Фотовозбуждение оболочек атомов и ионов

Фотовозбуждение является квантовым процессом, в котором оболочка атома или иона поглощает вполне определенную дискретную порцию энергии поля. Разности энергетических уровней атома или иона определяют линейчатый спектр поглощения, характеризующий данный химический элемент, его своеобразную «визитную карточку». Чтобы поглощение произошло, необходимо выполнение квантового условия:

Здесь обозначено:

h - постоянная Планка,

W - энергия состояния электрона в атоме, ионе, молекуле,

у — частота излучения.

Последовательность процессов можно представить следующей схемой. Поглощая квант энергии поля, электрон в атоме переходит (на сравнительно короткий, порядка 10 8 с, период времени) в возбужденное состояние.

При этом изменяется форма валентной электронной оболочки, а следовательно и химическая активность атома или иона. Становятся возможными варианты реакций, которые в обычных условиях не реализуются. В ряде случаев это приводит к нежелательным эффектам, например наблюдаются взрывы газовых смесей при вспышке ультрафиолетового света. Время жизни атома в возбужденном состоянии не превышает десятков наносекунд, после чего система возвращается в нормальное состояние. По закону сохранения энергии, излучаемый при обратном переходе квант света имеет такую же частоту и длину волны, что и ранее поглощенный квант поля.

Однако атом как бы «забывает» направление импульса поглощенного кванта, так что все направления вылета излучаемого кванта оказываются равновероятными. Поэтому только небольшая часть излучаемых квантов направлена по лучу света, падающему на вещество. Остальные рассеиваются по всем направлениям, что создает видимость поглощения энергии света. На самом деле происходит его квантовое рассеяние без изменения частоты и длины волны.

Многие сложные по составу и строению молекулы часто имеют несколько возможных форм расположения своих фрагментов. Говорят о цис- и транс-конформациях органических соединений. Различие в расположении частей молекулы обусловливает различие уровней потенциальной энергии цис- и гранс-форм.

Если энергия квантов излучения равна разности энергии двух конформаций, то наблюдается фотовозбуждение оболочки молекулы. В качестве примера рассмотрим конформационные переходы в ретина- ле, показанные на рис. 60.

Переход молекулы ретиналя из цис-формы в транс-форму

Рис. 60. Переход молекулы ретиналя из цис-формы в транс-форму

При поглощении света с длиной волны Л= 380 нм молекула чистого ретиналя переходит из цис-формы в транс-форму: 11-ол-транс- ретиналь. При этом происходит поворот «хвоста» молекулы вокруг оси связи 11 и 12 атомов углерода так, что излом исчезает, молекула приобретает более симметричную форму.

Этот эффект лежит в основе восприятия света человеком. В настоящее время известно, что фотоприемником служит родопсин - белковое соединение, в центре которого встроена молекула ретиналя. В новом окружении переход в гранс-конформацию происходит при поглощении света с длиной волны X = 500 нм, это как раз соответствует максимуму спектра Солнца на уровне поверхности земли.

Изменение формы стимулирует начало цепи химических реакций с высоким коэффициентом усиления сигнала, и в конечном счете в нервной системе человека формируется электрический импульс, бегущий в мозг. Таким образом, в процессе эволюции Природа подобрала для человека химическое соединение, оптимальное для дневного зрения в солнечном свете.

Рассмотренные примеры показывают, почему многие произведения живописи «боятся» солнечного света, а фармацевты рекомендуют хранить лекарства в темноте. Ведь в спектре Солнца имеется интенсивная компонента УФ-излучения, способного вызвать фотовозбуждение молекул красок или лекарств и стимулировать тем самым начало таких химических реакций, которые в обычных условиях нс происходят.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >