甲醇熒光光譜的量子分析

第37卷第7期學(xué)報VoL 37 No. 72008年7月ACTA PHOTONICA SINICAJuly 2008甲醇熒光光譜的量子分析陳肖靜,朱拓(江南大學(xué)理學(xué)院,江蘇無(wú)錫214122)摘要:通過(guò)量子近似計算研究了甲醇的熒光光譜.將甲醇分子近似看成雙原子分子,甲基和羥基分別為原子實(shí),氧原子未共享電子對看成價(jià)電子.剩用數值計算的方法對雙原子分子電子能級差進(jìn)行估算,得到電子能級差為一個(gè)僅與分子線(xiàn)度相關(guān)的函數.然后把C-O鍵長(cháng)作為分子線(xiàn)度代入前面得到的函數中,算出甲醇分子主躍遷能級差,并將所得結果與實(shí)驗值進(jìn)行對比,誤差僅為2.2%理論計算與實(shí)驗結果吻合關(guān)鍵詞:熒光光譖;甲醇;量子理論;數值計算;雙原子近中圖分類(lèi)號:Q632文獻標識碼:A文章編號:1004-4213(2008)07-1433-30引言到,而且用量子化學(xué)計算單純物質(zhì)的能級差與實(shí)客觀(guān)所得的實(shí)驗結果有很大差異,因此,本文采用各甲醇是工業(yè)上廣泛應用的有機化工原料13,長(cháng)種近似方法期以來(lái)很多學(xué)者認為甲醇是非熒光物質(zhì),在有關(guān)研甲醇的成鍵軌道模型如圖1,由于C和H、O和究報道中,只是將甲醇作為有機溶劑,考慮它對其他H的軌道作用較C和O之間的作用強,分析中把甲分子以及生物大分子紫外光譜的影響,對于甲醇自基和羥基分別當成一個(gè)原子實(shí)來(lái)看待.又因為甲基身產(chǎn)生熒光的特性和機理未見(jiàn)研究和羥基總的核電荷數都是9,所以可以近似將甲醇甲醇屬劇毒化合物,嚴重的可引起失明或死分子看成雙原子分子,甲基和羥基各看成一個(gè)原子亡1,這就使得對物質(zhì)中甲醇含量的測定問(wèn)題日實(shí),氧原子未共享電子對看成價(jià)電子.這樣熒光的產(chǎn)益顯現傳統的甲醇含量測試方法,如分光光度計測生就可以看成是由一個(gè)雙原子分子其中一個(gè)原子中試,氣相色譜儀或離子色譜法測試,要么費時(shí)繁瑣,價(jià)電子的躍遷放出的光子利用這種近似可以大大要么需大型貴重儀器設備.而利用靈敏高效的光譜地簡(jiǎn)化分析過(guò)程,將一個(gè)復雜分子簡(jiǎn)化為一個(gè)較為學(xué)方法測定物質(zhì)中甲醇的含量,特別是微量含量的簡(jiǎn)單的分子模型測試,其可行性和準確性都具有很大的優(yōu)勢.因此些學(xué)者就致力于甲醇自身熒光特性的研究上文獻[11-14]報道了對美國天地公司生產(chǎn)的色譜純甲醇液體進(jìn)行熒光光譜實(shí)驗的研究.研究發(fā)現甲醇是熒光物質(zhì),熒光峰值位置在340nm左右,熒光峰展寬為60nm左右.但這些研究主要集中在對實(shí)驗現象、結果和熒光產(chǎn)生機理的分析上,并沒(méi)有深入的用一套完備的量子理論去解釋.目前有關(guān)激光圖1甲醇成鍵軌邀模型誘導熒光光譜法510和同步熒光法的相關(guān)實(shí)驗Fig. 1 The bonding orbital model研究報導較多,但相關(guān)理論研究確少之又少,本文運2雙原子分子電子能級差估算用理論方法通過(guò)量子近似計算得到一個(gè)躍遷能量值,并與實(shí)驗值進(jìn)行比較,從而建立一個(gè)甲醇熒光光通過(guò)對分子光譜的研究1可以知道,產(chǎn)生分子譜的完善又簡(jiǎn)易的理論解釋.光譜較為復雜的根本原因在于分子內部存在復雜的運動(dòng)狀態(tài).分子內部的運動(dòng)狀態(tài)有分子的轉動(dòng)、分子1甲醇分子的雙原子近似中各中國煤化工石動(dòng),在分子運由于分子體系定態(tài)薛定諤方程的嚴格解很難得動(dòng)的難求的,這是因為它屬CNMHG國家自然科學(xué)基金(20671044)資勳從文獻[20]的幾點(diǎn)討論可見(jiàn),對分子的電子態(tài)Tel,0510-85913899Email:tzhu@sytu,edu.cn能量要明確求出其表達式和精確值是比較困難的收稿日期:2007-06-16但采用數值估算的方法,可將許多步驟簡(jiǎn)化1434光子學(xué)報37卷按各種分子的線(xiàn)度基本屬于同一數量級的概返回基態(tài)時(shí)發(fā)射的熒光波長(cháng)范圍較大,實(shí)驗測得的念,統一以a表示分子的線(xiàn)度,因在不確定關(guān)系中,311~371mm的寬譜峰正是它的體現.理論近似計位置的不確定量△x與分子線(xiàn)度屬同一數量級,即:算得到的能級差(3.74eV)對應的波長(cháng)為331.9mm,△x~a.所以根據不確定關(guān)系:△x·△p≥h,則動(dòng)由于經(jīng)過(guò)了多次近似,并且忽略了電子的轉動(dòng)能級,量的不確定量為△p=h/△x≈h/a.又在近似情況下因此得到的波長(cháng)并不是一個(gè)范圍數值計算的結果可認為P與△P的數量級是相同的,即P≈△P=h/a.使得雙原子電子能級差是一個(gè)僅與分子線(xiàn)度有關(guān)的于是電子的動(dòng)能就可以表達成函數.對于甲醇的研究,本文是將其近似成雙原子分E:=p2/2m,子以后,再將CO鍵鍵長(cháng)作為分子線(xiàn)度帶人函數求在有心力場(chǎng)中,電子動(dòng)能的絕對值與總能量相得的能級差,這可能是誤差產(chǎn)生的關(guān)鍵所在.但是該同.對于分子中的電子,雖然它處于非中心力場(chǎng)中,值仍然落在實(shí)驗所得的譜峰范圍之內,說(shuō)明該理論但其能量的數量級可以與前者是相同的因此,分子分析與實(shí)驗相當吻合中一個(gè)電子所對應的能級可近似表示為:E≈E4結論對于能量增量△E,可以得到△E=2p/(2m,)·△p=p/m?！ぁ鱬=h2/m2a2(1)研究結果表明,用數值計算和雙原子近似的方式中m。均為電子的質(zhì)量法能很好的解釋甲醇熒光光譜的實(shí)驗,從而達到理這樣就得到了雙原子分子電子躍遷的近似表達論和實(shí)驗的統一,所得結果與實(shí)驗值進(jìn)行對比,誤差式,電子躍遷能級差近似地僅與分子線(xiàn)度有關(guān)僅為2.2%該研究為醇類(lèi)物熒光光譜理論分析提供了一種新穎、簡(jiǎn)捷、有效的手段將該理論應用于3結果分析其它醇類(lèi)物質(zhì)的深人研究將在后續工作中進(jìn)行對于甲醇,在第二部分已經(jīng)將它看成是雙原子參考文獻分子了,甲醇分子的線(xiàn)度(a)近似可以認為是CO[] HUANG Mao-fu. Handbook of chemical agents in analysis and鍵的鍵長(cháng):0.143pm121后代人式(1)得到甲醇分子黃茂福.化學(xué)助劑分析與應用手冊[M].北京:中國紡織出版中氧原子未共享電子對的躍遷能級差杜,2001;10-215[2] KEMP D S, VELLACCIO F Organic chemistry [M].New△E。m,a23.74eV(2)York: Worth Publishers, Inc. 1980, 50-117與實(shí)驗得到的甲醇熒光主躍遷能級差進(jìn)行對3 PENG Qin-ji, WANG Bi ren. Application of spectraL analysis infine chemistry industry [M]. Beijing: China Petrochemical比實(shí)驗值為3.66eV1,則式(2)所得的能級差的Press2001:7781相對誤差為彭動(dòng)紀,王璧人.波譜分析在精細化工中的應用[M].北京:中國石化出版社,2001:77-81×100%=2.2%(3) [4 KALYANSUNDARAM K THOMAS J K Solvent-dependent眾所周知,在甲醇分子中,除了氧原子外面有未fluorescence of pyrene- 3-carboxaldehyde and its applications in共享電子對以外,其他原子外面的電子都是兩個(gè)原the estimation of polarity at micelle-water interfaces [J].JPhys Chem,1977,81(23):2176-2180子共享的要想把共享的電子對激發(fā)到高能態(tài)則需[ 5] LUO Xiao-sen, NI Xiao-wu,Ljan,tal. Study of fluorescent要很短的波長(cháng),因此紫外光激勵下發(fā)出的熒光被認spectrum of bloodinduced by lights of different wavelengths為是氧原子外未共享電子對被激發(fā)后通過(guò)輻射形式[J. Chinese Jasers, 2003,30(1):93-96.駱曉森,怩曉武,陸建,等.不同波長(cháng)光照射血液誘發(fā)的熒光光躍遷到基態(tài)所形成的.因此,甲醇分子近似為雙原子諧研究[J].中國激光,2003,30(1):9396.分子后,將甲基和羥基各看成一個(gè)原子實(shí),氧原子未[6] CHEN Xiao-dong, YU Dao-yin, XIE Hong-bo. Influence of size共享電子對看成價(jià)電子,熒光是由“近似價(jià)電子”躍of tissue specimen on remitted fluorescence [J]. Journal of遷發(fā)出.這種近似方法是可行的Optoelectronics Laser, 2003,14(12): 1359-1361峰值位置產(chǎn)生小量的紅移.發(fā)射熒光雖然是從激發(fā)2結果的影啊刀光電子激光,2001412:13591法檢測實(shí)驗中,隨著(zhù)激勵光波長(cháng)的增大,所發(fā)射熒光的陳曉冬,郁道銀,謝洪波,生物組織標本尺寸對自體熒光M,GALAUP I P. IARDON P Analysis of the site態(tài)的最低振動(dòng)能級以輻射躍遷形式返回基態(tài),但是中國煤化工 phorescence spectrum of最低振動(dòng)能級又含有不同的轉動(dòng)能級,紅移就是由CNMHGLet, 1997.270(1-2)131最低振動(dòng)能級的不同轉動(dòng)能級輻射躍遷到基態(tài)而形[8] LUO Ming-quan, Yu Ping. Handbook of normal poisonous and成的dangerous chemical products [ M]. Beijing: China Light由于基態(tài)也有不同的振轉能級,所以受激電子Industry Press,199212047期陳肖靜:甲醇熒光光譜的量子分析1435羅明泉,俞平.常見(jiàn)有毒和危險化學(xué)品手冊[M].北京:中國輕李榮青,劉瑩葛立新,等.激光誘導熒光光譜法研究血細胞衰工業(yè)出版社,1992:204變規律[].光子學(xué)報,2006,35(3):398401.[9] EELIS J T, SALZMAN MM. LEW ANDOWSKI M F, et al. [16] DING Zhi-qun, LIU Wen qing, ZHANG Yu-jun, et alDevelopment and characterization of a nonprimate animalDetection of dissolved organic matter concentration usingdel of methanol-induced neurotoxicity [J]. J Engng andlaser-induced fluorescence technique [ J].Acta PhotonicaAppl Sci,1996,5(4):239254.Sinice,200635(2):217-220.[10] SERVER A, HOVDA K E, NAKSTAD P H, et al.丁志群,劉文清,張玉鈞,等,激光誘導熒光探測水體中溶解有Conventional and diffusion-weighted MRi in the evaluation of機物濃度[J]光子學(xué)報,2006-35(2)217-220methanol poisoning: Acase report [J]. Acta Radiologica, [17] JIA Yan-hua, XU Xiao-xuan, YANG Ren-jie, ef aL. Spectra2003,44(6):691-695[11] ZHU Tuo, CHEN Guo-qing. YU Rui-peng, et al. Study ofsynchronous scan fluorescence spectra [J]. 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Comparing the result with experimental value, the error is 2. 2%, it indicates that the theoryand the experiment inosculate very well.Key words: Fluorescent spectra; Methanol; Quantum theory Approximate diatomicCHEN Xiao-jing was born in 1984. She graduated from School of Science, JilangmanUniversity in 2007. Her research focuses on flt中國煤化工CNMHG