Кіріспе
Нөлдік фонон сызығы және фононның қосымша жолағы бірігіп, мөлдір қатты матрицаға ендірілген жеке жарық сіңіретін және шығаратын молекулалардың (хромофорлардың) сызық пішінін құрайды. Егер қабылдаушы матрицада көптеген хромофорлар болса, олардың әрқайсысы сіңіру және эмиссия спектрлеріне нөлдік фонон сызығы мен фононның қосымша жолағын қосады. Матрицадағы бірдей хромофорлар жиынтығынан туындаған спектрлер біртекті емес кеңейтілген деп есептеледі, себебі әрбір хромофор электрондық ауысуға қажетті энергияны өзгертетін сәл өзгеше матрицалық ортамен қоршалған. Хромофорлардың біртекті емес таралуында жеке нөлдік фонон сызығы мен фононның қосымша жолағының орналасуы ығысады және үсті-үстіне келеді. 1-суретте қатты матрицадағы жеке хромофорлардың электрондық ауысуларының әдеттегі сызық пішіні көрсетілген. Нөлдік фонон сызығы негізгі және қозған күйлер арасындағы энергия деңгейлерінің ішкі айырмашылығымен, сондай-ақ жергілікті ортамен анықталатын ω’ жиілігінде орналасқан. Фононның қосымша жолағы сіңіру кезінде жоғарырақ жиілікке, ал флуоресценция кезінде төменгі жиілікке ығысады. Нөлдік фонон сызығы мен фононның қосымша жолағының ең жоғарғы нүктесі арасындағы Δ жиілік айырмасы Франк-Кондон қағидаларымен анықталады. Нөлдік фонон сызығы мен фононның қосымша жолағы арасындағы интенсивтіліктің таралуы температураға күшті тәуелді. Бөлме температурасында көптеген фононды қоздыруға жеткілікті жылу энергиясы бар, ал нөлдік фонон ауысуының ықтималдығы нөлге жуық. Органикалық матрицалардағы органикалық хромофорлар үшін нөлдік фонон электрондық ауысуының ықтималдығы шамамен 40 кельвиннен төмен ғана мүмкін болады, бірақ бұл хромофор мен қабылдаушы тор арасындағы байланыстың күшіне де байланысты.
Энергиялық диаграмма
Жер және қозған күй арасындағы ауысу Франк-Кондон принципіне негізделген, яғни электрондық ауысу тордағы қозғалыспен салыстырғанда өте жылдам. Энергиялық ауысуларды жер және қозған күй арасындағы тік жебелермен көрсетуге болады, яғни ауысу кезінде конфигурациялық координаттар бойынша қозғалыс болмайды. 2-сурет – фонондармен және фонондарсыз сіңіру мен эмиссияны конфигурациялық координаттар тұрғысынан түсіндіруге арналған энергия диаграммасы. Энергиялық ауысулар электрондық күйлердің ең төменгі фонондық энергия деңгейінен басталады. Суретте көрсетілгендей, ең үлкен толқындық функцияның үстіне жатуы (демек, ең үлкен ауысу ықтималдығы) фотон энергиясы екі электрондық күй арасындағы энергия айырмасына тең болғанда және тор режиміндегі тербеліс энергиясының үш квантына тең болғанда болады. Бұл үш фонондық ауысу эмиссияда да байқалады, себебі қозған күй тез арада радиациясыз процесс арқылы нөлдік тор тербеліс деңгейіне дейін, содан кейін фотон эмиссиясы арқылы негізгі күйге дейін ыдырайды. Нөлдік фонондық ауысу төменгі толқындық функцияның жабысуымен және демек, төменгі ауысу ықтималдығымен сипатталады. Франк-Кондон болжамынан басқа, әдетте қабылданатын және суреттерде жасырын түрде бар үш жуықтау бар. Біріншісі – әрбір тор тербеліс режимі кванттық гармоникалық осциллятормен жақсы сипатталады. Бұл жуықтау 2-суреттегі потенциалдық құдықтардың параболалық пішінінде және фонондық энергия деңгейлері арасындағы тең энергия аралығында көрінеді. Екінші жуықтау бойынша, тек ең төменгі (нөлдік нүкте) тор тербелісі ғана қозады. Бұл төмен температуралық жуықтау деп аталады және электрондық ауысулар жоғары фонон деңгейлерінің ешқайсысынан туындамайды дегенді білдіреді. Үшінші жуықтау – хромофор мен тордың өзара әрекеттесуі негізгі және қозған күйде бірдей. Атап айтқанда, гармоникалық осциллятор потенциалы екі күйде де бірдей. Бұл сызықтық байланыс деп аталатын жуықтау 2-суретте екі бірдей пішінді параболалық потенциалмен және негізгі және қозған күйдегі бірдей фонондық энергия деңгейлерімен көрсетілген. Нөлдік фонондық ауысудың күші барлық тор режимдерінің суперпозициясында пайда болады. Әрбір тор режимінің өзіндік тербеліс жиілігі бар, ол фонондар арасындағы энергия айырмашылығына әкеледі. Барлық режимдер үшін ауысу ықтималдықтары қосылғанда, нөлдік фонондық ауысулар әрқашан электрондық шығу тегінде қосылады, ал фонондармен ауысулар энергияның таралуына үлес қосады. 3-сурет бірнеше тор режимдерінің ауысу ықтималдықтарының суперпозициясын көрсетеді. Барлық тор режимдерінен фонондық ауысу үлестері фонондық жақтау жолағын құрайды. Сіңіру және флуоресценция фонондық жақтау жолақтарының максимумдары арасындағы жиілік аралығы – фононның Стокс қабаттасуына үлесі.
Сызық пішіні
Нөлдік фонон сызығының пішіні, Хайзенбергтің белгісіздік принципіне сәйкес, T10 қоздырылған күйдің өмір сүру мерзімімен анықталатын Лоренц пішіндес. Тордың әсері болмаса, хромофордың табиғи сызық ені (жартылай ең үлкен ені) γ0 = 1/T10 болады. Тор, радиациясыз ыдырау механизмдерін енгізу арқылы, қоздырылған күйдің өмір сүру мерзімін қысқартады. Абсолюттік нөлде, тордың әсерінен қоздырылған күйдің өмір сүру мерзімі T1-ге тең болады. Абсолюттік нөлден жоғары температурада, хромофорлардың жергілікті ортасына кездейсоқ бұзылыстар енгізіледі. Бұл бұзылыстар электрондық өтудің энергиясын өзгертеді, сызық енінің температураға тәуелді кеңеюіне алып келеді. Бір хромофордың нөлдік фонон сызығының өлшенген ені, біртекті сызық ені, γh(T) ≥ 1/T1 тең немесе одан жоғары болады. Фононның бүйірлік жолағының пішіні Пуассон таралымына сәйкес келеді, себебі ол белгілі бір уақыт аралығында фонондармен электрондық өтулер сияқты дискретті оқиғаларды көрсетеді. Жоғары температурада немесе хромофор матрицамен күшті өзара әрекеттескенде, көп фонондық болу ықтималдығы артады және фононның бүйірлік жолағы Гаусс таралымына жуықтайды. Нөлдік фонон сызығы мен фононның бүйірлік жолағы арасындағы интенсивтіліктің таралуын Деби-Уоллер факторы α сипаттайды.
The line shape of the phonon side band is that of a Poisson distribution as it expresses a discrete number of events, electronic transitions with phonons, during a period of time. At higher temperatures, or when the chromophore interacts strongly with the matrix, the probability of multiphonon is high and the phonon side band approximates a Gaussian distribution. The distribution of intensity between the zero phonon line and the phonon sideband is characterized by the Debye Waller factor α.
Моссбауэр эффектісімен ұқсастық
Нөлдік фонон сызығы – қатты матрицаға байланысқан атомдар ядроларынан гамма сәулелерінің кері толқымасыз шығарылуы немесе жұтылуынан туындайтын Мёссбауэр сызықтарына оптикалық аналог. Оптикалық нөлдік фонон сызығының жағдайында хромофордың орны – бұзылуға ұшырауы мүмкін физикалық параметр, ал гамма өтуінде атомдардың импульстары өзгеруі мүмкін. Техникалық тұрғыдан алғанда, аналогияның түйіні – кванттық гармоникалық осциллятордың гамильтониындағы орналасу мен импульс арасындағы симметрия. Орын және импульс екеуі де бірдей (квадраттық) түрде жалпы энергияға үлес қосады.