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cambio de combustible

Diagrama del cambio de Stokes entre los espectros de luz de absorción y emisión.

El desplazamiento de Stokes es la diferencia (en unidades de energía , número de onda o frecuencia ) entre las posiciones de los máximos de banda de los espectros de absorción y emisión ( fluorescencia y Raman son dos ejemplos) de la misma transición electrónica. [1] Lleva el nombre del físico irlandés George Gabriel Stokes . [2] [3] [4]

Para Stokes (izquierda), la molécula se excita desde un nivel de energía vibratoria (v=0) a un estado virtual (j). La dispersión de Stokes muestra que la energía emitida es menor que la absorbida. El anti-Stokes (derecha) muestra que la energía emitida es mayor que la absorbida.

Cuando un sistema (ya sea una molécula o un átomo ) absorbe un fotón , gana energía y entra en un estado excitado . El sistema puede relajarse emitiendo un fotón. El desplazamiento de Stokes ocurre cuando la energía del fotón emitido es menor que la del fotón absorbido, lo que representa la diferencia de energía de los dos fotones.

El cambio de Stokes es principalmente el resultado de dos fenómenos: relajación o disipación vibratoria y reorganización del disolvente. Un fluoróforo es parte de una molécula con un momento dipolar que exhibe fluorescencia. Cuando un fluoróforo entra en un estado excitado, su momento dipolar cambia, pero las moléculas del disolvente circundante no pueden ajustarse tan rápidamente. Sólo después de la relajación vibratoria se realinean sus momentos dipolares. [5]

Los cambios de Stokes se dan en unidades de longitud de onda, pero esto es menos significativo que las unidades de energía, número de onda o frecuencia porque depende de la longitud de onda de absorción. Por ejemplo, un cambio de Stokes de 50 nm desde la absorción a 300 nm es mayor en términos de energía que un cambio de Stokes de 50 nm desde la absorción a 600 nm.

Alimenta la fluorescencia

Espectros de absorción y emisión de rodamina 6G con desplazamiento de Stokes de ~ 25 nm

La fluorescencia de Stokes es la emisión de un fotón de longitud de onda más larga (menor frecuencia o energía) por una molécula que ha absorbido un fotón de longitud de onda más corta (mayor frecuencia o energía). [6] [7] [8] Tanto la absorción como la radiación (emisión) de energía son distintivas para una estructura molecular particular. Si un material tiene una banda prohibida directa en el rango de la luz visible, la luz que incide sobre él es absorbida, lo que excita los electrones a un estado de mayor energía. Los electrones permanecen en estado excitado durante unos 10 −8 segundos. Este número varía en varios órdenes de magnitud, dependiendo de la muestra, y se conoce como vida útil de fluorescencia de la muestra. Después de perder una pequeña cantidad de energía debido a la relajación vibratoria, la molécula regresa al estado fundamental y se emite energía.

Cambio anti-Stokes

Si el fotón emitido tiene más energía que el fotón absorbido, la diferencia de energía se denomina desplazamiento anti-Stokes ; [9] esta energía adicional proviene de la disipación de fonones térmicos en una red cristalina, enfriando el cristal en el proceso.

Aplicaciones de los cambios Stokes y anti-Stokes

espectroscopia raman

En la espectroscopia Raman , cuando una molécula es excitada por la radiación incidente, sufre un desplazamiento de Stokes ya que emite radiación a un nivel de energía más bajo que la radiación incidente. El análisis de la intensidad y frecuencia del cambio espectral proporciona información valiosa sobre los modos vibratorios de las moléculas, lo que permite la identificación de enlaces químicos, grupos funcionales y conformaciones moleculares.

Oxisulfuro de itrio

El oxisulfuro de itrio ( Y 2 O 2 S ) dopado con oxisulfuro de gadolinio ( Gd 2 O 2 S ) es un pigmento anti-Stokes industrial común , que absorbe en el infrarrojo cercano y emite en la región visible del espectro. [10] Este material compuesto se utiliza a menudo en aplicaciones luminiscentes, donde absorbe fotones de menor energía y emite fotones de mayor energía. Esta propiedad única lo hace particularmente valioso en diversos campos tecnológicos, incluida la impresión de seguridad, las medidas contra la falsificación y las pantallas luminiscentes. Al aprovechar la fluorescencia anti-Stokes, este pigmento permite la creación de tintas, recubrimientos y materiales vibrantes y duraderos con capacidades de visibilidad y autenticación mejoradas.

Conversión ascendente de fotones

La conversión ascendente de fotones es un proceso anti-Stokes en el que los fotones de menor energía se convierten en fotones de mayor energía. Un ejemplo de este último proceso se demuestra mediante la conversión ascendente de nanopartículas . Se observa más comúnmente en espectroscopía Raman , donde puede usarse para determinar la temperatura de un material. [11]

Dispositivos optoelectrónicos

En las capas semiconductoras de película delgada de banda prohibida directa, la emisión desplazada de Stokes puede originarse a partir de tres fuentes principales: dopaje, tensión y desorden. [12] Cada uno de estos factores puede introducir variaciones en los niveles de energía del material semiconductor, lo que lleva a un cambio en la luz emitida hacia longitudes de onda más largas en comparación con la luz incidente. Este fenómeno es particularmente relevante en dispositivos optoelectrónicos donde controlar estos factores puede ser crucial para optimizar el rendimiento del dispositivo.

Ver también

Referencias

  1. ^ Gispert, JR (2008). Química de la Coordinación. Wiley-VCH . pag. 483.ISBN​ 978-3-527-31802-5.[ enlace muerto permanente ]
  2. ^ Albani, JR (2004). Estructura y dinámica de macromoléculas: estudios de absorción y fluorescencia. Elsevier . pag. 58.ISBN 0-444-51449-X.
  3. ^ Lakowicz, JR 1983. Principios de espectroscopia de fluorescencia, Plenum Press, Nueva York. ISBN 0-387-31278-1
  4. ^ Guilbault, GG 1990. Fluorescencia práctica, segunda edición, Marcel Dekker, Inc., Nueva York. ISBN 0-8247-8350-6
  5. ^ "Microscopía de fluorescencia: conceptos básicos de fluorescencia | Olympus LS". www.olympus-lifescience.com . Consultado el 14 de abril de 2024 .
  6. ^ Banwell CN y McCash EM Fundamentos de espectroscopia molecular (4ª ed., McGraw-Hill 1994) p.101 y p.113 ISBN 0-07-707976-0 
  7. ^ Atkins P. y de Paula J. Química física (8ª ed., WH Freeman 2006) p.431 ISBN 0-7167-8759-8 
  8. ^ Rost, FWD (1992). Microscopio fluorescente. Prensa de la Universidad de Cambridge . pag. 22.ISBN 0-521-23641-X. Archivado desde el original el 13 de noviembre de 2012.
  9. ^ Kitai, A. (2008). Materiales y Aplicaciones Luminiscentes. John Wiley e hijos. pag. 32.ISBN 978-0-470-05818-3.
  10. ^ Georgobiani, AN; Bogatyreva, AA; Ishchenko, VM; Manashirov, O. Ya.; Gutan, VB; Semendyaev, SV (1 de octubre de 2007). "Un nuevo fósforo multifuncional a base de oxisulfuro de itrio". Materiales Inorgánicos . 43 (10): 1073–1079. doi :10.1134/S0020168507100093. ISSN  1608-3172.
  11. ^ Keresztury, Gábor (2002). "Espectroscopia Raman: teoría". Manual de espectroscopia vibratoria . vol. 1. Chichester: Wiley. ISBN 0471988472.
  12. ^ Pavel V. Kolesnichenko; Qianhui Zhang; Tinghe Yun; Changxi Zheng; Michael S. Führer ; Jeffrey A. Davis (2020). "Desenredar los efectos del dopaje, la tensión y el desorden en monocapa WS2 mediante espectroscopia óptica". Materiales 2D . 7 (2): 025008. arXiv : 1909.08214 . doi :10.1088/2053-1583/ab626a. S2CID  202661069.