فتوشیمی؛بازده کوانتومی 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🧪

از دیدگاه فتوشیمی فقط نوری که جذب می شود تغییر فتوشیمیایی را در مولکول ایجاد میکند.وقتی نمونه ای از ماده تابش نور را جذب می کند یک ذره دقیقا به اندازه یک واحد کوانتایی تابش hf برانگیخته می شود. یکی از موضوعات مهم در فتوشیمی مفهوم بازده کوانتومی یک فرایند quantum yield است.بازده کوانتومی بیانگر نسبت حالت های برانگیخته مولکول ها به تمام مسیرهای تابشی یا نشری ممکن می باشد.ما در فتوشیمی به کمیتی نیاز داریم که عملکرد سیستم های فتوشیمیایی را توصیف و تحلیل کند و چشم انداز کلی این سیستم ها را به ما بدهد.این کمیت همان بازده کوانتومی quantum yield می باشد.حال یک پرسش ساده و تامل برانگیز مطرح می شود؛چرا نام این کمیت کوانتومی است و چه ارتباطی با شیمی کوانتوم دارد؟؟ در پاسخ به این پرسش باید بگویم اولا در مقیاس اتمی_مولکولی انرژی و بسیاری از کمیت ها از قبیل فوتون های تشکیل دهنده نور به صورت گسسته در طبیعت ظاهر می شوند و چون کمیت بازده کوانتومی از این کمیت های بنیادین سرچشمه می گیرد پس قاعدتا ویژگی ها و خواص آنها را دارد و مثل آنها کوانتیزه می باشد.ثانیا معادله تابش پلانک E=hf نقطه تلاقی شیمی کوانتوم و فتوشیمی است و کمیت بازده کوانتومی نیز در قلب قانون کلی تابش پلانک متولد شده است.ساده ترین راه برای بیان بازده کوانتومی این است که نسبت فوتون های نشرشده به فوتون های جذب شده را تحلیل و ارزیابی کنیم.این روش بر اساس مقایسه تعداد فوتون های جذب شده و نشرشده می باشد و کاربرد گسترده ای در طیف سنجی فلورسانس دارد.به عقیده من این روش ایراد علمی بزرگی دارد که آن هم در نظرنگرفتن تاثیر و تعامل فوتون و مولکول می باشد.روش واقع بینانه تر و علمی تر برای مطالعه واکنش های فتوشیمیایی این است که بازده کوانتومی را به صورت زیر تعریف کنیم: بازده کوانتومی بیانگر این است که به ازای هر فوتون از تابش جذب شده چه تعداد از مولکول ها دستخوش تغییرات فتوشیمیایی شده اند.این روش میان فوتون های نور جذب شده و مولکول های تجزیه شده decomposed molecules به صورت ریاضی یک رابطه برقرار می کند.در منابع علمی معتبر بازده کوانتومی را معمولا به صورت عددی بین صفر و یک گزارش می کنند و گاهی به صورت درصد هم بیان می شود.هرچه این عدد به یک نزدیک تر باشد نشان دهنده این است که واکنش فتوشیمیایی کامل تر و بهتر انجام شده و مولکول ها در اثر نور با شدت و قدرت بیشتری متحمل تغییر و تحول شده اند.البته کمیت بازده کوانتومی به عوامل دیگری از قبیل نوع ماده،نوع حلال،دما و ... هم بستگی دارد.یکی دیگر از روش های جالب برای مدل سازی واکنش های فتوشیمیایی و فرموله کردن کمیت بازده کوانتومی این است که شیمیدان ها برای هرکدام از حالت های تابش یا نشر فلورسانس و مواردی که اصلا تابش رخ نمی دهد ثابت های سرعت rate constant جداگانه ای در نظر می گیرند.نهایتا بازده کوانتومی را به صورت نسبت ثابت سرعت تابش فلورسانس به مجموع ثابت سرعت های همه پدیده های تابشی و غیرتابشی non_radiative process تعریف می کنند.در این روش هرچقدر ثابت سرعت فرایند نشر فلورسانس بیشترباشد بازده کوانتومی بیشتر بوده و بنابراین واکنش های فتوشیمیایی کامل تر و شدیدتر انجام شده است.کمیت بازده کوانتومی برای مدل سازی فرایند فتوسنتز هم به کار می رود.فتوشیمیدان ها برای  مطالعه عمیق فتوسنتز بازده کوانتومی را به صورت زیر تعریف می کنند: بازده کوانتومی بیانگر نسبت مول های کربن دی اکسید مصرف شده به تعداد فوتون های جذب شده می باشد.این روش هم بر پایه تعامل فوتون و مولکول می باشد.کمیت بازده کوانتومی به امکان می دهد که فرایند فتوستتز را کنترل و مدیریت کنیم و اجازه ندهیم چرخه فتوشیمیایی حیات مختل شود.به عنوان مثال هرچقدر تعداد مولکول های کربن دی اکسید مصرف شده بیشتر شود بازده کوانتومی فرایند فتوسنتز بیشتر است و در نتیجه کربوهیدرات بیشتری سنتز می شود و واکنش فتوسنتز شدیدتر و کامل تر انجام می شود.بنابراین بازده کوانتومی به زبان ساده کارایی و بازدهی فتوشیمیایی طبیعت پیرامون را به تصویر می کشد و شاخص شیمی فیزیکی دقیقی برای سنجش میزان تعامل و برهمکنش مولکول ها و فوتون ها می باشد.

🌏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.🌏