Trạng thái kích thích (Excited state)

14

Nguyên tử

Trong nguyên tử, các electron phân bố trên các orbital nguyên tử với mức năng lượng xác định. Trạng thái cơ bản là trạng thái mà tất cả electron chiếm các orbital có năng lượng thấp nhất theo nguyên lý Aufbau và nguyên lý loại trừ Pauli. Khi một electron hấp thụ năng lượng (ví dụ, từ photon), nó có thể nhảy lên một orbital có năng lượng cao hơn, đưa nguyên tử vào trạng thái kích thích.

Ví dụ, nguyên tử hydro ở trạng thái cơ bản có electron ở orbital 1s. Khi hấp thụ năng lượng, electron có thể nhảy lên orbital 2s, 2p, 3s, 3p, 3d,… tạo thành các trạng thái kích thích. Sự khác biệt năng lượng giữa các orbital xác định năng lượng của photon được hấp thụ hoặc phát xạ khi electron chuyển đổi giữa các trạng thái.

Sự chuyển dịch năng lượng giữa các trạng thái được xác định bởi công thức:

$E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$

Trong đó:

• $E$ là năng lượng của photon.
• $h$ là hằng số Planck.
• $\nu$ là tần số của photon.
• $c$ là tốc độ ánh sáng.
• $\lambda$ là bước sóng của photon.

Phân tử

Tương tự như nguyên tử, phân tử cũng có các trạng thái kích thích liên quan đến các mức năng lượng điện tử, rung động và quay. Khi phân tử hấp thụ năng lượng, nó có thể chuyển sang trạng thái kích thích điện tử, rung động hoặc quay, hoặc kết hợp cả ba. Sự chuyển dịch giữa các trạng thái rung động và quay thường xảy ra ở năng lượng thấp hơn so với sự chuyển dịch điện tử.

Hạt nhân

Hạt nhân nguyên tử cũng có thể tồn tại ở các trạng thái kích thích. Các trạng thái này thường liên quan đến sự sắp xếp lại các nucleon (proton và neutron) trong hạt nhân. Sự chuyển dịch giữa các trạng thái kích thích của hạt nhân thường đi kèm với việc phát ra bức xạ gamma, mang năng lượng rất cao.

Sự trở về trạng thái cơ bản

Khi ở trạng thái kích thích, hệ không ổn định và có xu hướng trở về trạng thái cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng dư thừa. Năng lượng này có thể được giải phóng dưới dạng:

• Phát xạ: Hệ phát ra một hoặc nhiều photon mang năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản (hoặc một trạng thái kích thích năng lượng thấp hơn). Ví dụ, nguyên tử hydro ở trạng thái kích thích 2p có thể trở về trạng thái cơ bản 1s bằng cách phát ra một photon. Phân tử cũng có thể phát xạ photon khi chuyển từ trạng thái kích thích rung động hoặc quay về trạng thái năng lượng thấp hơn.
• Truyền năng lượng không bức xạ: Hệ truyền năng lượng cho một hệ khác thông qua va chạm, chuyển đổi năng lượng kích thích thành động năng. Quá trình này còn được gọi là sự dập tắt (quenching).

Thời gian một hệ tồn tại ở trạng thái kích thích trước khi trở về trạng thái cơ bản được gọi là thời gian sống của trạng thái kích thích.

Ứng dụng

Trạng thái kích thích có vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:

• Laser: Laser hoạt động dựa trên nguyên lý khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức từ các nguyên tử hoặc phân tử ở trạng thái kích thích.
• Phổ học: Nghiên cứu phổ hấp thụ và phổ phát xạ của các chất giúp xác định cấu trúc và thành phần của chúng.
• Quang hợp: Quá trình quang hợp ở thực vật bắt đầu bằng việc hấp thụ ánh sáng mặt trời, đưa các phân tử chlorophyll vào trạng thái kích thích.
• Phản ứng quang hóa: Nhiều phản ứng hóa học chỉ xảy ra khi các chất phản ứng ở trạng thái kích thích.
• Kính hiển vi huỳnh quang: Kỹ thuật này sử dụng huỳnh quang từ các phân tử ở trạng thái kích thích để tạo hình ảnh các mẫu sinh học.

Phân loại trạng thái kích thích

Trạng thái kích thích có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, phụ thuộc vào hệ lượng tử đang xét. Dưới đây là một số phân loại phổ biến:

• Kích thích điện tử: Xảy ra khi electron chuyển lên orbital năng lượng cao hơn. Đây là loại kích thích phổ biến nhất trong nguyên tử và phân tử.
• Kích thích rung động: Liên quan đến sự thay đổi năng lượng rung động của phân tử, tức là sự thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử trong phân tử.
• Kích thích quay: Liên quan đến sự thay đổi năng lượng quay của phân tử quanh trục của nó.
• Kích thích hạt nhân: Xảy ra khi nucleon trong hạt nhân chuyển sang mức năng lượng cao hơn.

Thời gian sống

Thời gian sống của một trạng thái kích thích là khoảng thời gian trung bình mà hệ tồn tại ở trạng thái đó trước khi trở về trạng thái cơ bản. Thời gian sống này có thể dao động từ vài femto giây (1 fs = $10^{-15}$ s) đến vài giây, tùy thuộc vào loại kích thích và hệ đang xét. Trạng thái kích thích có thời gian sống dài được gọi là trạng thái siêu bền (metastable state).

Sự huỳnh quang và lân quang

Huỳnh quang và lân quang là hai hiện tượng phát quang liên quan đến trạng thái kích thích. Cả hai đều liên quan đến việc hấp thụ năng lượng và sau đó phát ra ánh sáng. Tuy nhiên, chúng khác nhau về thời gian sống của trạng thái kích thích.

• Huỳnh quang: Xảy ra khi một hệ hấp thụ năng lượng và nhanh chóng trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra ánh sáng. Thời gian sống của trạng thái kích thích trong huỳnh quang rất ngắn, thường dưới $10^{-8}$ s.
• Lân quang: Tương tự như huỳnh quang, nhưng thời gian sống của trạng thái kích thích dài hơn nhiều, có thể từ vài mili giây đến vài giờ. Điều này là do sự chuyển dịch từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản bị cấm do các quy tắc chọn lọc lượng tử.

Ảnh hưởng của môi trường

Môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đáng kể đến trạng thái kích thích của một hệ. Ví dụ, sự tương tác với các phân tử lân cận có thể làm thay đổi năng lượng và thời gian sống của trạng thái kích thích. Hiệu ứng này được gọi là sự dập tắt (quenching).

Tài liệu tham khảo:

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• McQuarrie, D. A., & Simon, J. D. (1997). Physical Chemistry: A Molecular Approach. University Science Books.
• Levine, I. N. (2014). Quantum Chemistry. Pearson Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa huỳnh quang và lân quang là gì, và điều này liên quan như thế nào đến trạng thái kích thích?

Trả lời: Cả huỳnh quang và lân quang đều liên quan đến việc hấp thụ năng lượng và sau đó phát xạ ánh sáng khi hệ trở về trạng thái cơ bản. Tuy nhiên, sự khác biệt chính nằm ở thời gian sống của trạng thái kích thích. Huỳnh quang có thời gian sống rất ngắn (dưới $10^{-8}$ s), trong khi lân quang có thời gian sống dài hơn nhiều (từ mili giây đến vài giờ). Sự khác biệt này là do sự chuyển dịch từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản trong lân quang bị “cấm” bởi các quy tắc chọn lọc lượng tử, dẫn đến thời gian sống dài hơn.

Làm thế nào để môi trường ảnh hưởng đến thời gian sống của trạng thái kích thích?

Trả lời: Môi trường có thể ảnh hưởng đến thời gian sống của trạng thái kích thích thông qua các quá trình dập tắt (quenching). Ví dụ, va chạm giữa hệ ở trạng thái kích thích với các phân tử khác có thể dẫn đến sự truyền năng lượng không bức xạ, làm giảm thời gian sống của trạng thái kích thích. Các yếu tố khác như nhiệt độ và độ nhớt của môi trường cũng có thể ảnh hưởng đến tốc độ dập tắt.

Tại sao việc hiểu về trạng thái kích thích lại quan trọng trong việc phát triển laser?

Trả lời: Laser hoạt động dựa trên nguyên lý khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. Để đạt được phát xạ cưỡng bức, cần phải có một số lượng lớn các nguyên tử hoặc phân tử ở trạng thái kích thích. Do đó, việc hiểu rõ về cách tạo ra và duy trì trạng thái kích thích, cũng như cách điều khiển sự chuyển dịch từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, là rất quan trọng để thiết kế và tối ưu hóa laser.

Ngoài phát xạ photon, còn có những cơ chế nào khác để một hệ trở về trạng thái cơ bản từ trạng thái kích thích?

Trả lời: Ngoài phát xạ photon (huỳnh quang và lân quang), một hệ có thể trở về trạng thái cơ bản thông qua các cơ chế không bức xạ. Ví dụ, hệ có thể truyền năng lượng dư thừa cho các phân tử lân cận thông qua va chạm (dập tắt va chạm), hoặc năng lượng có thể được chuyển đổi thành năng lượng rung động hoặc quay. Sự chuyển đổi nội bộ, một quá trình không bức xạ khác, liên quan đến việc chuyển đổi giữa các trạng thái điện tử có cùng spin đa độ.

Làm thế nào để phổ hấp thụ và phổ phát xạ cung cấp thông tin về cấu trúc của nguyên tử và phân tử?

Trả lời: Phổ hấp thụ cho thấy các bước sóng ánh sáng mà một chất hấp thụ, tương ứng với sự chuyển dịch từ trạng thái cơ bản lên các trạng thái kích thích khác nhau. Phổ phát xạ cho thấy các bước sóng ánh sáng phát ra khi hệ trở về trạng thái cơ bản từ trạng thái kích thích. Các bước sóng này liên quan trực tiếp đến sự chênh lệch năng lượng giữa các trạng thái lượng tử, và do đó cung cấp thông tin về cấu trúc năng lượng và do đó là cấu trúc của nguyên tử và phân tử. Mỗi nguyên tử và phân tử có một phổ hấp thụ và phổ phát xạ đặc trưng, giống như “dấu vân tay” của chúng.

Báo cáo nội dung bị lỗi