Електронна будова та фотоніка молекул - polpoz.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Електронна будова та фотоніка молекул - страница №1/1



Київський національний університет
імені. Тараса Шевченка

Інститут високих технологій
Кафедра супрамолекулярної хімії та біохімії
Укладач: Професор Іщенко О.О.

ЕЛЕКТРОННА БУДОВА ТА ФОТОНІКА МОЛЕКУЛ




РОБОЧА НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА ДИСЦИПЛІНИ


освітньо-професійної програми спеціальності

„ Високі технології”

Затверджено

на засіданні кафедри



Протокол № від « » 2013 р.


Зав. кафедрою

Комаров І.В.

Директор Інституту

Третяк О.В. .

КИЇВ - 2013

Робоча навчальна програма з дисципліни „Електронна будова та фотоніка молекул”


Укладач: докт. хім. наук, професор Іщенко О.О.

Лектор: докт. хім. наук, професор Іщенко О.О.
Викладач: докт. хім. наук, професор Іщенко О.О.


Погоджено

з науково-методичною комісією

« » 201 р.

.
Методичні рекомендації по вивченню дисципліни
Дисципліна „Електронна будова та фотоніка молекул” є дисципліною для спеціалізації "високі технології", яка викладається в 2 семестрі магістратури в обсязі 3 кредитів (за Європейською Кредитно-Трансферною Системою ECTS), в тому числі 51 годин аудиторних занять. З них 34 години лекцій, 17 годин – практичні заняття та 57 годин самостійної роботи. Підсумковий контроль – іспит.

Метою вивчення дисципліни "Електронна будова та фотоніка молекул" є ознайомлення студентів з основними процесами поглинання, перетворення і випромінювання світлової енергії в органічних та біологічних молекулах, виявлення зв‘язку цих процесів з електронною будовою молекул, опанування ними стратегії і тактики цілеспрямованного пошуку нових сполук з наперед заданими властивостями для світлочутливих материалів .новітніх технологій оптоелектроніки, лазерної техніки, голографії, фотовольтаіки, біології та медицини.

Предметом навчальної дисціпліни „Електронна будова та фотоніка молекул” є різні класи органічних молекул, електронні спектри поглинання та люмінесценції, фотохімічні реакції, безвипромінювальні процеси, квантово-хімічні розрахунки електронної структури молеул та йонів.

На реальних прикладах буде продемонстрована ідеологія створення новітніх функціональних материалів на основі органічних сполук для різних сфер застосування, пов‘язаних з перетворенням світлової енергії.



Вимоги до знань та вмінь.

Знати: фотофізичні і фотохімічні процеси в органічних молекулах, необхідні для цілеспрямованого синтезу нових сполук для активних і пасивних лазерних середовищ, голографії, електролюмінесценції, нелінійної оптики, фотовольтаіки та фотодинамічної терапії.

Вміти: проводити квантово-хімічні розрахунки молекул сучасними методами і аналізувати їх результати; встановлювати зв‘язок між теоретичними розрахунками електронної будови і експериментальними лінійними і нелінійними спектрами поглинання і випромінювання молекул; прогнозувати потенційно фотоактивні молекули.

Місце в структурно-логічній схемі спеціальності. Навчальна дисципліна „Електронна будова та фотоніка молекул” є складовою циклу професійної підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня „магістр”, і є дисциліною по вибору для студентів 2-го семестру навчання.
Контроль знань
Контроль здійснюється за модульно-рейтинговою системою. Підсумкова оцінка розраховується за накопичувальною системою. При цьому максимальна кількість балів встановлюється наступним чином:


6 семестр

Змістовний модуль 1

Змістовний модуль 2

Іспит

Підсумкова оцінка за повний курс

Максимальна кількість балів

30

30

40

100

На семестр заплановано 4 самостійних завдання.


За 1 контрольну роботу в першому модулі студент може отримати - максимум 14 балів.

За кожне самостійне завдання в першому модулі – максимум 3 бали, всього за 2 самостійних завдання – 6 балів.

За 1 лабораторну роботу в першому модулі - максимум 2 бали.

За 1 практичну роботу в першому модулі - максимум 4 бали, всього за 2 практичні роботи – 8 балів.

За перший змістовний модуль – максимум 30 балів.
За 1 контрольну роботу в другому модулі студент може отримати - максимум 14 балів.

За кожне самостійне завдання в другому модулі – максимум 4 бали, всього за 2 самостійних завдання – 8 балів.

За 1 практичну роботу в першому модулі - максимум 4 бали, всього за 2 практичні роботи – 8 балів.

За другий змістовний модуль – максимум 30 балів.


Терміни проведення модульних контролів у 2 семестрі :
1 модульний контроль – до 01 квітня 2011 року;

2 модульний контроль – до 15 травня 2011 року;

При цьому, кількість балів відповідає оцінці:

1-34 – «незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням дисципліни;

35-59 – «незадовільно» з можливістю повторного складання;

60-64 – «задовільно» («достатньо») ;

65-74 – «задовільно»;

75 - 84 – «добре»;

85 - 89 – «добре» («дуже добре»);

90 - 100 – «відмінно».

Шкала відповідності


За 100-бальною шкалою

Оцінка за національною шкалою

90 – 100

5

відмінно

85 – 89

4

добре

75 – 84

65 – 74

3

задовільно

60 – 64

35 – 59

2

незадовільно

1 – 34



Якщо за результатами модульно-рейтингового контролю студент отримав сумарну оцінку за два змістовні модуля, яка менше ніж 40 балів, то студент не допускається до заліку і вважається таким, що не виконав усі види робіт, які передбачаються навчальним планом на семестр з дисципліни „Електронна будова та фотоніка молекул”.


Тематичний план лекцій, семінарів та лабораторних занять
2 семестр



Номер

лекції


Назва лекції

Кількість годин

лекції

лабораторні

Семінарські заняття

Контро-льно модульна робота

Інші форми контролю


Змістовний модуль 1: Фотофізичні і фотохімічні процеси фотоніки молекул


1

Вступ. Визначення поняття фотоніки і кола проблем, які вона вивчає.

2













2

Фотоніка в природі і в живих організмах. Фізика і хімія зору. Фізична теорія кольоровості.

2




2







3

Фотосенсибілізація. Кольоровий фотографічний процес. Фізико-хімія сучасних реєструючих середовищ.

2













4

Основи фотохімії.

2




2







5

Типи електронних переходів в органічних молекулах. Квантово-хімічний аналіз електронної будови молекул в основному і збудженому станах.

2













6

Діаграма Яблонського. Синглетний і триплетний стани. Принцип Франка - Кондона. Дзеркальна симетрія спектрів поглинання та люмінесценції. Стоксів зсув.

2




2







7

Час життя збудженого стану молекул. Коливальна релаксація. Внутрішня та інтеркомбінаційна конверсія. Квантовий вихід люмінесценції.

2













8

Флуоресценція, фосфоресценція, хемілюмінесценція. Сповільнена люмінесценція.

2













9

Фотоперенос енергі та електрону. Динамічне та статичне гасіння люмінесценції. Механізми трансформування енергії в органічних і біосистемах.

2




2










Модульна контрольна робота №1




















Змістовний модуль 2: Електронна будова і фотоактивність молекул



10

Фотоніка основних класів органічних сполук. Частина 1. Алкани та їх похідні. Алкени. Карбонільні сполуки та їх похідні. Азометини. Нітро - та нітрозосполуки.

2













11

Фотоніка основних класів органічних сполук. Частина 2. Полієни і поліалкіни. Лінійні та ангулярні конденсовані ароматичні сполуки. Гетероциклічні сполуки.

2




2







12

Фотоніка основних класів органічних сполук. Частина 3. Органічні барвники. Залежність між кольром і будовою барвників. Особливості спектрально-люмінесцентних властивостей барвників в рідинних і твердих середовищах.

2




2







13

Вплив природи середовища на фотоніку молекул. Електростатичні та електродинамічні міжмолекулярні взаємодії. Позитивна, негативна та обернена сольватохромія і сольватофлуорохромія.

2




2







14

Ассоціація молекул. Н- та J- агрегати. Фотодимери, ексимери та ексиплекси. Комплекси з переносом заряду.

2













15

Критерії пошуку органічних сполук для активних лазерних середовищ, модуляції лазерного випромінювання та флуоресцентних зондів для біології та медицини.

2













16

Сенсибілізація і десенсибілізація синглетного кисню. Фотодинамічна тератія. Шляхи підвищення фотостабільності функціональних материалів на основі органічних сполук.

2













17

Органічні фотонапівпровідники. Вплив хімічної будови молекул на тип фотопровідності. Цілеспрямований дизайн фотоактивних органічних молекул для фотовольтаіки, електролюмінесценції та голографії.

2




1










Модульна контрольна робота №2



















ВСЬОГО

34




17








Докладний план лекцій та самостійних завдань
2 семестр
Змістовний модуль 1: Фотофізичні і фотохімічні процеси фотоніки молекул
ЛЕКЦІЯ 1. (2 години)

Вступ. Визначення поняття фотоніки і кола проблем, які вона вивчає. Наукові і прикладні аспекти фотоніки. Фотофізичні і фотохімічні процеси в органічних і біологічних молекулах.


ЛЕКЦІЯ 2. (2 години)

Фотоніка в природі і в живих організмах. Фізика і хімія зору. Фізична теорія кольоровості. Основні та додаткові кольори. Адитивний та субтрактивний методи одержання кольору.


Практичні заняття. (2 години)

Фотофізичні і фотохімічні процеси в органічних і біологічних молекулах.


ЛЕКЦІЯ 3. (2 години)

Фотосенсибілізація. Чорно-білий і кольровий фотографічний процес. Фізико-хімія реєструючих середовищ сучасних оптичних лазерних дисків.


ЛЕКЦІЯ 4. (2 години)

Поняття і закони фотохімії. Енергетичні та хвильові характеристики положення смуг електронних спектрів. Взаємозв`язок між ними. Пікова та інтегральна інтенсивність смуг. Одиниці вимірювання. Закон Ламберта - Бугера - Бера.


Практичні заняття. (2 години)

Розв’язуваннязадач на аналіз спектрів, закон Ламберта - Бугера - Бера


ЛЕКЦІЯ 5. (2 години)

Типи електронних переходів в органічних молекулах. Дозволені і заборонені переходи. Інверсна населеність. Вимушене випромінювання. Лазери. Двофотонні процеси. Квантово-хімічний аналіз електронної будови молекул в основному і збудженому станах. Поляризаційні спектри.


Самостійне завдання №1. Органічні молекули з високою єфективністю двофотонного поглинання. Чинники, що зумовлюють це явище. Сучасні напрямки застосування двофотонних процесів.
ЛЕКЦІЯ 6. (2 години)

Діаграма Яблонського. Синглетний і триплетний стани. Принцип Франка - Кондона. Інтенсивність вібронних переходів. Гарячі переходи. Форма смуг поглинання та випромінювання. Дзеркальна симетрія спектрів поглинання та люмінесценції. Частота 0 - 0 переходу. Незалежність смуг люмінесценції від довжини хвилі збудження. Стоксів зсув.


Практичні заняття. (2 години)

Математична обробка електронних спектрів. Аналіз спектрів в координатах дзеркальної симетрії спектрів поглинання і випромінювання.


ЛЕКЦІЯ 7. (2 години)

Час життя збудженого стану молекул. Прямі і непрямі методи визначення часу життя. Чотирьохрівнева схема електронних станів. Дезактивація збудженого стану. Випромінювальні та безвипромінювальні процеси. Коливальна релаксація. Внутрішня та інтеркомбінаційна конверсія. Квантовий вихід люмінесценції.


ЛЕКЦІЯ 8. (2 години)

Типи люмінесценції. Флуоресценція, фосфоресценція, хемілюмінесценція та біохемілюмінесценція. Сповільнена люмінесценція.


Самостійне завдання №3. Органічні люмінофори. Будова, класифікація, властивості, застосування.
ЛЕКЦІЯ 9. (2 години)

Перенос енергії. Динамічне та статичне гасіння люмінесценції. Кінетика люмінесценції, Рівняння Штерна - Фольмера. Фотоперенос електрону. Прикладні аспекти переносу електрону та енергії.



Практичні заняття.(2 години)

Розрахунок і аналіз електронної будови молекул квантово-хімічними методами.


Модульний контроль №1

Контрольні запитання.

  1. Що таке фотоніка?

  2. Навести приклади фотоніки в природі і живих організмах.

  3. Що таке фотофізичні і фотохімічні прцеси?

  4. В чому полягає механізм зору?

  5. Дайте пояснення адитивному та субтрактивному методам одержання кольору.

  6. Навіщо потрібна сенсибілізація в фотографічному процесі?

  7. Сформулюйте закони фотохімії.

  8. Які Ви знаєте енергетичні та хвильові характеристики смуг електронних спектрів і як вони зв`язані між собою?

  9. Що таке сила осцилятора і як вона зв‘язана з моментом переходу?

  10. Наведіть приклади дозволених і заборонених електронних переходів та поясніть і визначте чинникі. які їх зумовлюють?

  11. Сформулюйте і обгрунтуйте правило Стокса.

  12. В яких випадках порушується закон дзеркальної симетрії спектрів поглинання і люмінесценції?

  13. Які існують типи люмінесценції? Який механізм випромінювання лежить в їх основі?

  14. Назвіть і охарактеризуйте фотофізні і фотохімічні шляхи дезактивації збудженого стану молекул.

  15. Чим відрізняються індуктивно-резонансний і обмінний механізми переносу енергії?


Самостійна робота студентів.

Постійними завданнями для самостійної роботи є:



  • робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою;

  • виконання домашніх завдань;

  • опрацювання частини лекційного матеріалу, винесеного на самостійне вивчення, а саме:

1. Двофотонні процеси.

2. Органічні люмінофори.


Примірні теми індивідуальних навчальних проектів:

  1. .Нелінійно-оптичні ефекти в органічних молекулах

  2. Біохемілюмінесценція в природі і живих організмах.



Змістовний модуль 2: Електронна будова і фотоактивність молекул
ЛЕКЦІЯ 10. (2 години)

Фотоніка основних класів органічних сполук. Частина 1. Алкани та їх похідні. Галоїдзаміщені сполуки, спирти, меркаптани, аміни, етери, Алкени. Карбонільні та карбоксильні сполуки. Тіакарбонільні сполуки. азометини. Нітро - та нітрозосполуки.


ЛЕКЦІЯ 11. (2 години)

Фотоніка основних класів органічних сполук. Частина 2. Спряжені полієнові системи. Алкіни. Поліалкіни. Ароматичні сполуки. Бензол та його похідні. Лінійні та ангулярні конденсовані ароматичні сполуки. Гетероциклічні сполуки. Пяти та шестичленні ненасичені гетероцикли.


Практичні заняття. (2 години)

Розбір задач на тему: "Електронна будова і фотоактивність молекул". Частина1.


ЛЕКЦІЯ 12. (2 години)

Фотоніка основних класів органічних сполук. Частина 3. Органічні барвники. Класифікація. Поняття про хромофори та ауксохроми. Залежність між кольром і будовою барвників. Особливості спектрально-люмінесцентних властивостей барвників в рідинних і твердих середовищах, в тому числі полімерних матрицях.


Практичні заняття. (2 години)

Розбір задач на тему: "Електронна будова і фотоактивність молекул". Частина 2.


Самостійне завдання №1. Органічні барвники, що інтенсивно поглинають світло в ближньому ІЧ діапазоні спектра. Актуальність створення таких барвників. Аналіз проблеми підвищення їх фотостійкості, селективності поглинання і флуоресцентної здатності. Шляхи оптимізації структури таких барвників.
ЛЕКЦІЯ 13. (2 години)

Вплив природи середовища на фотоніку молекул. Електростатичні та електродинамічні міжмолекулярні взаємодії. Характеристика параметрів розчинників, що описують ці взаємодії. Позитивна, негативна та обернена сольватохромія і сольватофлуорохромія. Перебудова сольватної оболонки молекули при електронному збудженні. Вплив в‘язкості і температури середовища на сольватаційні ефекти. Поліпараметричні рівняння, що зв‘язують сольватохромні ефекти з властивостями розчинника.


Практичні заняття. (2 години)

Розбір задач на тему: "Вплив природи середовища на фотоактивність молекул".


ЛЕКЦІЯ 14. (2 години)

Ассоціація молекул. Н- та J- агрегати. Фотодимери, ексимери та ексиплекси. Комплекси з переносом заряду.


Самостійне завдання №2: Явище термохромії і термофлуорохромії. Органічні термохроми. Електронна будова. Позитивна і негативна термохромія. Вплив природи середовища на термохромні ефекти.
ЛЕКЦІЯ 15. (2 години)

Критерії пошуку органічних сполук для активних лазерних середовищ, модуляції лазерного випромінювання та флуоресцентних зондів для біології та медицини.


ЛЕКЦІЯ 16. (2 години)

Поняття про синглетний кисень. Сенсибілізація і десенсибілізація синглетного кисню. Фотодинамічна тератія. Фотостабільність молекул. Шляхи підвищення фотостабільності функціональних материалів на основі органічних сполук.


ЛЕКЦІЯ 17. (2 години)

Органічні фотонапівпровідники. Фотогенерація носіїв заряду n- та р-типу. Електронна та діркова провідність. Вплив хімічної будови молекул на тип провідності. Цілеспрямований дизайн фотоактивних органічних молекул для фотовольтаіки, електролюмінесценції та голографії.


Практичні заняття. (1 година)

Квантово-хімічне моделювання перетворювачів світлової енергії на основі органічних молекул.


Модульний контроль №2

Контрольні запитання.

  1. Охарактеризуйте можливі типи електронних переходів і фотохімічних реакцій у алканах і їх похідних.

  2. Визначить відмінність в типах електронних переходів і фотохімічних реакцій у полієнів і поліінів.

  3. Порівняйте фотоніку ароматичних сполук з спряженими неароматичними вуглеводнями.

  4. Наведіть приклади катіонних, аніонних і внутрішньойонних барвників.

  5. Що таке хромофор і ауксохром?

  6. Виявіть особливості фотоніки органічних барвників в полімерних матрицях порівняно з їх розчинами в рідинах.

  7. Де застосовуються органічні барвники як перетворювачі світлової енергії?

  8. Що таке сольватохромія? Які типи її Ви знаєте?

  9. Чому переважна більшість органічних сполук є позитивно сольватохромними?

  10. З чим пов‘язана різна чутливість основного і збудженого станів молекул до природи розчинника?

  11. Що таке специфічна і неспецифізна сольватація? Якими типами міжмолекулярних взаємодій вони визначаються?

  12. Чому для описання спектрально-люмінесцентних властивостей молекул застосовується чотирьохрівнева, а не двохрівнева схема електронних станів?

  13. Як залежить перебудова сольватної оболонки молекули в збудженому стані від температури, в‘язкості і полярності середовища?

  14. Що зумовлює ассоціацію молекул? Які типи асоціатів існують?

  15. В чому полягає особливість фотоніки ексимерів і ексиплексів в порівнянні зі звичайними димерами?

  16. Визначить основні фотофізичні і фотохімічні параметри органічних сполук перспективних для активних і пасивних лазерних середовищ.

  17. Що таке синглетний кисень? Охарактеризуйте його фотофізичні і фотохімічні властивості.

  18. Запропонуйте потенційно активні сполуки для фотодинамічної терапії.

  19. Якими структурними фрагментами повинна володіти молекула, щоб мати фотопровідність?

  20. Запропонуйте структури, які на Вашу думку повинні мати n- і р-тип провідності.

  21. Проведіть теоретичний дизайн потенційних органічних молекул для фотовольтаічних і електролюмінесцентних середовищ.


Самостійна робота студентів.

Постійними завданнями для самостійної роботи є:



  • робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою;

  • виконання домашніх завдань;

  • опрацювання частини лекційного матеріалу, винесеного на самостійне вивчення, а саме:

1. Органічні барвники для практично важливого ближнього ІЧ діапазону спектра.

2. Термохромія і термофлуорохромія.


Примірні теми індивідуальних навчальних проектів (кінцевий варіант списку готується протягом перших 2-3 лекцій)

  1. Ковалентно зв‘язані барвники і полімери.

  2. Золь-гельні технології створення забарвлених наноструктур.


Підсумковий контроль – іспит.


Перелік рекомендованої літератури
Основна:
[1] А.Н. Теренин Фотоника молекул красителей и родственных соединений.

Ленинград: Наука, 1967.

[2] Дж. Марч. Органическая химия. Реакции, механизмы и структура. Углубленный

курс для университетов и химических вузов. В 4-х т. , М., 1987.

[3] А.А.Ищенко. Строение и спектрально-люминесцентные свойства полиметиновых

красителей. Киев: Наукова думка,1994.

[4] Christian Reichardt. Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry (Third, Updated

and Enlarged Edition) WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2003. .

[5] Н.А.Давиденко, А.А.Ищенко, Н.Г.Кувшинский. Фотоника молекулярных

полупроводниковых композитов на основе органических красителей. Киев:

Наукова думка, 2005.

[6] Joseph R. Lakowiczю Principles of Fluorescence Spectroscopyю. New York: Springer

Science+Business Media, 2006.

[7] S.-H.Kim (Ed.). Functional Dyes. Elsevier, Amsterdam, 2006.

[8] А.А.Ищенко, Г.П.Грабчук. Физико-химические проблемы создания

фотостабильных преобразователей световой энергии на основе окрашенных

полимеров(Обзор). - Теорет. и эксперим. химия. 2009. Т.45. №3. С.133 - 155.

[9] А.В.Кулинич, А.А.Ищенко. Мероцианиновые красители: синтез, строение,

свойства, применение. - Успехи химии. 2009. Т.78. №2. С. 151 – 175.

Додаткова:
[1] Б.И.Шапиро. Теоретические начала фотографического процесса. - Москва:

Эдиториал УРСС, 2000.



[2] В.И. Земский, Ю.Л. Колесников, И. К. Мешковский. Физика и техника импульсных лазеров на красителях. Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2005.





izumzum.ru