Szalay Péter (ELTE, Kémia Intézet) Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

Átírás

1 Szalay Péter (ELTE, Kémia Intézet) Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben? Boronkay György Műszaki Középiskola és Gimnázium Budapest, október

2 MAGAMRÓL Diploma (MSc): ELTE, PhD: Bécsi Egyetem 1989-ben MTA Doktori cím: 1999-ben Egyetemi tanári kinevezés: (ELTE) Jelenlegi munkahely: ELTE Kémiai Intézet Kutatási terület: elméleti kémia, spektroszkópia USA-beli ösztöndíjak: Fulbright ösztöndíj: , University of Texas HAESF ösztöndíj: , University of Florida

3 Van közös bennük?

4

5 Egy kis történelem Ókor: Arisztotelész: világító gombákat írt le (hideg fény) idősebb Plinius: olívaültetvényen világító fa

6 Egy kis történelem Boyle 1667-ben kísérleteket végez: lumineszkáló fával rothadó halakkal

7 Boyle kísérletei Részletesen leírja: Elsötétítés menetét A levegő kiszívását Megfigyeléseket

8 Boyle kísérletei Megfigyelések: A levegő szükséges A levegő nem a fény közvetítéséhez kell, mert az izzó vas a vákuumban is tovább izzik!

9 Egy kis történelem A XIX. század: A fa lumineszkálását gomba okozza Világító tölcsérgomba

10 Egy kis történelem A XX. század: A rothadó hal lumineszkálását baktériumok okozzák

11 Newton kísérletei a napfénnyel: ELMÉLETI HÁTTÉR Sir Isaac Newton ( )

12 A hidrogénatom spektruma Ångström (1871) XX. század eleje: A hidrogénatom energiája nem lehet akármekkora Bohr-féle atommodell Kvantummechanika

13 A fény és az anyag kölcsönhatása Az előző kísérlet is jól mutatja a kvantummechanika egyik legfontosabb elvét: A kvantummechanika szerint mikrorendszerek, így atomok és molekulák energiája nem lehet bármekkora Az energiaszintek között átmenetet lehet létrehozni a megfelelő hullámhosszú fénnyel: Bohr-feltétel : E = E 2 E 1 = h Ha a rendszer fényt nyel el, magasabb energiaszintre kerül:

14 A fény és az anyag kölcsönhatása Az előző kísérlet is jól mutatja a kvantummechanika egyik legfontosabb elvét: A kvantummechanika szerint mikrorendszerek, így atomok és molekulák energiája nem lehet bármekkora Az energiaszintek között átmenetet lehet létrehozni a megfelelő hullámhosszú fénnyel: Bohr-feltétel : E = E 2 E 1 = h A rendszer fény kibocsátásával visszakerül az alacsonyabb energiájú állapotba: A GERJESZTETT ÁLLAPOT ÉLETTARTAMA VÉGES!!!!!

15 A fény és az anyag kölcsönhatása rádióhullám mikrohullám infravörös látható UV Röntgen -sugárzás / Hz / m kis frekvencia, nagy hullámhossz nagy frekvencia, kis hullámhossz méret Látható színkép infravörös sugárzás hullámhossz / nm UV fény

16 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O

17 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

18 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

19 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

20 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

21 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

22 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

23 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

24 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

25 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

26 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

27 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

28 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

29 Az oxigénmolekula elektronszerkezete konfiguráció

30 Az oxigénmolekula elektronszerkezete szinglett gerjesztett állapot ( 1 Σ g + ) szinglett gerjesztett állapot ( 1 Δ g ) triplett alapállapot ( 3 Σ g - ) konfiguráció állapot

31 Az oxigénmolekula elektronszerkezete szinglett gerjesztett állapot ( 1 Σ g + ) Energia szinglett gerjesztett állapot ( 1 Δ g ) triplett alapállapot ( 3 Σ g - ) konfiguráció állapot

32 Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O

33 Az oxigénatom elektronszerkezete szinglett gerjesztett állapot ( 1 S) szinglett gerjesztett állapot ( 1 D) triplett alapállapot ( 3 P) konfiguráció állapot

34 Az oxigénatom elektronszerkezete szinglett gerjesztett állapot ( 1 S) Energia szinglett gerjesztett állapot ( 1 D) triplett alapállapot ( 3 P) konfiguráció állapot

35 Sarki fény (aurora borealis) Jelenség: Zöldes, sötétpiros (esetleg kékes vagy rózsaszínű) fényjelenség a sarkok közelében

36 Sarki fény (aurora borealis) Magyarországon is látható: Galéria: Előrejelzés:

37 Sarki fény (aurora borealis) Magyarországon is látható: Galéria: Előrejelzés:

38 Sarki fény (aurora borealis) A napból napkitörésből származó töltött részecskék (elektronok, protonok, egyéb ionok) gerjesztik a légkörben található atomokat/molekulákat A gerjesztett állapotok megszűnésekor fénykibocsátás történik.

39 Az oxigénatom lumineszkálása 558 nm szinglett gerjesztett állapot ( 1 S) szinglett gerjesztett állapot ( 1 D) 630 nm triplett alapállapot ( 3 P) O atom

40 Sarki fény (aurora borealis) Zöldes fény: O atom 1 S 1 D átmenet Sötétpiros fény: O atom 1 D 3 P átmenet Kék fény: N atom 2 D 4 S átmenet Ibolya fény: N 2 molekula IR, UV, sőt röntgen sugárzás is, de ezek csak az űrből láthatók

41 Sarki fény: miért csak a sarkok közelében? A föld mágneses tere eltéríti ezeket a részecskéket, azok csak a pólusoknál juthatnak be.

42 Déli sarkon is: aurora australis A NASA IMAGE satellite felvétele (2005. szeptember 11.) (a föld csak alá van montírozva!)

43 Kemilumineszcencia Kísérlet: 2 OH _ + Cl 2 OCl _ + Cl _ + H 2 O H 2 O 2 +OCl _ = H 2 O + Cl _ + O 2 (szinglett)

44 Kísérlet: Kemilumineszcencia Intenzitás Hullámhossz / nm

45 Az oxigén lumineszkálása szinglett gerjesztett állapot ( 1 Σ g + ) 762 nm szinglett gerjesztett állapot ( 1 Δ g ) 1270 nm triplett alapállapot ( 3 Σ g - ) O 2

46 Kemilumineszcencia Miért nem csak egy színt látunk? O 2 (triplett) + hν (1270 nm) O 2 (szinglett) 2 O 2 (triplett) + hν (633 nm és 703 nm)

47 Az O 2 - O 2 komplex lumineszkálása + szinglett gerjesztett állapot 703 és 633 nm + triplett alapállapot O 2 + O 2

48 Kemilumineszcencia: általános mechanizmus

49 Közvetett kemilumineszcencia 2 O 2 (szinglett) + fluoreszcens 2 O 2 (triplett) + fluoreszcens * fluoreszcens * fluoreszcens + hν Lumineszcensek: Naracssárga: rubrén Kék: 9,10-difenil-antracén Kékeszöld: perilén Zöld: 9,10-biszfenil-etinil-antracén Forrás:

50 Dioxetán kemilumineszcenciája

51 Luminol kemilumineszcenciája

52 Biolumineszcencia Erdei Norbert: Utolsó este II. díj, Nimród Magazin fotópályázata

53 Biolumineszcencia Biológiai rendszerben létrejövő kemilumineszcencia Szubsztrát: luciferin (gyűjtőnév) ezen történik a reakció: luciferin oxoluciferin Enzim (fehérje): luciferáz (gyűjtőnév) ez katalizálja a folyamatot Lucifer = lux-fero (fényt hozó)

54 A luciferin reakciójának mechanizmusa

55 Mi befolyásolja a kibocsátott fény színét? A természetes és módosított luciferáz enzimek szerkezete Változtatva a 286-os illetve a 288-as aminosavakat, a szín változik

56 Mi befolyásolja a kibocsátott fény színét? Tehát a környezet polarizációs hatása, illetve a hidrogénkötések hol egyik, hol másik formát stabilizálják

57 Néhány további luciferin molekula O H N N O CHO N H N H H N Cypridina Luciferin NH NH 2 Latia Luciferin HO O O N N N NH N H N Renilla Luciferin HO Chromophore of Aequorin

58 Néhány további luciferin molekula O H N N O CHO N H N H H N Cypridina Luciferin NH NH 2 Latia Luciferin HO O O N N N NH N H N Renilla Luciferin HO Chromophore of Aequorin A híres GFP (Green Fluorescent Protein)

59 Van közös bennük?

60 Van közös bennük? Gerjesztett atomi vagy molekuláris állapotok fény kibocsátásával kerülnek vissza alapállapotba Oxigén jelenléte Elméleti háttér

61 Biolumineszcencia Észak-amerikai szentjánosbogár

62 Biolumineszcencia Mélytengeri lámpáshal (Chaenophryne longiceps) forrás:

63 Biolumineszcencia Nyíl kukac forrás:

64 Biolumineszcencia Bambusz-korall forrás:

65 Biolumineszcencia forrás:

66 Biolumineszcencia Vasút-kukac: két színben lumineszkál

67 Biolumineszcencia Planktonok virágzása (dinoflagellates) forrás:

68 Biolumineszcencia Medúza (Aequorea victoria) forrás:

69 Köszönöm a lehetőséget! Köszönöm a figyelmet!