Bài giảng Lý sinh Y học - Bài 2: Hấp thụ ánh sáng và phát quang

Bài 2 Hấp thụ ánh sáng và phát quang Nguyễn Xuân Hoà Bộ môn Lý sinh Y học - Trường ĐHYK Thái Nguyên Mục tiêu : 1. Trình bày được hiện tượng hấp thụ ánh sáng. 2. Nêu được các tính chất cơ bản của hiện tượng hấp thụ ánh sáng. 3. Trình bày được thế nào là hiện tượng phát quang, phân biệt huỳnh quang và lân quang. 4. Vận dụng sơ đồ mức năng lượng để giải thích cơ chế của hiện tượng hấp thụ và phát quang. 1. Hiện tượng hấp thụ ánh sáng 1.1. Hiện tượng Xét một môi trường vật chất nào đó. Khi chiếu một chùm ánh sáng (photon) vào môi trường, giữa chùm photon và các phân tử của môi trường sẽ có sự tương tác qua lại với nhau, kết quả là: + Về phía chùm photon: năng lượng của nó sau khi ra khỏi môi trường sẽ bị yếu đi hoặc triệt tiêu. + Về phía môi trường vật chất: Do tương tác với photon, các electron nằm trên các quỹ đạo bên ngoài sẽ nhận được năng lượng mà photon truyền cho, khi đó các electron hoặc tăng tốc độ chuyển động trên quỹ đạo hoặc nhảy ra các lớp quỹ đạo bên ngoài hơn từ trạng thái cơ bản chuyển sang trạng thái kích thích. => Quá trình tương tác và trao đổi năng lượng nói trên được gọi là quá trình hấp thụ ánh sáng của môi trường. 1.2. Tính chất * Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào bản chất và cấu trúc của môi trường ( cùng một nguồn ánh sáng các môi trường khác nhau sẽ hấp thụ chúng một cách khác nhau). Ví dụ : Với chùm ánh sáng trắng (ánh sáng khả kiến) thì : - Nước và thuỷ tinh hấp thụ ít. - Bột than hấp thụ mạnh. - Máu rất ít hấp thụ thành phần ứng với màu đỏ. - Lá cây rất ít hấp thụ thành phần ứng với màu lục v.v... * Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào bản chất của chùm ánh sáng tới (với cùng một môi trường vật chất: ánh sáng có bước sóng khác nhau sẽ bị hấp thụ một cách khác nhau). Ví dụ: - Máu : ít hấp thụ ánh sáng có bước sóng ứng với màu đỏ (ánh sáng khả kiến) nhưng hấp thụ rất mạnh ánh sáng có bước sóng ứng với các màu lam, lục.... - Nước: ít hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến nhưng lại hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng hồng ngoại ... - Thuỷ tinh: hầu như không hấp thụ ánh sáng khả kiến nhưng hấp thụ rất mạnh ánh sáng vùng cực tím , tử ngoại ... * Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào bề dày lớp vật chất hấp thụ, nghĩa là: bề dày của môi trường càng lớn chùm tia sáng bị hấp thụ càng nhiều... Ví dụ: => Ta nói sự hấp thụ có tính chất lọc lựa. Tính chất hấp thụ lọc lựa có thể giải thích cơ chế về màu sắc của các sự vật, hiện tượng xung quanh ta. Ví dụ: - Màu đỏ của máu: - Màu xanh của lá cây: + Định luật hấp thụ: Ix = I0. e -x + Trong đó: - Ix: cường độ ánh sáng sau khi đi qua môi trường. - I0: cường độ chùm ánh sáng tới. - : hệ số hấp thụ. - x: chiều dày của môi trường vật chất. + Minh hoạ: xI0 Ix 2. Hiện tượng phát quang. - Khi chiếu một chùm photon vào một môi trường vật chất  truyền năng lượng của chùm phôton  môi trường chuyển sang trạng thái kích thích. - Thời gian tồn tại của điện tử ở trạng thái kích kích  10-8 s  về trạng thái có năng lượng nhỏ hơn hoặc về trạng thái cơ bản và giải phóng NL dư thừa: + Nếu năng lượng giải phóng không đủ lớn (không đạt số nguyên lần h) thì năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt năng khi đó ta nói hệ phát xạ nhiệt hay toả nhiệt. + Nếu năng lượng giải phóng ra đủ lớn (bằng một số nguyên lần h) thì năng lượng được giải phóng ra ở dưới dạng các phôtôn thứ cấp (tức là các hạt ánh sáng). Ta nói: môi trường phát xạ photon thứ cấp hay phát quang. => Một cách định tính, người ta phân biệt 2 loại phát quang : * Huỳnh quang: là sự phát quang xảy ra đồng thời với thời gian chiếu sáng và chấm dứt ngay khi ngừng chiếu sáng vào môi trường. Ví dụ: sự phát xạ của bóng đèn huỳnh quang, đèn hình của tivi, máy vi tính...) * Lân quang : là sự phát quang có thể tiếp tục được duy trì một thời gian dài sau khi đã ngừng chiếu sáng vào môi trường. Ví dụ: như sự phát quang của một số loại gỗ mục, xương, xác động vật, các chất dạ quang trên các đồng hồ, la bàn ... 3. Sơ đồ mức năng lượng – Giải thích hiện tượng hấp thụ và phát quang. s0* S2 * S1 * S0 T Ghi chú: So : đường mức năng lượng ứng với trạng thái cơ bản. So *, S1 *, S2 *, đường mức năng lượng ứng với trạng thái kích thích Singlet ( là trạng thái của 1 lớp điện tử khi mà tất cả các spin của các điện tử đều tạo thành cặp và mômen tổng cộng = 0) T : đường mức năng lượng ứng với trạng thái kích thích Triplet ( là trạng thái ứng với mức năng lượng cấm, điện tử không tạo cặp, mômen spin khác 0). Giải thích: - Bước chuyển S0S * i (i = 1,2,3): Hấp thụ - Bước chuyển S2 *S1 *, S1 *S0 *: Môi trường phát xạ nhiệt ( thời gian  10-1310-12 sec) - Bước chuyển Si *S0: Huỳnh quang (thời gian sống của điện tử ở mức kích thích  10-910-8 sec). - Bước chuyển Si *T: phát xạ nhiệt. - Bước chuyển TS0: Lân quang (thời gian sống ở trạng thái Triplet dài  10-3 sec vài sec).