Hogyan bírhatjuk szóra a molekulákat, avagy mi is az a spektroszkópia? Prof. Túri László (ELTE, Kémiai Intézet) turi@chem.elte.hu 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 1
Kapcsolódási pontok fejtörő Maláta utca 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 2
Kapcsolódási pontok megoldás Távolságskála: 1000 m = 10 3 m Időskála: 10 év = 10 9 s 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 3
Kémikus? Molekulák! Távolságskála: néhány Å-től 100-1000 Å 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 4
Kémikus? Molekulák! Időskála: néhány száz fs = 10-10 s 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 5
Molekulák? Elemi részecskék! Szubatomi részecskék 1898 Thomson elektron 1911 Rutherford proton 1932 Chadwick neutron 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 6
Kihívás: hogyan szerezzünk információt a molekulákról? KÍSÉRLET: olyan tapasztalati eljárás, mely a természet jelenségeinek megismerésére irányul. A kísérlet egy jelenség szándékos elidézése megfigyelés céljából. MÉRÉS: olyan kísérlet, melyben valamely objektumra valamilyen hatást gyakorolunk, s vizsgáljuk az objektum (A MOLEKULÁK) válaszát valamely fizikai mennyiség mérőszámának meghatározása által. A feladat tehát valamely fizikai mennyiség mérőszámának meghatározása. Akkor ez miért is kihívás???? Galileo Galilei 1564-1642 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 7
Molekuláris szintű kísérletek: mivel bírhatók szóra a molekulák? MEGSZEMÉLYESÍTÉS: elvont dolgokat, élettelen tárgyakat vagy természeti jelenségeket, illetve növényeket vagy állatokat az emberekre jellemző érzésekkel és tulajdonságokkal ruház fel. A fény 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 8
Mi is az a fény? Hullám! 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 9
Elektromágneses sugárzás 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 10
Fény: a kezdetek 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 11
Történet: a fényelnyelés (abszorpció) Lambert-Beer törvény 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 12
Mi is az a fény? Részecske! fényelektromos hatás fotoelektron E ki =hν -E kin foton E=hν 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 13
A molekulák kvantummechanikája: kvantált energiaszintek 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 14
A molekulák kvantummechanikája: kvantált energiaszintek 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 15
A molekulák és a fény kölcsönhatása: kvantált energiafelvétel/leadás SPEKTROSZKÓPIA 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 16
Spektroszkópiai módszerek Mi hat kölcsön az anyaggal? ELEKTROMÁGNESES HULLÁM (FÉNY) Milyen típusú a kölcsönhatás? ABSZORPCIÓ EMISSZIÓ REFLEXIÓ Milyen típusú anyaggal történik a kölcsönhatás? ATOMOK MOLEKULÁK SZILÁRD ANYAGOK 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 17
Abszorpciós spektroszkópia 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 18
Emissziós spektroszkópia: fluoreszcencia 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 19
Mi az amit detektálunk? A spektrum Abszorbancia a gerjesztő fény hullámhosszának függvényében 1.0 A/A max 0.8 0.6 0.4 Lambert-Beer törvény 0.2 0.0 0 1 2 3 4 E/eV 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 20
Egy egyszerű spektrum Szabad elektronok vízben: a hidratált elektron 1962 Hart és Boag 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 21
Mi is az a hidratált elektron? Kísérlet: ESR 1974 L. Kevan Kvantumdinamikai szimulációk: 1986 P. J. Rossky 2002 Turi és Borgis O H H O H O H H H e - O H H H O H H O H 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 22
I I A hidratált elektron elektronszerkezete Elektronszerkezet s-típusú alapállapot 3 db p-típusú, nem degenerált gerjesztett állapot Spektrum inhomogén, diffúz elektron spektrum, E max =1,72 ev maximummal 10 1,0 8 0.10 0.08 6 0,8 0.06 4 2 2 4 6 8 10 0,6 0.04 0.02 0.00 0 1 2 3 4 5 E/eV 10 0,4 8 6 0,2 4 2 2 4 6 8 10 0,0 0 1 2 3 4 5 E/eV 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 23
Egy bonyolult példa: klorofill 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 24
Egy bonyolult példa: klorofill SeaWiFS (NASA) 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 25
Abszorpciós spektroszkópia felosztása Milyen energiájú a fény? Röntgensugár abszorpciós spektroszkópia Elektronenergia gerjesztése (atomtörzs) Látható és UV spektroszkópia Elektronenergia gerjesztése (vegyértékhéj) Infravörös spektroszkópia Molekuláris rezgések gerjesztése Mikrohullámú spektroszkópia Molekuláris forgások gerjesztése Magmágneses-rezonancia spektroszkópia Magspin-állapotok gerjesztése 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 26
Vibrációs spektroszkópia: molekuláris rezgések 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 27
Vibrációs spektroszkópia: rezgési frekvenciák 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 28
Vibrációs spektroszkópia 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 29
Vibrációs spektroszkópia: a spektrum 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 30
Vibrációs spektroszkópia: sokatomos molekulák rezgései 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 31
Vibrációs spektroszkópia: bonyolult spektrumok 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 32
Rotációs (mikrohullámú) spektroszkópia: trifluor-jód-metán 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 33
Mágneses sajátságok és spektroszkópia Töltött részecskék pályamenti mozgása: mágneses tulajdonságok (mágneses momentum) Elektronspektrumok finomszerkezete: az elektronoknak rendelkeznie kell sajátimpulzusnyomatékkal SPIN Az elektron spinállapotok degeneráltsága mágneses térben megszűnik! Atommagoknak is van spinje! 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 34
Az energiaszintek felhasadása ½-es spinű rendszereknél 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 35
Proton-NMR spektroszkópia Spinállapotok átbillenthetők (21 Tesla 900 MHz) Az átbillentés frekvenciája (JEL) függ a kémiai környezettől kémiai eltolódás (néhány száz Hz!!!) A jel arányos a protonok számával 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 36
Egyszerű NMR spektrum 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 37
2D-NMR spektroszkópiák Fehérje hidrolizátum két-dimenziós NMR spektruma Egyéb: MRI 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 38
Kémiai események követése 1. Folyamatos áramlásos reaktor 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 39
Kémiai események követése 2. Megállított áramlás módszere 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 40
Ultragyors események követése fs időskála referencia detektor mérés minta gerjesztés H 2 O Nd:YAG lézer Ar- ion lézer erősítő CPM lézer késleltetés Ultrarövid lézerimpulzusok, ultragyors elektronika 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 41
Ultragyors események követése A mérés elve 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 42
Köszönetnyilvánítás Daniel Borgis (Franciaország) Peter J. Rossky (USA) Keszei Ernő (ELTE, Kémiai Intézet) Harsányi Ildikó (ELTE) Madarász Ádám (ELTE) Mináry Péter (ELTE) Mones Letif (ELTE) Joseph J. Dannenberg (USA) Marie-Pierre Gaigeot (Franciaország) Wen-Shyan Sheu (Tajvan) Arnulf Staib (Németország) Nicolas Levy (Franciaország) Alex Mosyak (USA) Kim Wong (USA) ELTE, Fizikai-Kémiai Tanszék, régi és új kollégáim Állami Eötvös Ösztöndíj, Bolyai János Ösztöndíj, Széchenyi Professzori Ösztöndíj OTKA, FKFP 2012. november 19. Szent László Gimnázium Önképzőkör 43