(Как) влияет ли температура на поглощение света молекулярными системами?

Меня беспокоят спектры цветового отражения, которые показывают немного разные характеристики при разных температурах образца. Я пытаюсь выяснить причину этого и хотел бы понять, какое влияние оказывает температура на поглотительные свойства веществ вообще.

Отправная точка

Когда я нагреваю различные чернила, содержащие органические красители (например, от 20 до 50 °C с использованием нагревательного элемента с ПТКС), я могу наблюдать несколько эффектов спектральной отражательной способности при повышении температуры. Большинство красок демонстрируют увеличение красного смещения и уменьшение коэффициента отражения, которое обратимо при охлаждении образца.

Температурно-зависимые изменения спектрального поглощения являются известным явлением цветных объектов и могут также наблюдаться, например, для пропускающего стеклянного фильтра.

Поглощение красителей в основном обусловлено мю мю электронные переходы сопряженных и делокализованных двойных связей С=С с соответствующей энергией в видимом диапазоне электромагнитного спектра.

Предположение

Собрав все свои скудные познания в физике, я бы предположил, что энергия, индуцированная нагревом образца, приводит к более сильным колебаниям молекул. За счет этой вибрации необходимая энергия возбуждения для мю мю переход электрона уменьшается, что сдвигает спектр поглощения в сторону более длинных и менее заряженных длин волн – по крайней мере, это мое предположение. Другая мысль, которая приходит мне на ум, заключается в том, что делокализация связей увеличивается из-за колебательных состояний (почему это вообще должно происходить), и, таким образом, сдвигается поглощение.

Вопрос

Является ли физически правдоподобным, что более высокая температура образца уменьшает необходимое количество энергии для электронных переходов? Какое еще влияние оказывает повышение температуры на поглощающие свойства молекулярных систем/красителей? Есть ли смысл в моих предположениях?

Возможно, вам будет интересно прочитать о мессбауэровской спектроскопии en.wikipedia.org/wiki/…, так как это близко к тому, что вы здесь предлагаете. Однако я предполагаю, что чернила, представляющие собой смесь большого количества веществ и вполне возможно содержащие нерастворенные частицы, могут отделяться при нагревании, и это основная причина изменения цвета, которое вы наблюдаете.
@CarlWitthoft Спасибо, я читал о мессбауэровской спектроскопии, но, честно говоря, не понимаю ссылку. На мой взгляд, тот факт, что эффекты обратимы при остывании образца, говорит против разделения компонентов краски или любого существенного изменения состояния краски.

Ответы (1)

Поскольку вы наблюдаете спектр видимого света (энергия фотона 2-4 эВ), поглощение происходит в основном из-за перехода электрона между занятым состоянием и пустым состоянием. Вибрация дает лишь один из факторов, определяющих ширину линии.

Расстояние между энергетическими уровнями определяется силой взаимодействия между составляющими молекулами. Большее межмолекулярное взаимодействие приводит к более широкому расщеплению энергетического уровня. Сила взаимодействия является функцией межмолекулярного расстояния.

С повышением температуры межмолекулярное расстояние увеличивается, а взаимодействие между молекулами ослабевает. Таким образом, более высокая температура ослабляет межмолекулярное взаимодействие и сужает расстояние между энергетическими уровнями. Это приводит к красному смещению спектра.

Например, ширина запрещенной зоны полупроводника всегда уменьшается с ростом температуры. В случае GaAs ширина запрещенной зоны составляет 1,44 эВ при комнатной температуре по сравнению с 1,52 эВ при низкой температуре.

Большое спасибо! Я уже читал о зависимости ширины запрещенной зоны полупроводников от температуры, но не был уверен, применим ли этот механизм и к неполупроводникам. Если я правильно понимаю ваше объяснение, все процессы электронного возбуждения в большей или меньшей степени зависят от температуры.
Да. Потому что тепловое расширение увеличивает расстояние между составными элементами и изменяет уровни энергии.
Приходится еще раз пересказывать эту тему, потому что некоторые вещи для меня до сих пор неясны. Вы пишете, что вибрации влияют на ширину линии - пока все ясно. Но могут ли различные вибронные состояния также иметь прямое влияние на электронное возбуждение, соответственно. энергетический зазор между занятым и пустым состоянием? Или только косвенно через тепловое расширение? Мой вопрос направлен на то, чтобы узнать, является ли тепловое расширение единственным / преобладающим фактором, влияющим на спектральный сдвиг.