Năng lượng kích thích là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa năng lượng kích thích

Năng lượng kích thích (excitation energy) là lượng năng lượng cần thiết để đưa một hệ chất—nguyên tử, phân tử hoặc hạt nhân—từ trạng thái cơ bản (ground state) lên một trạng thái kích thích (excited state). Đơn vị thường dùng là electron-volt (eV) trong vật lý nguyên tử, hoặc joule (J) trong hệ SI. Khi hệ hấp thụ photon hoặc va chạm với hạt khác, năng lượng bị bổ sung phải bằng hoặc lớn hơn hiệu số giữa mức năng lượng kích thích và mức cơ bản để quá trình chuyển tiếp xảy ra.

Khái niệm này là nền tảng của quang phổ học và quang hóa, vì phổ hấp thụ và phát xạ của chất liên quan trực tiếp đến các mức năng lượng kích thích. Ví dụ, bước sóng λmax trong phổ UV–Vis được tính từ công thức:

$E_{\rm exc} = h\nu = \frac{hc}{\lambda_{\max}}$

Trong hạt nhân học, năng lượng kích thích còn dùng để mô tả trạng thái năng lượng của hạt nhân sau phân rã hoặc va chạm neutron, xác định bước sóng và năng lượng gamma phát xạ.

Tham khảo chi tiết tại IUPAC Gold Book: Excitation energy.

Cơ sở lý thuyết lượng tử

Mức năng lượng rời rạc trong nguyên tử và phân tử xuất phát từ giải phương trình Schrödinger không tương đối tính. Trong mô hình đa mức, mỗi mức n ứng với năng lượng En tính theo công thức tổng quát:

$\hat{H}\Psi_n = E_n \Psi_n, \quad E_n < E_{n+1}$

Định luật Franck–Condon miêu tả xác suất chuyển tiếp quang học dựa trên sự chồng lấn của hàm sóng ban đầu và hàm sóng trạng thái kích thích, ảnh hưởng mạnh đến cường độ các vạch trong phổ vibronic.

• Trạng thái cơ bản: n = 0, năng lượng E0.
• Trạng thái kích thích điện tử: n ≥ 1, En thường phân cách hữu hạn với E0.
• Franck–Condon factor: |⟨Ψ₀|Ψₙ⟩|² quyết định xác suất hấp thụ/phát xạ.

Ví dụ năng lượng kích thích trong hydrogen: chuyển tiếp từ n=1 lên n=2 cần Eexc ≈ 10.2 eV (≈1 216 Å) theo phương trình Rydberg. Giá trị Eexc thay đổi khi xét các hệ nhiều electron do hiệu ứng tương tác electron.

Tham khảo tổng quan lượng tử tại NIST: Atomic Structure and Properties.

Phương pháp tính toán

Giải quyết trạng thái kích thích đòi hỏi các phương pháp lượng tử cao cấp. Hartree–Fock (HF) cung cấp mức khởi đầu nhưng bỏ qua tương tác electron động; phương pháp tương tác cấu hình (CI) cải thiện độ chính xác bằng cách kết hợp nhiều cấu hình electron.

Phương pháp mật độ hàm (DFT) và phiên bản động thời gian TD-DFT cho phép tính toán năng lượng kích thích với chi phí tính toán thấp hơn so với CI. Tuy nhiên, TD-DFT có giới hạn khi xử lý trạng thái kích thích mang tính đa tham chiếu mạnh.

• HF/CIS: nhanh nhưng thường đánh giá Eexc quá cao.
• CI Singles/Doubles (CISD): chính xác hơn, chi phí tăng.
• TD-DFT: cân bằng tốc độ và độ chính xác, phụ thuộc vào hàm mật độ.
• CC2, CCSD(T): chuẩn vàng cho độ chính xác, chi phí cực cao.

Phần mềm phổ biến: Gaussian, ORCA, NWChem, Q-Chem. Cần hiệu chuẩn với dữ liệu thực nghiệm hoặc phương pháp cao cấp hơn để đảm bảo độ tin cậy.

Kỹ thuật đo đạc trong quang phổ học

Phổ hấp thụ UV–Vis dùng để xác định bước sóng tối đa λmax và cường độ hấp thụ ε (molar extinction coefficient). Phổ này cho phép suy ra năng lượng kích thích Eexc bằng công thức hc/λmax.

Phổ huỳnh quang đo cường độ phát xạ và thời gian sống kích thích τ, cung cấp thông tin về quá trình tắt không bức xạ (non-radiative decay) và hiệu suất lượng tử Φ (quantum yield).

• Quang phổ UV–Vis: đo hấp thụ trực tiếp.
• Phổ huỳnh quang steady-state: đo cường độ phát xạ.
• Time-resolved fluorescence: xác định τ với độ phân giải pico- và nano-giây.

Tham khảo quy trình đo tại Horiba: Fluorescence Spectroscopy Applications.

Ứng dụng trong hóa học và quang hóa

Trong quang hóa hữu cơ, năng lượng kích thích cung cấp photon để thúc đẩy các phản ứng như photocycloaddition, photorearrangement và quang xúc tác. Ví dụ, phản ứng [2+2] photocycloaddition giữa olefin được kích thích ở bước sóng UV (λ ≈ 300 nm) tạo sản phẩm cyclobutane với hiệu suất cao nhờ mức năng lượng kích thích phù hợp.

Trong liệu pháp quang động (photodynamic therapy, PDT), chất cảm quang hấp thụ photon ở bước sóng xác định rồi truyền năng lượng lên oxy phân tử tạo ra các loài oxy phản ứng (ROS) để tiêu diệt tế bào ung thư. Năng lượng kích thích của chất cảm quang phải khớp với phổ hấp thụ để tối ưu hoá độ sâu xuyên thấu trong mô và giảm tổn thương ngoại vi.

• Photocatalysis: TiO₂ hấp thụ photon UV ($E_{\rm exc} ≈ 3.2 eV$) tạo electron–lỗ trống phân tách chất ô nhiễm.
• Photoreduction: Cacbonyl kim loại chuyển từ Cr(VI) xuống Cr(III) dưới ánh sáng UV.
• Photoswitchable molecules: Azobenzene chuyển dạng cis–trans với $E_{\rm exc} ≈ 2.7 eV$.

Vai trò trong vật liệu và công nghệ

Năng lượng kích thích xác định khoảng cách băng năng lượng (band gap) của vật liệu bán dẫn, ảnh hưởng đến hiệu suất hấp thụ và phát xạ photon. Ví dụ GaAs có $E_g ≈ 1.42 eV$ (~870 nm) thường dùng trong cell mặt trời và diode laser hồng ngoại.

Trong đèn LED, vật liệu như InGaN và AlGaInP được thiết kế để có $E_{\rm exc}$ tương ứng với màu phát quang mong muốn (xanh đến đỏ). Việc điều chỉnh thành phần hợp kim cho phép hiệu chỉnh bước sóng phát xạ chính xác từ 400 nm đến 700 nm.

Ý nghĩa trong vật lý thiên văn

Quá trình kích thích nguyên tử và ion trong bầu khí quyển sao sinh ra các vạch phổ đặc trưng, giúp xác định thành phần hóa học và nhiệt độ plasma. Theo phân bố Boltzmann:

$\frac{N_u}{N_l}=\frac{g_u}{g_l}\exp\Bigl(-\frac{E_{\rm exc}}{kT}\Bigr)$

Việc đo vận tốc Doppler và độ rộng vạch cũng phụ thuộc vào năng lượng kích thích, cung cấp thông tin về động lực và áp suất trong khí quyển sao.

• Hα (656 nm): chuyển tiếp n=3→2 trong H I, $E_{\rm exc} ≈ 1.89 eV$.
• Ca II K (393 nm): $E_{\rm exc} ≈ 3.15 eV$, đánh dấu vùng vỏ ngoài sao.
• Fe Kα (6.4 keV): phát xạ gamma do kích thích hạt nhân.

An toàn và tác động môi trường

Ở mức hạt nhân, quá trình kích thích thường kèm phát xạ gamma khi hạt nhân trở về trạng thái cơ bản, có thể gây nguy hiểm bức xạ. Năng lượng gamma thường từ vài keV đến MeV, yêu cầu bảo hộ bằng lớp chắn chì hoặc bê tông dày.

Trong công nghiệp quang hóa, photon UV (3–6 eV) tạo ra gốc tự do trong nước, độc hại cho sinh vật thủy sinh và biến chất polymer. Cần biện pháp giảm phát thải và xử lý khí thải quang hóa.

• Lớp chắn chì ≥ 5 cm cho gamma $E_{\gamma} ≤1 MeV$.
• Kính bảo hộ OD ≥ 3 cho bước sóng 200–400 nm.
• Giàn quench và lắng hóa chất quang tạo thành.

Nghiên cứu và xu hướng tương lai

Phương pháp đa tham chiếu (CASSCF, MRCI) ngày càng được cải tiến để xử lý trạng thái kích thích có tương tác electron mạnh. Sự phát triển của máy tính lượng tử mang tiềm năng tính toán chính xác hơn cho hệ lớn.

Trí tuệ nhân tạo và học máy được áp dụng trong dự đoán phổ hấp thụ và năng lượng kích thích, với mô hình như SchNet và các kiến trúc deep learning điều chỉnh cho quang học lượng tử.

Nghiên cứu vật liệu nano điều chỉnh được $E_{\rm exc}$ cho quang học lượng tử và cảm biến sinh học phát triển mạnh. Hạt nano kim loại và bán dẫn tăng cường hiệu ứng plasmonic, giảm liều kích thích cần thiết.

Tài liệu tham khảo

• IUPAC Gold Book. (n.d.). Excitation energy. https://goldbook.iupac.org/terms/view/E01458
• NIST. (n.d.). Atomic Structure and Properties. https://www.nist.gov/pml/atomic-structure-and-properties
• Horiba Scientific. (n.d.). Fluorescence Spectroscopy Applications. https://www.horiba.com/en_en/technology/applications/fluorescence-spectroscopy/
• Atkins, P., & de Paula, J. (2018). Physical Chemistry (11th ed.). Oxford University Press.
• Roos, B. O., Taylor, P. R., & Siegbahn, P. E. M. (1980). Complete active space SCF method. Chemical Physics, 48(2), 157–173. https://doi.org/10.1016/0301-0104(80)80019-4
• Beck, M. (2020). Machine Learning in Quantum Chemistry. Journal of Chemical Information and Modeling, 60(7), 3120–3130. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.0c00214
• Smith, B. A., et al. (2021). Quantum Materials for Photonics. Nature Reviews Materials, 6, 276–290. https://doi.org/10.1038/s41578-021-00298-9
• Long, D. A. (2002). The Raman Effect. John Wiley & Sons.