(Wie) Beeinflusst die Temperatur die Lichtabsorption molekularer Systeme?

Mein Anliegen sind Farbreflexionsspektren, die bei unterschiedlichen Probentemperaturen leicht unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Ich versuche, den Grund dafür herauszufinden und möchte verstehen, welchen Einfluss die Temperatur auf die Absorptionseigenschaften von Stoffen im Allgemeinen hat.

Startpunkt

Wenn ich verschiedene Tinten mit organischen Farbstoffen erhitze (z. B. von 20 auf 50 °C mit einem PTC-Heizelement), kann ich mehrere Effekte in der spektralen Reflexion mit zunehmender Temperatur beobachten. Die meisten Tinten zeigen eine zunehmende Rotverschiebung und eine abnehmende Reflexion, die reversibel ist, wenn die Probe abkühlt.

Temperaturabhängige Änderungen der spektralen Absorption sind ein bekanntes Phänomen farbiger Objekte und können beispielsweise auch bei Transmissionsglasfiltern beobachtet werden.

Die Absorption von Farbstoffen wird hauptsächlich durch verursacht μ μ Elektronenübergänge von konjugierten und delokalisierten C=C-Doppelbindungen mit entsprechender Energie im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums.

Annahme

Bei all meinen geringen Kenntnissen über Physik würde ich annehmen, dass die durch die Erwärmung der Probe induzierte Energie zu einer stärkeren Schwingung der Moleküle führt. Aufgrund dieser Schwingung wird die notwendige Anregungsenergie z μ μ Elektronenübergang verringert, was das Absorptionsspektrum zu längeren und weniger energetisierten Wellenlängen verschiebt – so zumindest meine Vermutung. Ein weiterer Gedanke, der mir in den Sinn kommt, ist, dass die Delokalisierung der Bindungen durch die Schwingungszustände zunimmt (warum auch immer) und sich damit die Absorption verschiebt.

Frage

Ist es physikalisch plausibel, dass eine höhere Probentemperatur die notwendige Energiemenge für Elektronenübergänge verringert? Welche weiteren Einflüsse hat eine Temperaturerhöhung auf die Absorptionseigenschaften von molekularen Systemen/Farbmitteln? Ist eine meiner Annahmen sinnvoll?

Sie könnten daran interessiert sein, über Mössbauer-Spektroskopie en.wikipedia.org/wiki/… zu lesen , da dies dem nahe kommt, was Sie hier vorschlagen. Ich vermute jedoch, dass Tinte, die eine Mischung aus vielen Dingen ist und möglicherweise ungelöste Partikel enthält, sich beim Erhitzen abscheiden kann, und dies ist die Hauptursache für die von Ihnen beobachtete Farbänderung.
@CarlWitthoft Danke, ich habe über Mössbauer-Spektroskopie gelesen, aber ehrlich gesagt verstehe ich die Referenz nicht. Gegen eine Entmischung der Farbbestandteile oder eine signifikante Änderung des Farbzustandes spricht meines Erachtens die Reversibilität der Effekte beim Abkühlen der Probe.

Antworten (1)

Da Sie das sichtbare Lichtspektrum (Photonenenergie 2 - 4 eV) beobachten, stammt die Absorption hauptsächlich vom Übergang des Elektrons zwischen dem besetzten Zustand und dem leeren Zustand. Vibration gibt nur einen der Faktoren, die die Linienbreite bestimmen.

Der Abstand der Energieniveaus wird durch die Wechselwirkungsstärke zwischen den konstituierenden Molekülen bestimmt. Eine größere intermolekulare Wechselwirkung führt zu einer breiteren Aufspaltung des Energieniveaus. Die Stärke der Wechselwirkung ist eine Funktion des intermolekularen Abstands.

Wenn die Temperatur ansteigt, wird der intermolekulare Abstand größer und die Wechselwirkung zwischen Molekülen wird schwächer. Daher schwächt eine höhere Temperatur die intermolekulare Wechselwirkung und verengt den Abstand der Energieniveaus. Dies führt zu einer Rotverschiebung des Spektrums.

Beispielsweise wird die Bandlücke von Halbleitern mit zunehmender Temperatur immer kleiner. Im Fall von GaAs beträgt die Bandlücke 1,44 eV bei Raumtemperatur und fällt von 1,52 eV bei niedriger Temperatur ab.

Vielen Dank! Ich habe bereits über die temperaturabhängige Bandlücke von Halbleitern gelesen, war mir aber nicht sicher, ob dieser Mechanismus auch für Nicht-Halbleiter gilt. Wenn ich Ihre Erklärung richtig verstehe, sind alle Elektronenanregungsprozesse mehr oder weniger temperaturabhängig.
Ja. Weil die thermische Ausdehnung den Abstand zwischen den Bestandteilen vergrößert und die Energieniveaus ändert.
Ich muss dieses Thema nochmal aufwärmen, da mir einiges noch unklar ist. Du schreibst, dass die Vibrationen die Linienbreite beeinflussen - soweit so klar. Aber könnten die unterschiedlichen vibronischen Zustände auch einen direkten Einfluss auf die Elektronenanregung bzw. die Energielücke zwischen besetztem und leerem Zustand? Oder nur indirekt durch Wärmeausdehnung? Meine Frage zielt darauf ab zu wissen, ob die Wärmeausdehnung der einzige / vorherrschende Faktor ist, der die Spektralverschiebung beeinflusst.