光と電気化学 基底状態と励起状態 蛍光とりん光 ランベルト-ベールの式

基底状態と励起状態 蛍光とりん光 ランベルトベールの式

 

このページでは

 

・光と電気化学 基底状態と励起状態とは?

 

光とエネルギー放出反応 化学発光の蛍光と燐光(りん光)の違いは?発光原理は?

 

・蛍光と燐光(りん光)の見分け方は?

 

・ランベルト-ベールの式

 

について解説しています。

 

 

光と電気化学 基底状態と励起状態とは?

 

光の電気化学はあまり関係がないと思われるかもしれませんが、実際は深い関わりがあります。

 

太陽光発電の仕組みもまさにこの光と電気化学についての関係性を表しているといっても良いでしょう。

 

金属を始めとした物質は不連続なエネルギー準位を持っており、エネルギー準位が低い方から順々に電子で埋められています(金属の電子状態についてはこちらで解説しています)。

 

物質により電子で埋められる準位は様々です。

 

ここで、外部からこの物質に光を始めとしたのエネルギーが与えられるとします。

 

すると、物質は光などのエネルギーを吸収し、電子のエネルギー準位が上昇します。

 

 

 

 

 

元の電子のエネルギーが最も安定な位置にある状態のことを基底状態と呼び、エネルギーを受け取った後のエネルギーが上がっている状態のことを励起状態と呼び、励起状態に移ることを励起、もしくは電子遷移と呼びます。

 

このように、光のエネルギーにより物質の電子状態を変化させることができるために、光と電気化学は密接な関係になるのです。

 

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光とエネルギー放出反応 化学発光の蛍光と燐光(りん光)の違いは?発光原理は?

 

上では、電子が光のエネルギーを吸収し、丁度エネルギ-準位の差分に対応するエネルギーを吸収した時に、基底状態から励起状態で電子が移動(電子遷移)することを解説しました。

 

励起状態ではエネルギーが高いため不安定であり、安定な状態に変化しようとします。安定な状態への変化する現象の一つに元の基底状態に戻ろうとする現象があります。

 

そして、この励起状態から基底状態に戻ろうとする際にエネルギーを放出します。上述のように放出するエネルギーの形としては熱や光などがあり、光としてエネルギーを放出する場合は発光が起こります。化学的な性質による発光のため化学発光とよぶケースもあります。

 

そして、発光(化学発光)する際の光の種類は2種類あり、各々「蛍光」と「燐光(りん光もしくはリン光)」と呼ばれており、蛍光と燐光の違いや発光の原理(メカニズム)について以下で解説していきます。

 

 

蛍光とは?

 

蛍光は電子のスピンの向きが基底状態と同じままに励起状態となっており、そのままの向きで基底状態に戻る際に発光する光のことを指します。

 

このスピンの向きが基底状態と同じであり、励起した状態のことを励起一重項状態と呼びます。蛍光灯とはまさにこの蛍光発光の原理をを利用している灯りとも言えるでしょう。

 

以下に蛍光発光のイメージ図を示します。

 

 

以上が蛍光発光の原理(メカニズム)です。

 

りん光とは?

 

逆に、りん光とは、励起する際にスピンの向きが反転し、スピンの向きが基底状態と異なる状態で励起状態となり、基底状態に戻る際にスピンの反転が起きつつ、発光する光のことを指します。

 

このスピンの向きが基底状態と異なり励起した状態のことを励起三重項状態と呼びます。
りん光は上述のよう基底状態に戻る際、反転するために蛍光よりも長く発光するという性質を持ちます。
 
 

 

以上が燐光(りん光・リン光)発光の仕組み(メカニズム)です。

 

化学発光を利用している応用例としては、血液の跡を判別することができるルミノール反応などが挙げられます。

 

電気化学と密接にかかわる励起状態から戻る際に起こる重要な反応の他の物質との酸化、還元反応(アノード・カソード反応)についてはこちらのページで解説しています。

 

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蛍光と燐光(りん光)の見分け方は?

 

蛍光と燐光(りん光)の違いは先に述べましたが、化学発光の蛍光と燐光(りん光)の見分け方はどのようにすればいいのでしょうか?

 

蛍光と燐光(りん光)の見分け方は、蛍光の方が発光強度が高く、発光時間が短い特徴(励起一重項)があります。

 

一方、燐光(りん光)の方が発光強度が弱く、発光時間が長い特徴(励起三重項状態)があります。

 

蛍光と燐光(りん光)の両方があり、どちらがどちらかを見分ける方法としては、発光時間に着目するといいです

 

より専門的な蛍光と燐光(りん光)の見分け方としては、蛍光では常温下(25℃など)で液体中では表れるのに対し、燐光(りん光)では常温下(25℃など)で液体中では発光しないという特徴により見分ける方法も、実験設備が整っている場合はわかりやすいといえます。

 

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ランベルトベールの式

光の吸収について上述していますが、光の吸収率を測定し算出する式としてランベルト-ベール式という重要な式があり、以下に解説します。

 

ある物質のモル濃度がc mol/Lである溶液を、長さL cm 角柱に入れた場合のある物質の光の吸収について考えていきます。

 

入射光の強度をI0、そして物質により吸収された後の出口の光の強度をIoとすると、以下のような式が成り立ちます。

 

 

 

log10(Io/I) = εcL が成り立ちます。

 

このεcLのことを吸光度と呼び、上の等式自体をランベルト-ベールの式と呼びます。

 

展開しますと、I = I0 10 ^ (-εcL)が成り立ちます。

 

具体的なランベルトベールの演習問題についてはこちらで解説していますので、参考にしてみてください。

 

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