فتوشیمی؛مختصات واکنش و نمودار جابلونسکی چیست؟🧪نویسنده و محقق:جمال عبدالله زاده🧪

محقق و نویسنده: جمال عبدالله زاده دانشجوی شیمی محض🧪عاشق محاسبات شیمی،تاریخ شیمی و دنیای شیمی فیزیک به خصوص شیمی کوانتوم و ترمودینامیک شیمیایی🧪

یکی از مفاهیم اساسی در فتوشیمی مدرن مختصات واکنش reaction coordinate می باشد.برای درک مفهوم مختصات واکنش باید برای هرکدام از حالت های برانگیخته و پایه مولکول بر اساس معادله شرودینگر،تابع موج wave function تشکیل دهیم.تابع موج حالت برانگیخته را نسبت به حالت پایه مولکول مقایسه می کنیم.چون تابع موج تشکیل داده ایم پس بحث انرژی پتانسیل هم مطرح می شود.بنابراین نموداری را بر اساس انرژی پتانسیل حالت برانگیخته و حالت پایه رسم می کنیم.طرح و نقشه کلی این نمودارها در حقیقت همان چاه های پتانسیل potential wells می باشد؛چاه پتانسیل نقاطی از نمودار انرژی پتانسیل مولکول ها هستند که یشترین سطح انرژی را داشته و به شکل چاهی عمیق و ژرف دیده می شوند و ماکزیمم هستند.در فتوشیمی تفاوت خالص بین تابع موج حالت برانگیخته و تابع موج حالت پایه را مبنا قرار می دهیم.در آن صورت به محورهای x نمودار انرژی پتانسیل اصطلاحا مختصات واکنشreaction coordinate می گوییم.چون محورهای x در این نمودار از دیدگاه ریاضی متغیر مستقل هستند و در محاسبات شیمی متغیر مستقل کلید و راهنمای ما برای درک پیامدها و نتایج شیمیایی متغیرهای وابسته می باشد.به همین دلیل فتوشیمیدان ها محورx در نمودار انرژی پتانسیل را مختصات واکنش نامیده اند.به عبارت دیگر محورx بیانگر تغییر مسیر و موقعیت ذرات برانگیخته excited state نسبت به ذرات پایه ground state است و مبنای سایر اتفاقات و تحولات فتوشیمیایی است.حال یک پرسش چالش برانگیز مطرح می شود؛ آیا ترمزی در فرایندهای فتوشیمیایی طبیعت رخ می دهد و تغییر و تحول تابع موج مولکول و تغییر انرژی پتانسیل را کنترل و تعدیل می کند یا مولکول ها بدون ترمز و بدون لحظه ای سکون و ایستادن  همچنان پیش به سوی سطوح انرژی جدید و حالت های کوانتومی جدید حرکت می کنند؟؟ در پاسخ به این چالش و معمای جالب باید بگویم مختصات های واکنش در فتوشیمی ماورای یک ابزار ریاضی هستند و اثرات فتوشیمیایی ناشی از برانگیخته شدن مولکول ها را تعدیل و کنترل می کنند.پس خلاصه کلام مختصات واکنش در واقع عامل تعدیل کننده طبیعی است و باعث می شود بالانس و تعادلی در طبیعت برقرار شود و جلوی تغییر بی وقفه و کنترل ناپذیر مولکول ها را بگیرد و تا حدودی اثرات آن را جبران و تعدیل کند. قدرت و قابلیت طبیعی مختصات واکنش برای متعادل کردن و جبران اثرات فتوشیمیایی را اصطلاحا offset می نامیم.ریشه و شالوده تمام این اثرات و پیامدهای فتوشیمیایی در مولکول ها تغییر و تحول تابع موج ذرات است.بنابراین هرچقدر اختلاف خالص بین تابع موج برانگیخته و تابع موج پایه بیشتر باشد قدرت متعادل کردن و جبران شدن اثرات فتوشیمیایی توسط مختصات واکنش هم افزایش می یابد.چون تصور هندسی و شماتیک visualise توابع موج در فتوشیمی دشوار است برای راحتی و سهولت کار تغییر و تحول تابع موج را به عنوان مجموع تفاوت خالص موقعیت هر اتم در حالت برانگیخته نسبت به حالت پایه بررسی و تفسیر می کنیم.هرچقدر تغییر ساختاری stractural change و تغییر موقعیت اتم ها بیشتر باشد تغییرات و دگرگونی توابع موج بیشتر می شود و نهایتا قدرت تعدیل و جبران کنندگی offset مختصات واکنش هم زیاد می شود.پروسه های فتوشیمیایی به دو شیوه کلی «اسپین مجاز» spin allowed و «اسپین ممنوعه» spin forbidden انجام می شود.مولکول ها در حالت برانگیخته بر اساس این دو شیوه کلی مسیرهایی را برای غیرفعال سازی انرژیایی deactivation انتخاب می کنند تا تعادل برقرار شود.نمودارهای مشهور جابلونسکی در فتوشیمی مسیرهای متعدد مولکول های برانگیخته را به دقت نشان می دهند و پدیده غیرفعال سازی انرژیایی مولکول ها را نیز به وضوح بیان می کنند.انواع روش های انتقالات الکترونی transition اعم از اسپین مجاز و اسپین ممنوعه سطوح انرژی متفاوتی دارند و همین سطوح انرژی متفاوت انتقالات الکترونی باعث پیدایش نمودارهای جابلونسکی می شود.نمودارهای جابلونسکی به زبان ساده طرح کلی سطوح انرژی انتقالات الکترونی در مولکول ها را بیان می کنند ولی جزئیات مربوط به چاه های پتانسیل potential wells حالت های برانگیخته و پایه مولکول ها را بیان نمی کنند.البته برای درک و فهم عمیق انواع انتقالات الکترونی transition تسلط بر مفهوم قاعده انتخاب selection rule در طیف سنجی مولکولی حیاتی است.زیرا قاعده انتخاب به ما می گوید که اعداد کوانتومی چرخشی یا ارتعاشی چندتا چندتا تغییر می کنند و در چه محدوده ای تغییر می کنند و بر اساس این محدوده فرضی می توانیم سیستم فتوشیمیایی را تحلیل کنیم.اگر هنگام برانگیخته شدن مولکول اسپین ثابت بماند انتقالات الکترونی اسپین مجاز spin allowed رخ می دهد و پدیده فلورسانس اتفاق می افتد.ولی اگر تغییر اسپین رخ دهد انتقالات الکترونی اسپین ممنوعه spin forbidden رخ می دهد و پدیده فسفرسانس اتفاق می افتد.بنابراین بر اساس شیوه های مختلف انتقالات الکترونی انواع مسیرهای نشری decay pathways در مولکول های برانگیخته ایجاد می شود و دو پدیده فتوشیمایی فسفرسانس و فلورسانس در حقیقت نتیجه و برایند این انتقالات الکترونی و تغییرات اسپینی هستند.عمر life time حالت فسفرسانس (چند دقیقه) نسبت به فلورسانس(کمتر از ۱۰ نانوثانیه) بیشتر است که این موضوع به قاعده انتخاب اسپین بر می گردد.

🌏دوستان عزیز می توانید ما را در کانال تلگرام ایستگاه اندیشه ورزی و فلسفه شیمی جمال به نشانی t.me/JimiChem دنبال کنید؛ رسانه ای جذاب و جالب برای عاشقان علم شیمی به ویژه آنان که اندیشیدن مداوم به ماهیت علم شیمی را دوست دارند.🌏