Comments
Transcript
דעצכ ינויצרביו רורע ןוניו קוריפל םידקמ תולוקלומ
אוניברסיטת בן גוריון בנגב המחלקה לפיסיקה ערור ויברציוני כצעד מקדים לפירוק וינון מולקולות מגיש :רוני שרון בהדרכת :פרופ' אילנה בר מר אמיר גולן יולי 2006 תקציר השימוש בעירור ויברציוני בשיטת ה Stimulated Raman Excitation (SRE) -כצעד מקדים לפירוק ויינון של מולקולות מתיל אמין נחקר .פירוקן של המולקולות נעשה ע"י פוטוני UV באורך גל של ~ 243.1 nmתוך ערור המולקולות המעוררות ויברציונית לרמה האלקטרונית הראשונה .פוטוני ה UV -גם שימשו לערור אטומי המימן שהתפרקו מהמולקולה בתהליך יינון רזוננטי רב פוטוני )(2+1) Resonantly Enhanced Multiphoton Ionisation (REMPI יינון המולקולה נעשה ע"י תהליך (1+1) REMPIבאורך גל של , ~ 236 nmכאשר היינון התבצע מרמת היסוד הויברציונית של המולקולה .כמו כן ,נבדקה האפשרות לשלב בין SRE ויינון מולקולרי ,כך שבשלב הראשון בעצם גורמים להוצאת אוכלוסיה מרמת היסוד )ע"י ערור לרמה הויברציונית( ולכן מצפים לירידה באות שמתקבל כתוצאה מהיינון .שילוב זה יאפשר את פיתוח שיטת ה , SRE-Ion dip -שלה חשיבות רבה בהשגת "טביעות האצבעות" הויברציוניות ולה השלכות נרחבות על קביעת מבנים של מולקולות ביולוגיות .בניסוי הפרוק מדדנו את כמות אטומי המימן מקשר ה N-H -במולקולת המתיל אמין והראנו כי היא תלויה במצב הויברציוני התחילי שהוכן .בניסוי זה אנו שולטים היטב והתוצאה הטובה ביותר שהתקבלה עד כה יחס אות לרעש ) ,15.5 (SNRבניסוי ה SRE-Ion dip -התקבלו מספר תוצאות אשר מעידות על כך שתהליך זה אכן אפשרי ,אך עדיין יש לשפר את עוצמת האות. 2 מבוא אחד התהליכים החשובים בפרויקט זה ובכלל הוא פוטודיסוציאציה -פירוק קשרים מולקולריים כתוצאה מאינטראקציה עם קרינה אלקטרומגנטית .בתהליך זה אנרגית הפוטון הפוגע מומרת לאנרגיה פנימית של המולקולה ובמידה ואנרגיה זו גבוהה מחוזק הקשר התוך מולקולרי החלש ביותר אזי המולקולה תתפרק לשני תוצרים ] . [1במידה ואנרגית הפוטון הפוגע גבוהה מסכומן של אנרגיות הקשר של שני קשרים או יותר ,אזי המולקולה תתפרק למספר גדול יותר של תוצרים .קיימות מספר דרכים לביצוע פוטודיסוציאציה אך אנו נסביר באופן איכותי את הדרך שבה יכול להתרחש התהליך במולקולת המתיל אמין, ) CH 3 NH 2איור .(1פוטון בתחום ה UV -מאפשר את ערורה של המולקולה מרמת היסוד האלקטרונית לרמה האלקטרונית הראשונה ומכיוון שברמה האלקטרונית הראשונה יש מחסום פוטנציאל סופי ] [2 אזי חלק מאטומי המימן יכולים לבצע מנהור ובעקבות זה מעבר דרך הצטלבות קונית לרמת היסוד ופירוק אטומי המימן. V1 Free H Atoms V0 איור : 1תיאור סכמטי של מולקולת המתיל אמין המעוררת מרמת היסוד לרמה האלקטרונית הראשונה, ברמה זו חלק מאטומי המימן מבצעים מנהור ומעבר לרמת היסוד דרך הצטלבות קונית ופירוקם. 3 תהליך ה SRE- תהליך הStimulated Raman Excitation (SRE) - ][3 ,מאפשר לעורר מולקולה מרמת היסוד לרמה הויברציונית הראשונה )איור .(2בתהליך זה פוגעים במולקולה שני פוטונים :הראשון מעורר את המולקולה לרמה וירטואלית והשני מאלץ את המולקולה מהרמה הוירטואלית לרמה הויברציונית הראשונה .תהליך זה מוגבר מאוד כאשר הפרש התדירויות בין שני הפוטונים תואם את המעברים הרו-וויברציונים הנדגמים. Virtual v= 4 v= 3 v= 2 v=1 v=0 איור : 2תיאור סכמטי ,פוטון ראשון המעורר את המולקולה מרמת היסוד v = 0לרמה וירטואלית ופוטון שני המאלץ את המולקולה מהרמה הוירטואלית לרמה הויברציונית הראשונה . v = 1 4 תהליך הVMP - תהליך ה , [4] Vibrationaly Mediated Photodissociation (VMP) -מאפשר פוטודיסוציאציה של מולקולה מעוררת ויברציונית )איור . (3בתהליך זה מכינים את המולקולה במצב ויברציוני תחילי ומעוררים אותה בעזרת פוטון בתחום ה UV -ממצב זה ברמת היסוד האלקטרונית לרמה האלקטרונית הראשונה .הסתברות המעבר מהרמה הויברציונית לרמה האלקטרונית הראשונה תלויה בגורם פראנק-קונדון ][5 )ראה נספח(, שכן אם גורם זה גדול יותר אזי הסתברות המעבר תהיה גבוהה יותר .חשיבות של שיטת ה VMP -כשיטת מחקר גדולה ,עקב תפקידה היסודי של האנרגיה הויברציונית בקידום תהליכים מולקולריים .מולקולות מעוררות ויברציונית מעורבות בתהליכים רבים כגון ריאקציות באטמוספירה ,פלסמה ,לזירה וכו' ][1 . V1 V0 v '' = 1 v '' = 0 איור 3 :תיאור סכמטי של מולקולה הנמצאת ברמה הויברציונת הראשונה v '' = 1ומעוררת מרמת היסוד האלקטרונית V0לרמה האלקטרונית הראשונה V1ע"י פוטון בתחום ה. UV - 5 תהליך הREMPI - תהליך ינון רזוננטי רב פוטוני ][1 Resonantly Enhanced Multiphoton Ionisation ) . (REMPIבתהליך זה אנו משתמשים במספר פוטונים על מנת ליינן אטום או מולקולה. נסתכל למשל על תהליך ה (2+1) REMPI -עבור אטום המימן) ,איור ,(4בעזרת שני פוטונים באורך הגל 243.135 nmמעוררים את אטום המימן מרמה 1s 2 Sלרמה 2 s 2 S )תהליך רזוננטי( והפוטון השלישי מיינן אותו .תהליך נוסף שביצענו הוא (1+1) REMPI )איור ,(5בניסוי ה SRE-Ion dip -עבור מולקולת המתיל אמין ,בעזרת שני פוטונים באורך הגל , ~ 243.2 nmהראשון מעורר את המולקולה מרמת היסוד לרמה האלקטרונית הראשונה והשני מיינן את המולקולה. H+ CH 3 NH 2+ 2s 2 S 1s 2 S H CH 3 NH 2 איור :5יינון מולקולת מתיל אמין בתהליך (1+1) REMPI איור :4יינון אטום מימן בתהליך (2+1) REMPI 6 מולקולת המתיל אמין המולקולה בה השתמשנו בניסויים היא מתיל אמין) , CH 3 NH 2 ,איור .(6מולקולה זו נבחרה ] [2 מכיוון שקבוצת ה NH 2 -נמצאת במרכיבים אורגנים וביולוגים רבים ומכאן חשיבותה הרבה .כמו כן למולקולת המתיל אמין יש שתי תנועות מצומדות בעלות אמפליטודה גדולה כלומר ,פיתול המתיל והיפוך קבוצת האמין .אפשרי לפרק אטומי מימן ממולקולת המתיל אמין באמצעות פירוק קשרי ה N-H -או ה , C-H -כאשר הערוץ הראשון הוא העיקרי ]. [2 H H H C N H H איור :6מולקולת מתיל אמין. מטרות הניסוי הכרת מערכת הניסוי ומרכיביה השונים . הכרת שיטות הערור השונות REMPI ,VMP, SRE :וסוגי הספקטרה שניתן לקבל. פיתוח שיטת ה. SRE-Ion dip - 7 חלקי המערכת תיאור סכמטי של מערכת מצוי באיור .7מערכת זו כוללת את הרכיבים העיקרים הבאים: ספקטרומטר מסות מסוג זמן מעוףTime Of Flight Mass Spectrometer (TOFMS) - לייזר הגורם לערור ויברציוני ולייזר המאפשר קבלת פוטונים ב. UV - Dye Laser +SHG Pump Nd:YAG +SHG+THG Pulsed Valve UV 355 nm Ion detector TOFMS Boxcar Pump Oscilloscope Delay generator Gas Sample Nd:YAG+SHG/Dye Laser I.R SHG = איור :7מבנה המערכת הניסויית. 8 חלקי המערכת ספקטרומטר מסות מסוג זמן מעוף Time Of Flight Mass Spectrometer (TOFMS) - יוני המימן או היונים המולקולריים המתקבלים בניסויים מופרדים ומואצים ע"י שתי פלטות האצה ,ממורכזים ע"י דפלקטורים ומפוקסים ע"י עדשות איינזל ונכנסים לאזור עם פוטנציאל קבוע למעוף חופשי ובקצה המעוף מוצב גלאי יונים .מכיוון שבאזור ההאצה כל האטומים צוברים את אותה אנרגיה קינטית אזי תוצרי הפירוק שהם בעלי מסות שונות מואצים במהירויות שונות וכתוצאה מכך מגיעים לגלאי בזמנים שונים ,דבר המאפשר את הפרדתם ודגימת הסיגנל המתקבל ע"י יון מסוים .מאחר ומשתמשים באורך גל ספציפי ליינון וגם זמן הגעתם של יונים בעלי מסות שונות שונה הרי שתהליך זה מאפשר בררנות רבה. הלייזרים הלייזרים במערכת הם פולסיים ומופעלים כאשר , Q-switchמפסק אופטי ,המוכנס לתוך מהוד הלייזר נפתח ,זה יתבצע כאשר היפוך האוכלוסייה בתווך הלוזר הוא מקסימאלי ומתאפשרת קבלת פולסים באורך של כ . 5 nsלייזרי ה Nd:YAGבמערכת זו שואבים את לייזרי הצבע המאפשרים קבלת פוטונים בעלי אורכי גל מתכווננים .השאיבה מתבצעת ע"י ההרמוניה השלישית עבור לייזר ה UV -וע"י ההרמוניה השנייה עבור לייזר הצבע השני ,בנוסף מתקבלת קרן I.Rמהשארית של התדר היסודי שלו ,אשר מוכפלת ע"י גביש KD* Pלקבלת ההרמוניה השנייה שמשמשת לתהליך ה. SRE - התווך הלוזר של לייזר צבע ה UV -הוא צבע קומרין 480מומס במתנול והתווך הלוזר של לייזר הצבע ל SRE -הוא צבע DCMמומס במתנול. דוגמית הגז תערובת הגז 95% ,ארגון ו 5%מתיל אמין ,מוחזקת בתוך גולה בלחץ אטמוספרי, תערובת הגז מוזרמת דרך ברז פולסי ,10 Hz ,בזרימה מכוונת אל תוך מערכת ה- . TOFMSהמעבר מלחץ אטמוספרי ללחץ נמוך מאוד , 10−8 Torr ,במערכת הואקום יוצר סילון על קולי .כתוצאה מהזרימה המכוונת הארגון מתקרר לטמפרטורות נמוכות וע"י התנגשויות מקרר רוטציונית וויברציונית את מולקולות המתיל אמין. 9 עדשות עדשות בעלות מרחק מוקד של 500 mmממקדות את קרני הלייזר משני צידי הTOFMS - על דוגמית הגז שבתוכו .נציין כי בשלבים מוקדמים יותר של הניסוי השתמשנו בעדשות קצרות מוקד יותר וזה אחד השינויים שנעשו על מנת לשפר את האות המתקבל בניסוים. משאבות המשאבות מאפשרות את שאיבת המערכת ללחץ רקע של 2 × 10−8 Torrוללחץ עבודה של . ~ 6 × 10−6 Torr מכשור אלקטרוני תזמון הלייזרים ,הברז הפולסי והאלקטרוניקה נעשה ע"י מחולל הפולסים ) (delay generator . האותות מגלאי היונים מובאים לממצע אנלוגי Gated Boxcar Averagerומשם למחשב להקלטה ולעיבוד .בעזרת האוסצילוסקופ הדיגיטאלי ניתן לראות את האותות המתקבלים מגלאי היונים ולמדוד את התזמון היחסי בין הלייזרים בניסוי ה VMP -ו ה. SRE-Ion dip - בניסויים שערכנו התמקדנו במדידות של שני סוגי ספקטרה עיקריים : .1ספקטרום פעולה -בספקטרום מסוג זה מודדים את כמות יוני המימן הנוצרת מפירוקן של מולקולות מעוררות ויברציונית כפונקציה של הפוטון הדוגם בתהליך ה . SRE -בתהליך ה- SREמעוררים את מולקולות המתיל אמין לרמה הויברציונית ראשונה של מתיחת ה - , N-H/C-Hכאשר הפוטון הראשון בעל אורך גל של 532 nmוהפוטון השני ,פוטון דוגם, בעל אורך גל של 648 nm ~ עבור מתיחת ה N-H -ובעל אורך גל של 626.1 nm / 631.75 nmעבור מתיחות ה . C-H -בתהליך ה , VMP -פוטון בעל אורך גל של , 243.135 nmמעורר את המולקולה מרמת הויברציה המעוררת לרמה האלקטרונית הראשונה .ברמה זו חלק מאטומי המימן מבצעים מנהור ובעקבות זה מעבר דרך הצטלבות קונית לרמת היסוד ופירוק אטומי המימן .דגימת אטומי המימן נעשית ע"י תהליך )(2+1 REMPIשבסופו הם נקלטים בגלאי היונים ומוצגים על גבי הסקופ .הפוטון הדוגם מבצע סריקה כאשר רק אורך הגל המתאים יאלץ את המולקולה ברמה הוירטואלית לרמה הויברציונית הראשונה .תחום הסריקה עבור מתיחת ה N-H -הוא , 646 nm → 650 nmו- 630 nm → 634 nm , 624 nm → 628 nmעבור מתיחות ה . C-H -אנרגית פוטון הUV - לבד מספיקה בכדי לבצע פוטודיסוציאציה של המולקולה ,אך תהליך ה VMP -גורם לעליה 10 ביעילות וזה מתבטא בניסוי כ"הגבר" ,כלומר אות גבוה יותר .הגברת האות ע"י תהליך ה- VMPמאפשרת מדידת ספקטרום פעולה בלחצים נמוכים ] , [1הספקטרום המתקבל מאופיין ע"י פסי בליעה ויברציונים צרים ומופרדים ] , [1דבר המקל על זיהוים .תפקידו של הניסוי הוא מתן מדד לכך שקרני הלייזר חופפות וזה מאפשר לנו להמשיך למטרתנו העיקרית שהיא פיתוח שיטת ה SRE-Ion dip -שתוסבר בהמשך .הסימן לכך שיש חפיפה טובה של הקרניים הוא יחס האות לרעש המתקבל . .2ניסוי הSRE-Ion dip - מדידת כמות היונים המולקולריים כפונקציה של הפוטון הדוגם בתהליך ה .SRE -בתהליך , (1+1) REMPIשני פוטונים בעלי אורך גל של , 236.1 nmמייניים את מולקולת המתיל אמין ובמקביל מתבצעת סריקה של הפוטון הדוגם בתהליך ה . SRE -כאשר הפוטון הדוגם מגיע לאורך הגל המתאים למתיחת ה N-H/C-H -חלק ממולקולות המתיל אמין שהיו ברמת היסוד עוררו לרמה הויברציונית הראשונה ,כתוצאה מכך תקטן כמות המולקולות שימצאו ברמת היסוד ולכן גם יקטן מספר היונים המולקולריים שיוצרו .תוצאת הניסוי מראה את כמות היונים המולקולריים שנוצרים כפונקציה של הפוטון הדוגם בתהליך ה- . SREבעזרת שיטה זו יהיה ניתן בעתיד לבדוק אילו קונפורמרים שונים קיימים למולקולה רב אטומיות מסוימת. 11 תוצאות ודיון בתוצאות איור 8ו 9 -מציגים ספקטרום פעולה ,ז"א עוצמה בציר האנכי ,כפונקציה של אורך הגל של הפוטון הדוגם בתהליך ה , SRE -ציר אופקי. 532 nm E = 24 mJ 646 nm → 650 nm E = 24 mJ UV @ 486.270 nm E = 80 μ J Lens SRE = 500 mm Lens UV = 500 mm Ion detector voltage = 3100 V Boxcar Sens = 50 mV Presure = 6 × 10 −6 Torr Delay = 20 ns )Wavelength (nm איור : 8תוצאת ניסוי ספקטרום פעולה 532 nm E = 17 mJ 630 nm → 634 nm E = 12 mJ UV @ 486.270 nm E = 150 μ J Lens SRE = 300 mm Lens UV = 300 mm Ion detector voltage = 3000 V Boxcar Sens = 50 mV Presure = 5 × 10−6 Torr Delay = 7 ns )Wavelength (nm איור : 9תוצאת ניסוי ספקטרום פעולה באורך הגל המתאים התבצע מעבר של המולקולה מרמת היסוד לרמה הויברציונית הראשונה של מתיחת ה N-H -איור 8ו C-H -איור .9הבליעה מתבטאת באיורים כפיק חד באורך הגל המתאים .יחס האות לרעש שהתקבל מאיור 8הוא 15.5ומאיור 9 הוא .10משך זמן המדידות היה 1000שניות ,את הפרמטרים העיקרים של המדידות ניתן לראות משמאל לאיורים והסריקות התבצעו בקפיצות של . 0.004 nmניתן לראות שינוים בעוצמת אות הרקע לאורך המדידות .שינוים אלו יתכן ונגרמו משינוי בלחץ התא ו/או משינוי באנרגית קרן ה UV -במהלך המדידות .המעבר הרו-ויברציוני שמתרחש בניסוי מתאים לענף ) Qמוסבר בנספח( ולכן צורת האיורים שהתקבלו היא פיק צר . 12 באיור 10אנו רואים סיגנל שמציין את כמות היונים המולקולריים שנוצרו ,ציר אנכי, כפונקציה של אורך הגל של הפוטון הדוגם בתהליך ה , SRE -ציר אופקי. 532 nm E = 19 mJ 646 nm → 650 nm E = 13 mJ UV @ 486.270 nm E = 140 μ J Lens SRE = 500 mm Lens UV = 500 mm Ion detector voltage = 2900 V Boxcar Sens = 50 mV Presure = 6x10-6 Delay =20 ns )Wavelength (nm איור : 10חיבור שני תוצאת ניסוי ה SRE-Ion dip -לגרף אחד. איור זה התקבל בעזרת תוכנת MATLAB 6.5ע"י חיבור של שני תוצאות ניסוי וכתוצאה מכך הקטנו במידה מסוימת את השינויים באות הרקע .באורך הגל המתאים , ~ 648 nm ,התבצע מעבר של המולקולה מרמת היסוד לרמה הויברציונית הראשונה של מתיחת ה N-Hוכתוצאה מכך נוצר מחסור של מולקולות ברמת היסוד ,מחסור זה מתבטא בגרף כירידה חדה בכמות היונים המולקולריים באורך הגל המתאים .משך זמן המדידה והרזולוציה זהים לאלו שצוינו מקודם .יחס האות לרעש שהתקבל מאיור 10הוא . 1.5 לאחרונה שמנו לב שיש תזוזה של קרן ה UV -כאשר משנים את אורך הגל מזה המתאים לניסוי ספקטרום הפעולה לזה המתאים לניסוי ה . SRE-Ion dip -תזוזה זו יוצרת חוסר חפיפה עם קרני ה SRE -על גבי הקרן המולקולרית ולכן המחסור במולקולות שאמור להיווצר ברמת היסוד אינו מתבצע בכמות גדולה ,למרות שתיקנו תזוזה זו יתכן ועדיין קיימת תזוזה קטנה שהיא הגורם ליחס האות לרעש הנמוך שקיבלנו .כמו כן ,יתכן והשינוי הגדול ברקע נגרם מאותם סיבות שציינו עבור איור 8ו . 9-בעבר השתמשנו בעדשות בעלות מרחק מוקד קצר יותר מאלו המצוינות כאן ועל מנת להגדיל את הסיגנל המתקבל בניסויים ולשפר את יחס האות לרעש הגדלנו את מרחק המוקד .שינוי זה הגדיל את שטח החתך של הקרניים עם הקרן המולקולרית וכתוצאה מכך מספר המולקולות המעוררות גדל כמו גם האות המתקבל. 13 סיכום חקרנו את הפרוק והינון של מולקולות מתיל אמין מעוררות ויברציונית תוך לימוד מערכת הניסוי ומרכיביה השונים .הכרנו שיטות ניסוי שונות SRE :לערור המולקולות למצבים רו-ויברציוניים ,שיטת ה VMP -לפרוק מולקולות מעוררות ויברציונית ותהליך ה- REMPIלינון המולקולות .ניסינו ,ועדיין מנסים ,לפתח את שיטת ה, SRE-Ion dip - בשיטה זו מדדנו את כמות היונים המולקולריים שנוצרו כפונקציה של הפוטון הסורק בתהליך ה . SRE -בנוסף ,מדדנו את כמות יוני המימן אשר התפרקו מקשר ה N-H -או ה C-H -של מולקולת המתיל אמין שוב כפונקציה של הפוטון הסורק בתהליך ה. SRE - התוצאות שקיבלנו עבור ניסוי יוני המימן טובות עם יחס אות לרעש . 15.5עבור ניסוי ה- , SRE-Ion dipלמרות יחס האות לרעש הנמוך שקיבלנו בתוצאת הניסוי ,התוצאה מוכיחה שתהליך זה הוא אפשרי ואנו נמשיך לפתח שיטה חדשנית זו. ברצוני להודות לפרופי אילנה בר על הנחייתה המקצועית ,נכונות לעזור ולענות על כל שאלה בכל שעה ותודה מיוחדת על כך שאפשרה לי לשלב פרויקט מחקר זה עם לימודי הסדירים ,כמו כן תודה למר אמיר גולן על הנחייתו המעשית והמקצועית במעבדה, סבלנותו הרבה והסבריו לשאלותיי . 14 נספח רקע תאורטי ][5 כלי חשוב בהבנת תהליכים המתרחשים במולקולה הינו סיווג המולקולה לפי קבוצות סימטריה .פעולת הסימטריה ˆ Tמוגדרת כהעתקה גיאומטרית של כל אטומי המולקולה ללא שינוי צורתה ,למשל: 2π - Cnציר סיבוב -סיבוב של מולקולה בזוית n מסביב לציר מסוים. - σמישור סימטריה -שיקוף של אטומי המולקולה דרך מישור. כל המולקולות המקיימות אותן פעולות סימטריה מרכיבות חבורות סימטריה )(point groups לכל מולקולה נהוג לבחור מערכת צירים לפי מומנטי ההתמד שלה .ציר שעבור סיבוב סביבו מומנט ההתמד הוא מינימאלי נקרא ציר , Aהציר בעל מומנט התמד מקסימלי נקרא ציר Cוהציר הניצב ל A -ול C -נקרא ציר . Bגם מומנטי ההתמד נקראים בהתאם I C , I B , I Aומתקיים . I C ≥ I B ≥ I A לפעמים בגלל הסימטריה של המולקולה חלק ממומנטי ההתמד או כולם שווים ,מחלקים את המולקולות לכמה קבוצות לפי מומנטי ההתמד שלהן : מולקולה קווית . I A = I B > I C > 0 - רוטור סימטרי מוארך I C = I B > I A -ו . I A ≠ 0 רוטור סימטרי פחוס. I C > I B = I A - רוטור ספרי I C = I B = I A - רוטור לא סימטרי . I C ≠ I B ≠ I A - את מומנטי ההתמד של המולקולה נהוג להציג ביחידות של מספרי גל : h h h ; B= 2 ; C= 2 8π cI A 8π cI B 8π cI C 2 =A ][1 כאשר hקבוע פלנק ו c -מהירות האור בריק .לקבועים A,B,Cקוראים קבועים רוטציוניים .עוצמת המעבר הויברציוני בערור ב I.R -תלויה במומנט הדיפול של המולקולה μובתהליך ה SRE -ב α ij -המייצג רכיב של טנסור הפולריזציה ) αיוסבר בהמשך(. 15 ברוטור סימטרי מבדילים בין מעברים מסוג מקביל וניצב בהתאם לכיוון שינוי המומנט הדיפולי ביחס לציר . Aכל מעבר מאופיין ע"י צורה אופיינית של ספקטרום המאפשרת זיהוי ועוזרת לשיוך הספקטרום הנמדד למעבר ספציפי .את המצבים הרוטציונים של כאשר Jהוא מספר קוונטי של אופרטור מולקולה ברוטור סימטרי נהוג לסמן בJ , K - התנע הזוויתי ו K -הוא ההטל של אופרטור התנע הזוויתי על ציר . Aכללי הברירה למעברים רוטציונים של מולקולה מסוג רוטור סימטרי הם ]: [1 מעברים מהסוג המקביל -אם ΔJ = 0, ±1 ΔK = 0 : K ≠ 0 ][2 ΔJ = ±1 ΔK = 0 ][3 ΔJ = 0, ±1 ΔK = ±1 ][4 מעברים מהסוג המקביל -אם : K = 0 מעברים מהסוג הניצב: לפי השינוי בערכו של Jבכל פס בליעה מבדילים בשלושה ענפים :ענף Qבעל , ΔJ = 0 ענף Pבעל ΔJ = −1וענף Rבעל . ΔJ = +1את הענפים הללו ניתן לזהות לעיתים באופן R ויזואלי )איור .(11 ענףQ - ענףP - ענףR - איור : 11ענפי P,Qו Rבמעבר מהסוג המקביל R ספקטרוסקופיה ויברציונית ספקטרוסקופיה בתחום זה עוסקת בבליעה או פליטה בין מצבים ויברציונים של מולקולה. למולקולה לא ליניארית יש 3N − 6אופני תנודה של ויברציה .עוצמת המעבר הויברציוני בערור ב I.R -פרופורציונאלית ל Rv = ∫ψ 'v μ ψ ''v dτ v 2 Rvכאשר Rvמומנט המעבר הויברציוני ומתקיים ][5 16 כאשר : - μמומנט דיפול של המולקולה. - ψ 'v , ψ ''vפונקציות הגל הויברציוניות של הרמה התחתונה והעליונה. ומתקיים Rv = 0 :עבור מעבר אסור. Rv ≠ 0עבור מעבר מותר. כמובן שיש דרישות פשוטות יותר לסימטריה על מנת שהאינטגרל לא יתאפס ושהמעבר יתאפשר .אם שני מצבי הויברציה שבניהם מתבצע המעבר אינם מנוונים אזי הדרישה היא שסוג הסימטריה על הביטוי שעליו מתבצעת האינטגרציה יהיה סימטרי באופן מוחלט ,ניתן לכתוב זאת כ Γ (ψ 'v ) × Γ ( μ ) × Γ (ψ ''v ) = A : ][6 כאשר Γמייצג את סוג הסימטריה ו A -מסמן את סוג הסימטריה הכולל של כל חבורות הסימטריה הלא מנוונות. Γ (ψ 'v ) × Γ ( μ ) × Γ (ψ ''v ) ⊃ A עבור מנוונים מצבים ניתן לכתוב ש : ][7 מכיוון שמומנט הדיפול הוא וקטור בכיוון מסוים אזי יש לו את אותו סוג סימטריה שיש הכיוון. באופן לטרנסלציה של המולקולה באותו ) Γ ( μ x ) = Γ (Tx ) ; Γ ( μ y ) = Γ (Ty ) ; Γ ( μ z ) = Γ (Tz ][8 כללי מתקיים : ולכן ניתן לכתוב את משוואה ] [1.3באופן הבא [9] Γ (ψ 'v ) × Γ (Tx ) × Γ (ψ ''v ) = A : ו/או Γ (ψ 'v ) × Γ (Ty ) × Γ (ψ ''v ) = Aו/או Γ (ψ 'v ) × Γ (Tz ) × Γ (ψ ''v ) = A ][10 הכוונה ב "ו/או" היא שעבור מעבר מותר אחד או יותר מהמרכיבים של Rvיתכן ויהיה שונה מאפס .תנאי הברירה למעבר מהרמה v = 0לכל רמה לא מנוונת אחרת הם : ) Γ (ψ 'v ) = Γ (Txו/או ) Γ (Tyו/או ) . Γ (Tz ][11 תנאי הברירה מהרמה v = 0לכל רמה מנוונת אחרת הם : ) Γ (ψ 'v ) ⊃ Γ (Txו/או ) Γ (Tyו/או ) . Γ (Tz ][12 באנלוגיה למשוואה ], [6עבור מעברים מותרים ב , I.R -נכתוב את כלל הברירה בין מצבים למעברים מותרים Γ (ψ 'v ) × Γ (α ij ) × Γ (ψ ''v ) = A ][13 לא 17 מנוונים בספקטרה ראמאן כאשר α ijמייצג רכיב של טנסור הפולריזציה . αכלל הברירה למעבר מותר בין שני מצבים שלפחות אחד מהם הוא מנוון הוא Γ (ψ 'v ) × Γ (α ij ) × Γ (ψ ''v ) ⊃ A ][14 כאשר הרמה התחתונה היא רמת היסוד Γ (ψ ''v ) = A ,נקבל שהמעבר לרמה כלשהי,מנוונת או לא ,מותר כאשר ) Γ (ψ 'v ) = Γ (α ij ][15 ספקטרוסקופיה אלקטרונית ספקטרוסקופיה בתחום זה עוסקת בבליעה או פליטה בין מצבים אלקטרונים של מולקולה או אטום .האטומים הם ייחודיים בנושא זה שכן יש להם רק רמות חופש אלקטרוניות בנפרד מטרנסלציה והספין של הגרעין ,כאשר למולקולות יש בנוסף רמות חופש ויברציוניות ורוטציוניות .תוצאה אחת להבדל זה היא שהספקטרום האלקטרוני של אטומים הרבה יותר פשוט מזה של מולקולות .עבור מולקולה רב אטומית לא ליניארית ,אחד מתנאי הברירה הוא , ΔS = 0כאשר Sהוא המספר הקוונטי של הספין הכולל ,עבור החלק המסילתי של פונקצית הגל האלקטרונית תנאי הברירה תלויים בתכונות סימטריה .מעברים אלקטרונים כוללים בדרך כלל אינטראקציה בין המולקולה לבין הרכיב החשמלי של הקרינה האלקטרומגנטית ,לכן תנאי הברירה הם אלו של הדיפול החשמלי .עוצמת המעבר פרופורציונאלית ל- Re = ∫ψ 'e μ ψ ''e dτ e 2 , Reכאשר Reהוא מומנט המעבר האלקטרוני ומתקיים : ][16 כאשר : - μמומנט דיפול של המולקולה. - ψ 'e , ψ ''eפונקציות הגל האלקטרוניות של הרמה התחתונה והעליונה. עבור מעבר מותר Re ≠ 0ודרישות הסימטריה למעבר כזה הם : Γ (ψ 'e ) × Γ ( μ ) × Γ (ψ ''e ) = A ][17 עבור מעבר בין רמות לא מנוונות ,ועבור מעבר בין רמות שלפחות אחת מהן מנוונת דרישות הסימטריה הם Γ (ψ 'e ) × Γ ( μ ) × Γ (ψ ''e ) ⊃ A : ][18 ,כאשר הסימן ⊃ מסמן מוכל .הרכיבים של Reלאורך ציר מסוים הם : ; Re , z = ∫ψ 'e μ z ψ ''e dτ e ; Re , y = ∫ψ 'e μ y ψ ''e dτ e 18 Re , x = ∫ψ 'e μ x ψ ''e dτ e ][19 ומכיוון ש : 2 ) Re = ( Re, x ) + ( Re , y ) + ( Re, z 2 2 2 ][20 אזי המעבר האלקטרוני מותר כאשר אחד מן הרכיבים שונה מאפס ,לכן כללי הברירה למעבר מותר בין מצבים לא מנוונים הם : Γ (ψ 'e ) × Γ (Tx ) × Γ (ψ ''e ) = A Γ (ψ 'e ) × Γ (Tz ) × Γ (ψ ''e ) = A Γ (ψ 'e ) × Γ (Ty ) × Γ (ψ ''e ) = A ו/או ו/או ][21 אם מעורב מצב מנוון במעבר יש להחליף את סימן ה = בסימן ⊃ במשוואות .אם התוצאה של שני סוגי הסימטריות היא סימטרית לחלוטין אזי עבור מצבים לא מנוונים ניתן לרשום ) Γ (ψ e' ) × Γ (ψ e'' ) = Γ (Txו/או ) Γ (Tyו/או ) Γ (Tz ][22 ועבור מעבר שכולל מצב מנוון יש להחליף את סימן ה = בסימן ⊃ במשוואות .אלו הם כללי הברירה למעבר בין שתי רמות אלקטרוניות .נניח שהמולקולה המבצעת מעבר אלקטרוני כבר מעוררת ויברציונית ברמה האלקטרונית התחתונה או העליונה או בשניהם, מומנט המעבר הויברוני Revהוא Rev = ∫ψ ev'* μ ψ ev'' dτ ev ][23 כאשר : - μמומנט דיפול של המולקולה. '' - ψ ev' , ψ evפונקציות הגל הויברוניות של הרמה התחתונה והעליונה. תנאי הברירה לביצוע מעבר ויברוני הוא : ) Γ (ψ ev' ) × Γ (ψ ev'' ) = Γ (Txו/או ) Γ (Tyו/או ) Γ (Tz ][24 אם בתהליך מעורב מצב מנוון יש להחליף את סימן ה = בסימן ⊃ . עקרון פראנק-קונדון עד כה השתמשנו בעקרון זה מבלי לציינו במפורש ,יעילות בליעת פוטון במולקולה וההסתברות לבצע מעבר הכולל שינוי ברמה הויברציונית וגם ברמה האלקטרונית )מעבר ויברוני( של המולקולה תלויה בין השאר בגורם פראנק-קונדון ][5 ),איור ,(12אשר נותן ביטוי כמותי להסתברות זו והיא פרופורציונאלי לערכו המוחלט בריבוע של מומנט המעבר: Rev = Re ∫ψ 'V *ψ ''V0v dr ][25 Re ∫ψ 'e* μ ψ ''e dr ][26 19 - Revמומנט למעבר ויברוני. - Reמומנט למעבר אלקטרוני. - μמומנט הדיפול של המולקולה. - ψ 'V , ψ ''Vפונקציות הגל הויברציוניות של הרמה התחתונה והעליונה. -ψ 'e , ψ ''eפונקציות הגל האלקטרוניות של הרמה התחתונה והעליונה. האינטגרל בביטוי ] [25נקרא אינטגרל החפיפה ,הוא נותן מדד לרמת החפיפה בין שני רמות ויברציה ,ריבוע של אינטגרל זה נקרא גורם פראנק-קונדון. איור : 12הצגה סכמטית של עקרון פרנק-קונדון ,התרומה המקסימאלית מצוינת ע"י הקו הרציף ,ניתן לראות שהמעבר מהרמה v '' = 0לרמה v ' = 1הוא אפסי ,אך הסתברות המעבר לרמה v ' = 2גדולה יותר ,יתכן שברמות ' vגבוהות יותר ההסתברות למעבר תהיה גדולה יותר. 20 מקורות 1 E. Bespechansky, Rovibrational Spectroscopy and intramolecular Dynamics of Polyatomics, M.Sc Thesis, B.G University 2005 . 2 A. Golan, S. Rosenwaks and I. Bar, and, unpublished ,B.G University. 3 J.J.Valentini, in Laser Spectroscopy and its Applications; Opt. Eng. Vol. 11 4 I. Bar and S. Rosenwaks, Int. Rev. Phys. Chem. 20, 711 (2001) 5 J.M. Hollas, "Modern Spectroscopy" 3rd edition. John wiley and sons Ltd, 1996 21