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<table style='border:none'> <tr> <td style="vertical-align:text-top;"> <font size="4">認識生活中的螢光和磷光,前者為效率高的放光,後者為效率低的放光。藉由了解螢光棒將化學能轉變成光能,讓同學了解能量的不同型式的轉換。</font> </td> <td rowspan="2"> <videoflash>nBfijNvzjlA</videoflash> <div style="border-style: double;"> 實驗材料: #魯米諾(luminol) #氫氧化鈉(NaOH) #漂白水 #消毒用雙氧水 #赤血鹽K3[Fe(CN)6] #噴霧瓶 #螢光貼紙 #磷光貼紙 #驗鈔筆 #螢光棒 #通寧汽水 </div> </td> </tr> <tr> <td> </td> </tr> </table> <hr> == 說明== <table style='border:none'> <tr> <td style="vertical-align:text-top;"> *在日常生活中我們經常看到螢光和磷光,我們可以用簡單的方法區別這兩種光,如圖所示,在黑暗的地方用紫外光(驗鈔筆即可)照射後我們會看到螢光和磷光物質都會放光,將光線移開後,螢光物質立刻停止放光,磷光物質則會持續放光。 *螢光棒的放光分子,是從相同自旋多重度的激發態釋放光回到基態,和前述的螢光釋放相同。不過螢光棒的放光分子是吸收化學反應的能量至激發態,這種機制稱為「化學放光」。 </td> <td rowspan="2"> <img style="float: right;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f9/%E8%9E%A2%E5%85%891.png'/> 圖一: 以紫外光照射螢光和磷光物質 </td> </tr> <tr> <td> </td> </tr> </table> == 教學目標== *認識生活中的螢光和磷光,前者為效率高的放光,後者為效率低的放光。藉由了解螢光棒將化學能轉變成光能,讓同學了解能量的不同型式的轉換。 == 實驗步驟== <table style='border:none'> <tr> <td style="vertical-align:text-top;"> *3.1 觀察「磷光」與「螢光」 **3.1.1 將通寧汽水、夜光貼紙、螢光便條貼紙、螢光棒和紙鈔放在桌上,拉上窗簾並關掉燈光觀察,注意只有夜光貼紙在黑暗中會繼續放出磷光。 **3.1.2 用紫外光手電筒照射這些物品,將光源移開觀察之。放光的時間有沒有差 別? **3.1.3 用紫外光照射使用過的和未使用過的螢光棒,注意二者皆放出螢光。 ***說明: 光源移開後持續放光的是磷光,立即消失的放光是螢光。通寧汽水含有「奎寧」,奎寧會釋放螢光。使用過的螢光棒也會在紫外光照射下釋放螢光,因為螢光棒的螢光分子吸收外在化學反應的反應熱激發至激發態,再從激發態放光至基態,螢光分子沒有改變,因此在紫外光照射下也會釋放螢光。 </td> </tr> <tr> <td style="vertical-align:text-top;"> *3.2 製造「螢光」 **3.2.1 配製溶液A: 將0.1 g 的魯米諾加1 g 的氫氧化鈉溶解於200 mL的蒸餾水中。 **3.2.2 配製溶液B:取1 mL的漂白水,溶於100 mL的蒸餾水中。 **3.2.3 關掉燈光,取100 mL溶液A,緩緩地倒入溶液B中,觀察發光情形。 **3.2.4 分別將未反應的溶液A和前一步驟完全反應後的混合溶液,用紫外光照射,觀察兩者是否釋放光。 ***說明: 魯米諾分子必須先在鹼性溶液中氧化成不穩定分子的激發態,放光後的分子隨即分解故不具螢光性。 **3.2.5 取上面100 mL的溶液A,與100 mL的消毒用雙氧水(3% H2O2)混合於噴霧瓶中。 **3.2.6 關掉燈光,將溶液噴在赤血鹽溶液上(或將少許赤血鹽置於潮濕的衛生紙上),觀察發光情形。 ***說明:血液中的鐵離子會催化魯米諾放光,我們用赤血鹽(K₃[Fe(CN)₆])代替真正的血液。我們可以利用這種螢光來偵測犯罪現場的殘留血液。 </td> </tr> </table> == 分析與評量== *4.1 在這個實驗中,你學到了甚麼? 試指出生活中二至三種螢光和磷光物質。你如何辨別它們? *4.2 驗鈔筆可以用來辨別鈔票真偽,鈔票上的螢光是單一顏色嗎? 兩張百元鈔上面的螢光圖案是相同的嗎? *4.3 查詢後在紙上繪出二至三個染料分子的結構,它們有甚麼相似處? *4.4 螢火蟲和「馬祖藍眼淚」也會放光,這些光比較像是螢光或磷光呢? 為什麼螢火蟲的光一閃一閃的呢? *4.5 為什麼螢光棒的螢光可以持續,而魯米諾的螢光卻瞬間消失呢? == 參考文獻== *[http://chemed.chemistry.org.tw/?p=27433 “化學教室活動:從馬祖藍眼淚學習螢光和磷光”:<<台灣化學教育>>2018年,第25期] *[https://en.wikipedia.org/wiki/Luminol 魯米諾] *[https://en.wikipedia.org/wiki/Glow_stick 螢光棒] ==進階知識== *6.1 分子自發放光 **當分子吸收光的能量而從分子基態(ground state)轉至激發態(excited state)時,激發態會以自發放光(spontaneous emission)的方式釋放能量,激發態和基態的自旋多重度(spin multiplicity)相同的放光稱為螢光,激發態和基態的自旋多重度不相同的放光則稱為磷光。 **自發放光的效率,正比於「躍遷偶極矩」(transition dipole moment) 的平方及躍遷頻率的三次方: <img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/21/%E8%9E%A2%E5%85%892.png'/> <img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c7/%E8%9E%A2%E5%85%893.png'/> <img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/00/%E8%9E%A2%E5%85%894.png'/>為電偶極矩算符,其在各方向的分量為 <img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/%E8%9E%A2%E5%85%895.png'/> ''qi''為分子各原子的電荷,''xi''為各原子相對於分子的質量中心的''x''分量。自發放光的效率為零者,稱為「禁止躍遷」(forbidden transition)。自發放光的效率不為零者,則稱為「允許躍遷」(allowed transition)。螢光的放光效率通常都很高,螢光物質吸收光之後迅速放光。磷光僅能藉著「自旋-軌域偶合」(spin-orbit coupling)機制以極低的效率放光,因此磷光物質吸收光之後會放光一段頗長的時間。 ---- <table style='border:none'> <tr> <td style="vertical-align:text-top;"> *6.2 魯米諾分子放光原理 **魯米諾(luminol)在鹼性環境中氧化,釋出氮氣,轉變成過氧化物的激發態。此激發態放出螢光成為基態後分解。 </td> <td> <img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/41/%E8%9E%A2%E5%85%896.png'/> </td> </tr> </table> <table style='border:none'> <tr> <td style="vertical-align:text-top;"> *6.3 螢光棒放光原理 **螢光棒中含有草酸苯酯和染料(dye)的混合液,以及一支裝著雙氧水的玻璃管。折斷玻璃管後,雙氧水和草酸苯酯反應產生下圖中的過氧化物,這個不穩定的分子分解成兩個二氧化碳,並將多餘的能量傳給染料,染料成為激發態(dye*)並放出螢光。 </td> <td> <img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/75/%E8%9E%A2%E5%85%897.png'/> *兩種常見的染料分子結構如下: <img src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/%E8%9E%A2%E5%85%898.png'/> </td> </tr> </table>
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