광전화학적 과정

Photoelectrochemical process

광전자화학 공정은 광전자화학에서의 과정이다; 그것들은 보통 빛을 다른 형태의 에너지로 변환하는 것을 포함한다.[1]이 과정들은 광화학, 광학적으로 펌프질된 레이저, 감응된 태양전지, 발광, 광색증 등에 적용된다.

전자 배설

에너지를 흡수한 후, 전자는 지상 상태에서 더 높은 에너지 흥분 상태로 점프할 수 있다.

전자의 흥분은 전자가 더 높은 에너지 상태로 이동하는 것이다.이것은 원래 전자가 광자를 흡수하고 광자의 모든 에너지를 얻는 광자 방출(PE) 또는 전기적 흥분(EE)에 의해 이루어질 수 있으며, 원 전자가 다른 에너지 전자의 에너지를 흡수한다.반도체 결정 격자 내에서 열 방출은 격자 진동이 전자를 더 높은 에너지 대역으로 이동시킬 수 있는 충분한 에너지를 제공하는 과정이다.흥분한 전자가 다시 낮은 에너지 상태로 떨어질 때, 그것은 전자 이완이라고 불린다.이것은 광자의 방사선이나 세 번째 분광기 입자에 에너지를 주는 것으로도 가능하다.[2]

물리학에서 에너지 수준에 대한 특정한 기술적 정의는 종종 원자가 흥분된 상태로 흥분되는 것과 관련이 있다.흥분된 상태는 일반적으로 흥분된 상태가 지상 상태보다 에너지 수준이 높은 지상 상태와 관련이 있다.

광신제

참고 항목:광전 효과

광신출은 광자의 에너지가 너무 낮아 광이온화를 유발할 수 없을 때 광자 흡수에 의한 전자의 흥분 메커니즘이다.광자의 흡수는 플랑크의 양자 이론에 따라 일어난다.

광신뢰는 광분해에서 역할을 한다.광신약은 염료 감응 태양전지, 광화학, 발광, 광학 펌프 레이저, 그리고 어떤 광색 용도에 이용된다.

군사용 레이저 실험

광이소머라이제이션

아조벤젠의 광소체화

화학에서 광이소머화란 광이소머화(光 photo化)는 이소머 사이의 구조적 변화가 광신흥에 의해 발생하는 분자적 행동이다.되돌릴 수 있는 광분해 반응과 돌이킬 수 없는 광분해 반응이 모두 존재한다.그러나 포토소머라이제이션이라는 단어는 보통 되돌릴 수 있는 과정을 나타낸다.예를 들어, 다시 쓰기가 가능한 CD, DVD, 3D 광학 데이터 저장 솔루션의 색소 등 광소체 분자는 이미 실용화되었다.또한 최근 광소체성 분자에 대한 관심은 분자 스위치,[3] 분자 모터,[4] 분자 전자장치와 같은 분자 소자를 목표로 하고 있다.

광소체화 행동은 대략 여러 부류로 분류할 수 있다.Trans-cis(또는 'E-'Z) 변환과 오픈 클로즈드 링 전환이 두 가지 주요 등급이다.전자의 예로는 스틸베네와 아조벤젠이 있다.이런 종류의 화합물은 이중 결합을 가지며, 이중 결합을 중심으로 회전이나 반전이 두 주 사이에 이성분화를 가능하게 한다.후자의 예로는 풀가이드와 다이어리테인이 있다.이러한 유형의 화합물은 빛의 특정 파장으로 조사 시 결합 갈라짐과 결합 생성을 거친다.여전히 또 다른 계층은 디피-메탄 재배열이다.

광이온화

참고 항목:자외선 광전자 분광법

광이온화는 입사 광자가 원자, 이온 또는 분자에서 하나 이상의 전자를 방출하는 물리적 과정이다.이것은 금속으로 광전 효과와 함께 발생하는 것과 본질적으로 같은 과정이다.기체나 단일 원자의 경우 광이온화라는 용어가 더 흔하다.[5]

광전자라고 알려진 방출된 전자는 미리 이온화된 상태에 대한 정보를 전달한다.예를 들어, 단일 전자는 입사 광자의 에너지에서 입사 광자가 남긴 상태의 전자 결합 에너지를 뺀 것과 동일한 운동 에너지를 가질 수 있다.전자 결합 에너지보다 적은 에너지를 가진 광자는 흡수되거나 흩어질 수 있지만 원자나 이온을 광전시키지는 않는다.[5]

예를 들어 수소를 이온화하려면 광자는 파장 91.2nm에 해당하는 13.6전자볼트(라이드버그 에너지) 이상의 에너지가 필요하다.[6]이것보다 더 큰 에너지를 가진 광자의 경우 방출되는 광전자의 에너지는 다음과 같이 주어진다.

여기서 h는 플랑크의 상수이고 ν은 광자의 주파수다.

이 공식은 광전 효과를 규정한다.

원자나 이온과 마주치는 모든 광자가 그것을 광전화하지는 않을 것이다.광전화의 확률은 광전자의 에너지와 고려 대상의 에너지에 따라 달라지는 광전화 단면과 관련이 있다.광자 에너지가 이온화 임계값 미만인 경우 광자화 단면은 0에 가깝다.그러나 펄스 레이저의 발달로 멀티포톤 이온화가 일어날 수 있는 곳에서 매우 강렬하고 일관된 빛을 내는 것이 가능해졌다.훨씬 더 높은 강도(적외선 또는 가시광선 약15 1016~10W2/cm)에서는 장애물 억제 이온화[7], 재소거 이온화와[8] 같은 비침습적 현상이 관찰된다.

멀티포톤 이온화

참고 항목:형광 분광기, 형광기 및 광이온화 모드

이온화 임계값보다 낮은 여러 개의 에너지 광자는 실제로 원자 이온화를 위해 에너지를 결합할 수 있다.이 확률은 필요한 광자의 수에 따라 급격히 감소하지만, 매우 강렬한 펄스 레이저의 개발은 여전히 그것을 가능하게 한다.섭동적 체제(광학 주파수에서 약 1014 W/cm2 이하)에서 N 광자를 흡수할 확률은 I로서의N 레이저 광도 I에 따라 달라진다.[9]

임계값 이온화(ATI)는 원자 이온화에 실제로 필요한 것보다 훨씬 더 많은 광자가 흡수되는 멀티포톤 이온화의 확장이다.과잉 에너지는 방출된 전자에게 보통 임계 이온화보다 높은 운동 에너지를 준다.보다 정확히 말하면, 이 시스템은 광전자 에너지에 의해 분리된 광전자 스펙트럼에 복수의 피크를 가질 것이며, 이는 방출된 전자가 정상(가능한 가장 적은 수의 광자) 이온화 사례보다 더 많은 운동 에너지를 가지고 있음을 나타낸다.표적에서 방출되는 전자는 대략 정수의 광자에너지가 더 많은 운동에너지를 가질 것이다.1014 W/cm에서2 1018 W/cm2 사이의 강도 영역에서는 각각 MPI, ATI, 장벽 억제 이온화가 동시에 발생할 수 있으며, 각각은 관련 원자의 전체 이온화에 기여한다.[11]

포토-뎀버

주요 기사:포토-뎀버

반도체 물리학에서 Photo-Dember 효과(발견자 H. Dember의 이름을 딴 이름)는 초고속 충전 캐리어 광 생성 후 반도체 표면 근처에서 전하 쌍극자를 형성하는 것으로 구성된다.이중극자는 구멍과 전자의 이동성(또는 확산 상수) 차이로 인해 형성되며, 표면이 제공하는 대칭성의 파손과 결합되어 표면에 수직인 방향으로 효과적인 전하 분리가 이루어진다.[12]

그로투스-드레이퍼 법칙

그로투스-드레이퍼 법칙('광화학 활성화 원리'라고도 함)은 어떤 시스템에 흡수되는 빛만이 광화학 변화를 가져올 수 있다고 명시하고 있다.염료와 인광과 같은 물질은 광학 주파수에서 "빛"을 흡수할 수 있어야 한다.이 법은 형광과 인광의 기초를 제공한다.이 법은 테오도르 그로트수스에 의해 1817년에 처음 제안되었고, 1842년에 독립적으로 존 윌리엄 드레이퍼에 의해 제안되었다.[5]

이는 광화학의 두 가지 기본 법칙 중 하나로 여겨진다.두 번째 법칙은 스타크-아인슈타인 법칙으로, 각각의 광자가 흡수된 상태에서 일차 화학적 또는 물리적 반응이 일어난다고 한다.[5]

스타크-아인슈타인 법칙

스타크-아인슈타인 법칙은 1908년에서 1913년 사이에 독립적으로 이 법칙을 공식화한 독일 태생의 물리학자 요하네스 스타크와 알버트 아인슈타인의 이름을 따서 명명되었다.광화학 등가법 또는 광등가법으로도 알려져 있다.본질적으로 그것은 흡수되는 모든 광자가 (1차) 화학적 또는 물리적 반응을 일으킬 것이라고 말한다.[13]

광자는 방사선의 양자, 즉 방사선의 한 단위다.따라서 이것은 플랑크의 상수(h)에 빛의 주파수를 곱한 것과 같은 전자파 방사선의 단일 단위다.이 양은 γ, hν 또는 ωω로 상징된다.

광화학 동등성 법칙도 다음과 같이 재작성된다. 반응하는 물질의 모든 몰에 대해 빛의 퀀타에 해당하는 몰을 흡수한다.공식은 다음과 같다.[13]

여기서 N은A 아보가드로의 번호다.

광화학 동등성 법칙은 1차 과정(즉, 흡수 또는 형광)이라고 하는 빛 유도 반응 부분에 적용된다.[13]

대부분의 광화학 반응에서 1차 과정은 보통 빛의 흡수를 요구하지 않는 반응제들 사이의 정상적인 상호작용인 소위 2차 광화학 과정이 뒤따른다.결과적으로, 그러한 반응은 하나의 양자-원 분자 반응제 관계를 따르지 않는 것으로 보인다.[13]

이 법은 더 나아가 적당한 강도를 가진 광원을 사용하는 기존의 광화학 과정으로 제한된다; 플래시 광분해와 레이저 실험에서 사용되는 광원과 같은 고강도 광원은 소위 바이포토닉 과정을 유발하는 것으로 알려져 있다; 즉, 빛의 두 광자의 물질의 분자에 의한 흡수를 말한다.[13]

흡수

주요 기사:흡수(전자기 복사)

물리학에서 전자기 방사선의 흡수는 광자의 에너지가 물질, 즉 전형적으로 원자의 전자가 차지하는 방식이다.따라서 전자기 에너지는 다른 형태의 에너지, 예를 들어 열을 가하기 위해 변형된다.파동 전파 중 빛의 흡수를 흔히 감쇠라고 한다.일반적으로 파동의 흡수는 그 강도(선형 흡수)에 좌우되지 않지만, 특정 조건(보통 광학에서), 매체는 통과하는 파동의 강도에 따라 투명도가 달라지고 포화성 흡수(또는 비선형 흡수)가 발생한다.

포토센시팅

광감소화는 흡수된 빛의 에너지를 전달하는 과정이다.흡수 후, 에너지는 반응제(초젠)로 전달된다.이것은 일반적으로 광화학 연구의 일부분이다.특히 이 과정은 반응이 쉽게 이용할 수 없는 특정 파장의 광원을 필요로 하는 경우에 일반적으로 사용된다.[14]

예를 들어 수은은 1849와 2537 앵스트롬에서 방사선을 흡수하며, 그 근원은 흔히 고강도 수은등이다.그것은 흔히 사용되는 감작제다.수은 증기가 에틸렌과 섞이고, 화합물이 수은 램프로 조사되면 에틸렌과 아세틸렌의 광ode composition이 된다.이것은 에틸렌 분자에게 이 에너지를 전달할 수 있는 흥분 상태의 수은 원자를 생산하기 위해 빛의 흡수 시 발생하며, 초기 에너지 상태로 비활성화된다.[14]

카드뮴, 예를 들어 제논, 아연, 벤조페논, 그리고 많은 수의 유기 염료와 같은 일부 고귀한 가스들 또한 감작제로 사용된다.[14]

광선염은 암을 치료하는 데 사용되는 광역학 요법의 핵심 요소다.

감작제

폭발물 폭발 파장의 시작 또는 전파를 돕는 공극 생성에 사용되는 미립자 물질은 폭발물 감작기를 참조하십시오.

화학적 발광의 감작제는 화학 화합물로, 분자로부터 에너지를 받은 후에 빛을 방출할 수 있으며, 화학 반응에서 이전에 흥분되었다.좋은 예는 다음과 같다.

차아염소산나트륨의 알칼리성 용액과 과산화수소 농축 용액이 섞이면 다음과 같은 반응이 일어난다.

ClO−(aq) + H2O2(aq) → O2*(g) + H+(aq) + Cl−(aq) + OH−(aq)

O2*는 흥분된 산소 – 즉, O2 분자에 포함된 하나 이상의 전자가 고에너지 분자 궤도로 승격되었다는 뜻이다.따라서, 이 화학 반응에 의해 생성된 산소는 어떻게든 반응에 의해 방출된 에너지를 '흡수'하고 흥분하게 되었다.이 에너지 상태는 불안정하므로 에너지를 낮추어 지상 상태로 되돌릴 것이다.그것은 한 가지 이상의 방법으로 그렇게 할 수 있다.

  • 그것은 빛 방출 없이 더 이상 반응할 수 있다.
  • 예를 들어, 그것은 주변에 열을 발산하거나 다른 분자에게 에너지를 전달하지 않고 에너지를 잃을 수 있다.
  • 그것은 빛을 방출할 수 있다.

방출된 빛의 강도, 지속시간 및 색상은 양자 및 운동학적 요인에 따라 달라진다.그러나 흥분된 분자는 감작제에 비해 밝기 및 지속시간 면에서 광 방출 능력이 떨어지는 경우가 많다.감작제는 다른 흥분된 분자보다 더 오랜 시간 동안 에너지를 저장할 수 있기 때문이다.에너지는 양자 진동을 통해 저장되기 때문에 감응제는 대개 방향족 고리의 계통이나 그 구조에서 많은 결합의 이중 삼중 결합을 포함하는 화합물이다.따라서 흥분한 분자가 자신의 에너지를 감작기로 전달하여 흥분시키면, 광 방출량을 정량화하기가 더 길고 쉬운 것이 종종 관찰된다.

색상(즉, 파장), 밝기 및 방출 지속시간은 사용되는 감작제에 따라 달라진다.보통 특정 화학 반응의 경우 여러 가지 다른 감작제를 사용할 수 있다.

일부 공통 감작제 목록

형광 분광학

형광 분광법(Fluoroscopy)은 형광법을 분석하는 전자파 분광법의 일종으로 표본의 형광을 분석한다.그것은 특정 화합물의 분자에서 전자를 흥분시키고 일반적으로는 아니지만 반드시 가시광선을 방출하는 낮은 에너지의 빛을 방출하는 광선, 대개 자외선을 이용하는 것을 포함한다.보완 기법은 흡수 분광법이다.[15][16]

형광을 측정하는 장치를 형광계 또는 형광계라고 한다.

흡수 분광학

흡수 분광기법은 방사선 흡수를 샘플과의 상호작용으로 주파수나 파장의 함수로서 측정하는 분광기법을 말한다.샘플은 복사장으로부터 에너지, 즉 광자를 흡수한다.흡수 강도는 주파수의 함수에 따라 달라지며, 이러한 변화는 흡수 스펙트럼이다.흡수 분광기는 전자파 스펙트럼 전체에 걸쳐 수행된다.[15][16]

참고 항목

참조

  1. ^ Gerischer, Heinz (1985). "Semiconductor electrodes and their interaction with light". In Schiavello, Mario (ed.). Photoelectrochemistry, Photocatalysis and Photoreactors Fundamentals and Developments. Springer. p. 39. ISBN 978-90-277-1946-1.
  2. ^ Madden, R. P.; Codling, K. (1965). "Two electron states in Helium". Astrophysical Journal. 141: 364. Bibcode:1965ApJ...141..364M. doi:10.1086/148132.
  3. ^ Mammana, A.; et al. (2011). "A Chiroptical Photoswitchable DNA Complex" (PDF). Journal of Physical Chemistry B. 115 (40): 11581–11587. doi:10.1021/jp205893y. PMID 21879715.
  4. ^ Vachon, J.; et al. (2014). "An ultrafast surface-bound photo-active molecular motor". Photochemical and Photobiological Sciences. 13 (2): 241–246. doi:10.1039/C3PP50208B. PMID 24096390.
  5. ^ a b c d "Radiation". Encyclopædia Britannica Online. Retrieved 9 November 2009.
  6. ^ Carroll, B. W.; Ostlie, D. A. (2007). An Introduction to Modern Astrophysics. Addison-Wesley. p. 121. ISBN 978-0-321-44284-0.
  7. ^ Delone, N. B.; Krainov, V. P. (1998). "Tunneling and barrier-suppression ionization of atoms and ions in a laser radiation field". Physics-Uspekhi. 41 (5): 469–485. Bibcode:1998PhyU...41..469D. doi:10.1070/PU1998v041n05ABEH000393.
  8. ^ Dichiara, A.; et al. (2005). "Cross-shell multielectron ionization of xenon by an ultrastrong laser field". Proceedings of the Quantum Electronics and Laser Science Conference. Vol. 3. Optical Society of America. pp. 1974–1976. doi:10.1109/QELS.2005.1549346. ISBN 1-55752-796-2.
  9. ^ Deng, Z.; Eberly, J. H. (1985). "Multiphoton absorption above ionization threshold by atoms in strong laser fields". Journal of the Optical Society of America B. 2 (3): 491. Bibcode:1985JOSAB...2..486D. doi:10.1364/JOSAB.2.000486.
  10. ^ Agostini, P.; et al. (1979). "Free-Free Transitions Following Six-Photon Ionization of Xenon Atoms". Physical Review Letters. 42 (17): 1127–1130. Bibcode:1979PhRvL..42.1127A. doi:10.1103/PhysRevLett.42.1127.
  11. ^ Nandor, M.; et al. (1999). "Detailed comparison of above-threshold-ionization spectra from accurate numerical integrations and high-resolution measurements". Physical Review A. 60 (3): 1771–1774. Bibcode:1999PhRvA..60.1771N. doi:10.1103/PhysRevA.60.R1771.
  12. ^ Dekorsy, T.; et al. (1996). "THz electromagnetic emission by coherent infrared-active phonons" (PDF). Physical Review B. 53 (7): 4005–4014. Bibcode:1996PhRvB..53.4005D. doi:10.1103/PhysRevB.53.4005. PMID 9983955.
  13. ^ a b c d e "Photochemical equivalence law". Encyclopædia Britannica Online. Retrieved 7 November 2009.
  14. ^ a b c "Photosensitization". Encyclopædia Britannica Online. Retrieved 10 November 2009.
  15. ^ a b Hollas, J. M. (2004). Modern Spectroscopy (4th ed.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-84416-8.
  16. ^ a b Harris, D. C.; Bertolucci, M. D. (1978). Symmetry and Spectroscopy: An introduction to vibrational and electronic spectroscopy (Reprint ed.). Dover Publications. ISBN 978-0-486-66144-5.