp chất hữu cơ. 
 Trong quá trình nghiên cứu đề tài, bản thân đã tiếp cận nhiều kiến thức về hiện 
tượng phát quang đặc biệt là sự phát quang ở hợp chất hữu cơ. Điều này rất hữu ích 
trong công tác tự nghiên cứu, trau dồi kiến thức và kĩ năng của bản thân. 
 Trong quá trình thực hiện đề tài bản thân đã rất nỗ lực, cố gắng tuy nhiên sẽ 
không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, nên tôi mong nhận được sự góp ý chân 
thành của các bạn đồng nghiệp và các em học sinh. Tôi hi vọng đề tài này là một tư liệu 
tham khảo có ích cho các em học sinh và các bạn đồng nghiệp. 
 9 
 ĐÁNH GIÁ VÀ XẾP LOẠI 
Nhận xét và xếp loại của Tổ trưởng chuyên môn 
 Nhận xét của Hội đồng khoa học Trường 
 11