SpekSlMol2011

Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан физического факультета
________________ В.М. Анищик
_____13.06. 2011 г.
Регистрационный № УД- 4533 /баз.
СПЕКТРОСКОПИЯ СЛОЖНЫХ МОЛЕКУЛ
Учебная программа для специальности
1-31 04 01 Физика
(1-31 04 01-01 научно-исследовательская деятельность)
2011
2
СОСТАВИТЕЛЬ:
И.М. Гулис – профессор кафедры лазерной физики и спектроскопии Белорусского государственного университета, доктор физико-математических наук, профессор.
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
К.А. Саечников – заведующий кафедрой информатики физического факультета Учреждения образования «Белорусский государственный педагогический университет имени М.
Танка», кандидат физико-математических наук, доцент.
В. В. Могильный – профессор кафедры физической оптики, доктор физико-математических
наук, профессор
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ:
Кафедрой биофизики физического факультета Белорусского государственного университета (протокол № 13 от 30 мая 2011 г.);
Ученым советом физического факультета Белорусского государственного университета
(протокол №10 от 13 июня 2011 г.);
Ответственный за редакцию: И.М. Гулис
Ответственный за выпуск: И.М.Гулис
3
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Программа дисциплины «Спектроскопия сложных молекул» разработана для специальности 1-31 04 01 Физика (по направлениям) специализации «Биофизика».
Целью курса является обучение студентов основным закономерностям в электронных
спектрах поглощения и испускания сложных молекул, экспериментальным проявлениям и
принципам практического использования явлений спектроскопии электронных переходов и,
в частности, люминесценции, в различных областях научной и прикладной деятельности. То
обстоятельство, что акцент в курсе делается на спектроскопии электронных переходов, обусловлено, с одной стороны, чрезвычайно широким применением в биофизических исследованиях методов, базирующихся именно на переходах между электронными состояниями
молекул. С другой стороны, переходы в системе электронно-колебательных состояний лежат
в основе огромного множества фотофизических и фотохимических процессов, имеющих
биологическую значимость. Следует также принять во внимание, что спектроскопия вращательных и колебательных переходов излагается студентам в параллельно читаемом курсе
«Спектры и строение молекул».
Преобразование энергии электронного возбуждения в атомных и молекулярных системах, сопровождающееся спонтанными излучательными переходами, представляет значительный интерес как с фундаментальной точки зрения, так и в связи с широким использованием явлений люминесценции в научных исследованиях, в медицине, в технике и технологиях. Изучение комплекса процессов, сопровождающих поглощение и испускание в области
электронных переходов сложных молекул, необходимо для понимания механизмов таких
важных природных процессов, как фотосинтез, зрение, для понимания механизмов широкого круга фотофизизических процессов, протекающих в искусственных системах. Особо значимым является то, что характеристики люминесценции природных и искусственных систем
являются самым важным источником информации о процессах, протекающих в этих системах, позволяют получить информацию о динамике преобразования энергии, взаимодействиях, константах скоростей реакций и т.п.
Основные разделы курса дают студентам информацию о формировании спектров поглощения и испускания сложных молекул. Рассматриваются различные типы безызлучательных переходов, процессы тушения люминесценции, квантовые выходы и кинетика люминесценции. Анализируются поляризационные характеристики люминесценции. Значительное внимание уделяется изучению переноса энергии электронного возбуждения, а также
механизмам влияния межмолекулярных взаимодействий на спектрально-люминесцентные
характеристики. Рассматриваются современные методы, позволяющие получать высокоинформативные тонкоструктурные электронно-колебательные спектры сложных молекул. В
ходе изложения постоянно акцентируется внимание студентов на областях практического
применения спектроскопии в области электронных переходов, на информационных аспектах
получаемых в эксперименте характеристик люминесценции.
Материал курса основан на знаниях и представлениях, заложенных в общих курсах по
оптике, атомной физике, квантовой механике. Изложение материала курса строится исходя
из того, что студенты параллельно слушают курс «Спектры и строение молекул».
Программа дисциплины составлена в соответствии с требованиями образовательного
стандарта. Общее количество часов – 46; аудиторное количество часов – 46, из них: лекции
– 36, КСР – 10. Форма отчётности – экзамен.
4
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
№
п/п
Название темы
Лекции
Семинарские
занятия
Контролируемая
самостоятельная
работа
Всего
1
1.
2
Спектры поглощения и люминесценции
Кинетические и энергетические характеристики люминесценции
Поляризация люминесценции
Перенос энергии электронного возбуждения
Спектроскопические проявления межмолекулярных взаимодействий
Электронно-колебательная
спектроскопия сложных молекул.
Итого
3
6
4
5
1
6
7
6
1
9
4
4
1
3
5
7
6
1
5
10
3
13
36
10
46
2.
3.
4.
5.
6.
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ И ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ. Формирование спектров поглощения и люминесценции сложных молекул. Закономерности в спектрах люминесценции.
КИНЕТИЧЕСКИЕ
И
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ. Законы затухания и выходы люминесценции. Процессы с участием
триплетных состояний. Тушение люминесценции. Методы изучения кинетических характеристик возбужденных состояний молекул.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ. Предельная поляризация люминесценции.
Вращательная деполяризация люминесценции.
ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ. Механизмы переноса
энергии электронного возбуждения. Экспериментальные проявления переноса энергии.
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ
ПРОЯВЛЕНИЯ
МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ. Типы межмолекулярных взаимодействий и сольватохромные сдвиги. Люминесценция систем с неоднородно уширенными спектрами.
ЭЛЕКТРОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ СЛОЖНЫХ МОЛЕКУЛ.
Тонкоструктурная электронно-колебательная спектроскопия сложных молеку в конденсированной среде. Спектроскопия молекул, охлажденных методом адиабатического расширения
в сверхзвуковой струе. Спектроскопия одиночных молекул.
5
ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Контрольные работы по темам:
1. Закономерности в спектрах люминесценции
2. Поляризация люминесценции.
3. Перенос энергии электронного возбуждения
4. Спектроскопические проявления межмолекулярных взаимодействий.
5. Законы затухания и выходы люминесценции.
6. Электронно-колебательная спектроскопия сложных молекул.
Темы реферативных работ
1. Флуоресцентная спектроскопия с временным разрешением. Современные аппаратурные
решения.
2. Повышение чувствительности спектроскопических методов путем использования многопроходовых и волноводных кювет.
3. Флуоресцентные методы в медицине.
4. Спектроскопия одиночных молекул. Новые методы.
5. Многофотонная лазерная спектроскопия.
6. Спектроскопические применения пико- и фемтосекундных лазеров.
7. Принципы лазерной фотохимии (лазерохимии).
8. Применение переноса энергии электронного возбуждения в биофизических иссследованиях.
9. Люминесцентная спектроскопия белков (собственная люминесценция).
10. Первичные фотофизические процессы в механизмах фотосинтеза.
11. Возбужденные состояния порфиринов и синглетный кислород.
12. Люминесцентные метки и зонды в исследовании биополимеров.
13. Люминесцентные метки и зонды в исследовании мембран.
Рекомендуемая литература
Основная
1. И.М.Гулис, А.И. Комяк Люминесценция . Мн., БГУ, 2009.
2. Л.В.Левшин, А.М.Салецкий. Люминесценция и ее измерение. М., МГУ, 1989
3. С.Паркер. Фотолюминесценция растворов. М., Мир, 1972
4. В.А.Гайсенок, А.М.Саржевский. Анизотропия поглощения и люминесценции многоатомных молекул. Минск, БГУ, 1986
5. И.М.Гулис. Лазерная спектроскопия. Курс лекций. Минск, БГУ, 2002
Дополнительная
1. П.П.Феофилов. Поляризованная люминесценция атомов, молекул и кристаллов. М., 1959
2. Г.В.Майер, В.И.Данилова. Квантовая химия, строение и фотоника молекул. Томск, ТГУ,
1984
3. В.Л.Ермолаев, Е.Н.Бодунов, Е.Б.Свешникова, Т.А.Шахвердов. Безызлучательный перенос
энергии электронного возбуждения. М., Наука, 1977
4. Б.И.Степанов, В.П.Грибковский. Введение в теорию люминесценции. Минск, 1963
5. Н.Г. Бахшиев. Спектроскопия межмолекулярных взаимодействий. Л., ЛГУ, 1972
6. Соловьев К.Н., Гладков Л.Л., Старухин А.С. Шкирман С.Ф. Спектроскопия порфиринов:
колебательные состояния. Минск, Наука и техника , 1985
7. Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии. М.:Мир, 1986.