F1: LIF-Spektroskopie von Iodmolekülen

Grundlagen

Die laserinduzierte Fluoreszenz entsteht in zwei Schritten:

1. Die einfallende Laserstrahlung der Wellenlänge 514,5 nm wird teilweise absorbiert und befördert Iodmoleküle vom elektronischen Grund- in einen elektronisch angeregten Zustand:

X und B bezeichnen den elektronischen Grund- bzw. den zweiten elektronisch angeregten Zustand. Hier gibt es Näheres zu den Termsymbolen, mit denen die elektronischen Zustände beschrieben werden.

Um die Vibrationszustände des elektronischen Grundzustands und des elektronisch angeregten Zustands zu unterscheiden, wird die Vibrationsquantenzahl ${\em v}$ für den Grundzustand mit dem Index '', für den angeregten Zustand mit dem Index ' versehen.
Die Energie eines 514,5 nm-Photons entspricht der Energiedifferenz zwischen ${\em v}$ ''=0 im elektronischen Grundzustand und ${\em v}$ '=43 im elektronisch angeregten Zustand.

2. Das elektronisch und vibratorisch angeregte Iod geht wieder in den elektronischen Grundzustand über und emittiert dabei Licht verschiedener Wellenlängen:

Prinzipiell sind dabei Übergänge in beliebige Vibrationszustände ${\em v}$ '' erlaubt.

Das LIF-Experiment wird hier graphisch dargestellt.

Die Wellenzahlen $\tilde{\nu}$ ${\em v}$ _'' ergeben sich aus:

Gleichung 3

T_e ist der elektronische Anregungsterm (Einheit cm^-1), G' ${\em v}$ und G'' ${\em v}$ die Schwingungsterme im elektronisch angeregten bzw. im elektronischen Grundzustand (beide ebenfalls in der Einheit cm^-1).
In der Auswertung dieses Versuches wird davon ausgegangen, daß sich die beiden beteiligten elektronischen Zustände als Morse-Oszillatoren darstellen lassen. In diesem Fall können die Schwingungsterme wie folgt ausgedrückt werden:

Gleichung 4

Mit den gemessenen Wellenlängen $\lambda$ ${\em v}$ der Schwingungsbanden können durch eine Birge-Sponer-Auftragung die spektroskopischen Konstanten $\tilde{\nu}_e$ und x_e sowie die Dissoziationsenergien D_e und D₀ bestimmt werden.

Außer in der Wellenlänge unterscheiden sich die Vibrationsbanden in den Intensitäten, die proportional zu den Franck-Condon-Faktoren q ${\em v}$ _' ${\em v}$ _'' sind:

Gleichung 5

Stichworte:

	UV/Vis-Spektroskopie
	Absorptions- und Emissionsspektren
	Laser-Induzierte Fluoreszenz (LIF)
	Spektren zweiatomiger Moleküle
	harmonischer Oszillator
	Morse-Oszillator (anharmonischer Oszillator)
	Birge-Sponer-Auftragung
	Auswahlregeln
	Franck-Condon-Prinzip

Fragen:

	Warum erfolgt die Anregung der Iodmoleküle von ${\em v}$ ''=0 aus?
	Warum wird ausschließlich I₂(B, ${\em v}$ '=43) angeregt?
	Warum verbleibt das elektronisch angeregte Iodmolekül im Vibrationszustand ${\em v}$ '=43, bis es in den elektronischen Grundzustand zurückfällt?
	Wie muß man die experimentellen Bedingungen wählen, damit I₂(B, ${\em v}$ '=43) nach ${\em v}$ '=0 relaxiert und erst dann der spektroskopische Übergang nach I₂(X) erfolgt?
	Kann es Schwingungsbanden mit kleineren Wellenlängen als 514,5 nm geben?
	Über welchen der beiden elektronischen Zustände kann man mit diesem Versuch Informationen gewinnen?
	Mit was für einem Experiment kann man den anderen Zustand untersuchen?
	Welche Faktoren außer der Übergangswellenlänge und der Intensität der Banden wirken sich noch auf das Aussehen des Spektrums aus?
	Welche molekulare Bewegungsform wird in diesem Versuch der Einfachheit halber außer Acht gelassen?

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