эйнштейна

Свет

Прежде чем рассматривать процесс фотосинтеза (и другие биологические процессы, связанные со светом, — зрение, фототропизм и биолюминесценцию), мы должны ознакомиться со свойствами самого света. Свет переносится в виде отдельных (дискретных) небольших порций энергии, называемых фотонами или квантами, которые лишены электрического заряда. Фотоны — это элементарные физические частицы, подобные протонам и электронам. Одновременно свет проявляет себя и как волна; свету различного цвета (т. е. разным областям спектра) присуща определенная длина волны, или частота.
   Энергия E каждого фотона выражается формулой

E = hc/λ,

где с — скорость света (3 ∙ 1010 см/с), λ — длина волны, h — постоянная Планка (отношение частоты к энергии). Энергия фотона, т. е. работа, которую он может произвести, обратно пропорциональна длине волны. Коротковолновое излучение (фиолетовый свет) обладает большей энергией, чем длинноволновое (красный свет). Интенсивность света данной длины волны зависит от вероятности испускания фотонов. При фотохимических реакциях каждая молекула, поглощая один квант света (один фотон), переходит в возбужденное состояние и вовлекается затем в химические реакции. Для перевода 1 моля вещества (6 1023 молекул) в возбужденное состояние необходимо 6 1023 фотонов. Эта величина (т. е. энергия «одного моля» фотонов) получила название эйнштейна.

Используя соответствующие константы, можно рассчитать, что энергия в 1 эйнштейн равна частному от деления 2854 ∙ 107 кал на длину волны в нанометрах. Так, для синего света (длина волны 450 нм) один эйнштейн соответствует 64 000 кал, а для красного света (660 нм) — 43 000 кал. Кванты света разной длины волны обладают различной энергией — кванты синего света имеют большую энергию, чем кванты красного света. Все виды электромагнитного излучения — от очень коротковолновых рентгеновских лучей, через ультрафиолет, видимый свет и инфракрасные лучи, до самой длинноволновой области спектра — радиоволн — представляют собой различные формы одного и того же явления, различающиеся только длиной волны и энергией фотона.

Когда квант света ударяется о металлическую пластинку, то испускаются электроны, причем число испускаемых электронов пропорционально числу фотонов, достигших пластинки (на этом основано определение времени экспозиции в фотографии). Столкновение кванта с молекулой сопровождается либо испусканием электрона, либо его переходом на другую орбиталь, более удаленную от ядра (т. е. с большей энергией). Для перехода электрона с внутренней орбитали на одну из внешних необходим приток энергии в систему, поскольку при этом отрицательно заряженная частица удаляется от положительно заряженного ядра. На s- или p-орбитали не может быть больше двух электронов, причем эти электроны должны быть спарены, т. е. иметь противоположные спины. Если один из таких электронов поглощает квант света и переходит на другую орбиталь, то молекула переходит в «возбужденное» состояние. Фотохимическими называются реакции, в которых участвуют такие возбужденные под влиянием света атомы или молекулы. Следовательно, для возникновения фотохимической реакции должно произойти поглощение света молекулой. Существует определенное количественное соотношение между числом поглощенных квантов и числом активированных молекул.

Переход электрона на новую орбиталь вызывает перераспределение электронного заряда в молекуле. Химические свойства молекулы зависят от энергии связей и от плотности заряда в различных ее участках. Поэтому возбуждение электрона приводит к образованию новой молекулы, которая обычно обладает большей реакционной способностью по сравнению с молекулой в основном состоянии.

Для фотохимических реакций особенно большое значение имеют неподеленные пары электронов, содержащиеся в молекулах с атомом азота и кислорода и не участвующие в образовании связей. Эти два электрона, расположенные на одной и той же орбитали, должны быть спарены, т. е. должны иметь противоположные спины. Когда один из них активируется за счет поглощения фотона и переходит на одну из внешних орбиталей (на более высокий энергетический уровень), то их спины могут иметь противоположное (синглетное состояние) или одинаковое (триплетное состояние) направление.

Вероятность прямого перехода из основного состояния в триплетное чрезвычайно мала. Обычно триплетное состояние достигается путем внутренней конверсии из синглетного состояния той же электронной конфигурации. Переход возбужденной молекулы, находящейся в синглетном состоянии, в основное состояние сопровождается флуоресценцией. Время затухания флуоресценции очень мало (10-8 с) и не зависит от температуры. Переход из возбужденного синглетного состояния в триплетное состояние сопровождается фосфоресценцией. Это значительно более длительный процесс, продолжающийся от 10-4 до 1 с.

Однако наиболее важные с биологической точки зрения биохимические реакции не связаны с испусканием света; они представляют собой безызлучательные переходы из триплетного состояния в основное, при которых энергия не выделяется в виде света, а передается химическим соединениям, реагирующим в какой-то другой системе. Участие в химических реакциях молекул, находящихся в триплетном состоянии и имеющих большое время жизни, значительно более вероятно, чем участие в них синглетного состояния. При фотосинтезе такой безызлучательный переход из триплетного состояния в основное претерпевает лишь одна молекула — молекула хлорофилла.

Энергия, необходимая для перехода электрона с одной орбитали на другую, определяется разностью между энергетическими уровнями, соответствующими этим двум орбиталям. Поскольку энергия фотона должна быть использована целиком (квант не может быть использован частично), поглощаются только те фотоны, энергия которых вызывает переход электронов на соответствующую орбиталь. Пропуская свет разной длины волны через раствор исследуемого вещества и следя за тем, какие длины волн при этом поглощаются, устанавливают спектр поглощения данного вещества. Если, например, максимум поглощения приходится на 660 нм (красная область), то это значит, что для перехода электрона с заполненной внутренней орбитали на незаполненную внешнюю необходимо около 43 000 кал на 1 моль. Каждый тип молекул имеет свой характерный спектр поглощения, и поэтому по спектру поглощения можно идентифицировать вещества, выделенные из растительной или животной клетки.

Ваша оценка: Нет Средняя: 3.1 (11 votes)