第37卷第7期學報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(江南大學理學院,江蘇無錫214122)摘要:通過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,氧原子未共享電子對看成價電子.剩用數值計算的方法對雙原子分子電子能級差進行估算,得到電子能級差為一個僅與分子線度相關的函數.然后把C-O鍵長作為分子線度代入前面得到的函數中,算出甲醇分子主躍遷能級差,并將所得結果與實驗值進行對比,誤差僅為2.2%理論計算與實驗結果吻合關鍵詞:熒光光譖;甲醇;量子理論;數值計算;雙原子近中圖分類號:Q632文獻標識碼:A文章編號:1004-4213(2008)07-1433-30引言到,而且用量子化學計算單純物質的能級差與實客觀所得的實驗結果有很大差異,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,長種近似方法期以來很多學者認為甲醇是非熒光物質,在有關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原子實來看待.又因為甲基身產生熒光的特性和機理未見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原子亡1,這就使得對物質中甲醇含量的測定問題日實,氧原子未共享電子對看成價電子.這樣熒光的產益顯現傳統(tǒng)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雙原子分子其中一個原子中試,氣相色譜儀或離子色譜法測試,要么費時繁瑣,價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化分析過程,將一個復雜分子簡化為一個較為學方法測定物質中甲醇的含量,特別是微量含量的簡單的分子模型測試,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的色譜純甲醇液體進行熒光光譜實驗的研究.研究發(fā)現甲醇是熒光物質,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驗現象、結果和熒光產生機理的分析上,并沒有深入的用一套完備的量子理論去解釋.目前有關激光圖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實驗Fig. 1 The bonding orbital model研究報導較多,但相關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量子近似計算得到一個躍遷能量值,并與實驗值進行比較,從而建立一個甲醇熒光光通過對分子光譜的研究1可以知道,產生分子譜的完善又簡易的理論解釋.光譜較為復雜的根本原因在于分子內部存在復雜的運動狀態(tài).分子內部的運動狀態(tài)有分子的轉動、分子1甲醇分子的雙原子近似中各中國煤化工石動,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的難求的,這是因為它屬CNMHG國家自然科學基金(20671044)資勳從文獻[20]的幾點討論可見,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,可將許多步驟簡化1434光子學報37卷按各種分子的線度基本屬于同一數量級的概返回基態(tài)時發(fā)射的熒光波長范圍較大,實驗測得的念,統(tǒng)一以a表示分子的線度,因在不確定關系中,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與分子線度屬同一數量級,即:算得到的能級差(3.74eV)對應的波長為331.9mm,△x~a.所以根據不確定關系:△x·△p≥h,則動由于經過了多次近似,并且忽略了電子的轉動能級,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并不是一個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僅與分子線度有關的于是電子的動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鍵鍵長作為分子線度帶人函數求在有心力場中,電子動能的絕對值與總能量相得的能級差,這可能是誤差產生的關鍵所在.但是該同.對于分子中的電子,雖然它處于非中心力場中,值仍然落在實驗所得的譜峰范圍之內,說明該理論但其能量的數量級可以與前者是相同的因此,分子分析與實驗相當吻合中一個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。均為電子的質量法能很好的解釋甲醇熒光光譜的實驗,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驗的統(tǒng)一,所得結果與實驗值進行對比,誤差式,電子躍遷能級差近似地僅與分子線度有關僅為2.2%該研究為醇類物熒光光譜理論分析提供了一種新穎、簡捷、有效的手段將該理論應用于3結果分析其它醇類物質的深人研究將在后續(xù)工作中進行對于甲醇,在第二部分已經將它看成是雙原子參考文獻分子了,甲醇分子的線度(a)近似可以認為是CO[] HUANG Mao-fu. Handbook of chemical agents in analysis and鍵的鍵長:0.143pm121后代人式(1)得到甲醇分子黃茂福.化學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與實驗得到的甲醇熒光主躍遷能級差進行對3 PENG Qin-ji, WANG Bi ren. Application of spectraL analysis infine chemistry industry [M]. Beijing: China Petrochemical比實驗值為3.66eV1,則式(2)所得的能級差的Press2001:7781相對誤差為彭動紀,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,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原子實,氧原子未[6] CHEN Xiao-dong, YU Dao-yin, XIE Hong-bo. Influence of size共享電子對看成價電子,熒光是由“近似價電子”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法檢測實驗中,隨著激勵光波長的增大,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最低振動能級又含有不同的轉動能級,紅移就是由CNMHGLet, 1997.270(1-2)131最低振動能級的不同轉動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.常見有毒和危險化學品手冊[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(guī)律[].光子學報,2006,35(3):398401.[9] EELIS J T, SALZMAN MM. LEW ANDOWSKI M F, et al. 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Thedifference of electronic energy level of diatomic molecule was estimated by the means of numericalcalculation, and then it was denoted in a function just related to molecular size. The bond length of c-o quathe molecular size was substituted into anterior function to calculate the central difference of transitionenergy level. 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