Course Syllabus
Obiettivi
Il corso si propone di fornire agli studenti una visione di insieme dei processi che coinvolgono l’interazione tra la luce e i sistemi chimici.
Conoscenze e capacità di comprensione. Al termine del corso lo studente conosce e comprende gli aspetti della interazione tra le molecole e la radiazione elettromagnetica, le
caratteristiche degli stati eccitati elettronici ed i loro processi di decadimento. Conosce inoltre le
strumentazioni usate per lo studio delle specie e dei processi fotochimici ed applica le
conoscenze a sistemi naturali e artificiali fotochimicamente attivi.
Conoscenze e capacità di comprensione applicate. Al termine del corso lo studente
- è in grado di collocare nell'ambito teorico rappresentato dalla regola d'oro di Fermi i diversi processi di decadimento degli stati eccitati elettronici discussi in vari ambiti di applicazione;
- ha acquisito la familiarità di tecniche spettroscopiche e di sintesi chimica di rilevanza fotochimica.
Autonomia di giudizio. Al termine del corso lo studente è in grado di valutare quale sia il processo di decadimento attivo in un dato fenomeno di natura fotochimica con contestuale sviluppo di progettualità riguardo alla metodologia di indagine.
Abilità comunicative. Capacità di comunicare in forma orale e capacità di sostenere un contraddittorio sulla base di un giudizio sviluppato autonomamente su una problematica inerente la fotochimica.
Capacità di apprendere. Essere
in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli
presentati durante il corso, e di comprendere gli argomenti trattati nella
letteratura scientifica riguardante i fenomeni di decadimento degli stati elettronici molecolari eccitati.
Contenuti sintetici
Il corso parte con una trattazione dei fondamenti della fotochimica
quali i processi di evoluzione e decadimento degli stati eccitati
elettronici e la fotoreattività, contenuti indispensabili per la
comprensione di fenomeno fotochimico e fotofisico. Successivamente
verranno presentate alcune applicazioni in ambito fotobiologico, nella
fotocatalisi e nella luminescenza.
Programma esteso
Stati eccitati elettronici e loro descrizione dell’ambito del modello degli orbitali molecolari. Diagramma
di Jablonski, scala dei tempi e probabilità nell'ambito della regola
d'oro di Fermi dei fenomeni di decadimento degli stati eccitati
elettronici. Concetto di tempo di vita di uno stato eccitato e resa quantistica. Fenomeni di trasferimento di energia e meccanismi di tipo Förster e Dexter. Trasferimento elettronico nell’ambito della teoria di Marcus. Processi redox che coinvolgono stati eccitati elettronici ed equazione di Rehn-Weller. Sistemi antenna e photosensitizers.
Reattività fotochimica in ambito organico ed inorganico. Splitting dell’acqua: dal sistema naturale ai sistemi sintetici. Fotocatalisi e applicazioni fotocatalitiche: produzione di H2 e riduzione della CO2 light-assisted. Sistemi accoppiati superficie-photosensitizers: il caso del sistema TiO2-sensitizers. Foto- e chemiluminescenza: applicazioni.
Prerequisiti
Conoscenze di base di meccanica quantistica (Operatore hamiltoniano molecolare; Equazione di Schroedinger per sistemi atomici e molecolari, metodo variazionale e calcolo dei valori di aspettazione di un operatore, approssimazione
di Born-Oppenheimer)
Modalità didattica
Lezioni frontali ed esercitazioni in aula
Materiale didattico
Testi consigliati:
"Photochemistry and Photophysics. Concepts, Research, Applications" Vincenzo Balzani, Paola Ceroni e Alberto Juris. Wiley 2014
“Principles and Applications of Photochemistry”, Brian Wardle, Wiley 2009;
“Principles of Modern Molecular Photochemistry: an introduction” Nicholas J. Turro, University Science Book (2008)
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Orario di ricevimento
Ricevimento previo appuntamento via email
Aims
The course aims to provide students with an overview of the processes that involve the interaction between light and chemical systems.
Knowledge and understanding skills. At the end of the course the student knows and understands the aspects of the interaction between the molecules and the electromagnetic radiation, the characteristics of electronic excited states and their processes of decay. He also knows the instruments used for the study of species and photochemical processes and applies the knowledge of photochemically active natural and artificial systems.
Knowledge and understanding skills applied. At the end of the course the student
- is able to place in the theoretical framework represented by Fermi's golden rule the various processes of decay of the electronic excited states discussed in various fields of application;
- has acquired the familiarity of spectroscopic and chemical synthesis techniques of photochemical relevance.
Autonomy of judgment.
At the end of the course the student is able to assess the process of active decay in a given photochemical phenomenon with contextual development of a broad vision concerning the approprate methodology of investigation.
Communication skills.
Ability to communicate in oral form and ability to sustain a contradictory on the basis of judgment abilities developed autonomously on photochemical issues.
Ability to learn. The student will be able to apply the acquired knowledge to contexts different from those presented during the course, and to understand the topics covered in the scientific literature concerning the phenomena of decay of excited molecular states.
Contents
The course starts with a discussion of the basic principles of
photochemistry such as the evolution and decay processes of the
electronic excited states and photoreactivity. These contents are
essential for the understanding of photochemical and photophysical
phenomenon. Subsequently, we present some applications in the field of
photobiology, photocatalysis and luminescence.
Detailed program
Electronic excited states and their description within the molecular orbitals model. Jablonski diagram, the time scale and probability within the Fermi golden rule of the electronic excited state decay. Concept of excited state lifetime and of quantum yield. Energy transfer phenomena (Förster and Dexter mechanisms). Photoinduced Electron transfer and its description within Marcus theory. Redox processes involving electronic excited states and Rehn-Weller equation. Antenna systems and photosensitizers. Organic and inorganic photochemical reactivity. Water splitting: from natural to synthetic systems. Photocatalysis and photocatalytic applications: light-assisted H2 production and CO2 photo-reduction. Surface-photosensitizers systems: the case of TiO2-sensitizers system. Applications in photo- and chemiluminescence.
Prerequisites
Basic knowledge of quantum mechanics (Hamiltonian molecular operator, Schroedinger equation for atomic and molecular systems, variational method and calculation of the expectation values of an operator, Born-Oppenheimer approximation)
Teaching form
Lessons and in class exercises
Textbook and teaching resource
Textbooks: "Photochemistry and Photophysics. Concepts, Research, Applications" Vincenzo Balzani, Paola Ceroni and Alberto Juris. Wiley 2014 “Principles and Applications of Photochemistry”, Brian Wardle, Wiley 2009; “Principles of Modern Molecular Photochemistry: an introduction” Nicholas J. Turro, University Science Book (2008)
Semester
1st semester
Assessment method
Office hours
On appointment (by email)
Staff
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Luca Bertini
-
Claudio Greco