Fény és Színek avagy miért kék az ég és miért zöld a fő? Készítette: Szabó Péter
I. Színek születése Elıbb egy kis bevezetı tisztázzuk az alapfogalmakat
A fény, mint elektromágneses hullám De mi az elektromágneses hullám? Gyorsuló töltés által keletkezik, pl.: megváltozik a vezetıben folyó áramerısség (antenna sugároz, villámlás rádió), röntgen sugárzás egyik fajtája (miért ne viseljünk ólommellényt) Kvantummechanikai effektusok révén is keletkezhet Hullámként terjed, azonban az energiáját adagokban adja le/át, ezen energiaadagokat (kvantumokat) hívjuk fotonoknak
Az elektromágneses sugárzás spektruma hullámhossz(λ) µm-ben radioaktivitás atommag gerjesztés Ionizáció belsı e - vegyérték e - gerjesztés molekula rezgések molekula forgás magspin gerjesztés kozmikus gamma röntgen UV infra mikrohullám rádió hullám 10-6 10-4 10-1 0,4 0,8 10 2 10 6 energia növekedésének iránya Vízbontás? látható fény 360 nm 780 nm
A fény kölcsönhatása az anyaggal reflexió /tükrözıdés/ (I < I 0 és λ = λ 0 ) fényforrás (I 0 egyféleλ 0 ) fotolumineszcencia /foszforeszcencia minta fluoreszcencia/ ( λ > λ 0 ) fényszórás (λ = λ 0 ) abszorpció /fényelnyelés/ (I < I 0 és λ = λ 0 ) transzmisszó /átengedés/ E Hogyan születnek a színek? ha alapból egyszínő a fényforrás? (reflexió és szórás) ha nem egyszínő (fıleg fehér)? (szórás és abszorpció) J. W. Goethe
Miért kék az ég? Kolloid rendszerek Mire emlékszünk? fehér fény Tyndall Minél kisebb a fény hullámhossza, annál jobban szóródik. Tehát milyen színő fény szóródik a legjobban? Mi van a lézerfénnyel? Láthatjuk egyáltalán? Fıd A fénysugarak egyenes vonalban terjednek Milyen színt látunk, ha szembenézünk a nappal? Mit látunk, ha nem a napba nézünk? Naplementekor is a napba nézünk de mégse..
és miért zöld a fő? A maradék, el nem nyelt komponensek hozzák létre a színt! Komplementer színek!!! Akkor miért is zöld a fő?
A válogatós fényelnyelés Miért csak adott hullámhosszú komponenseket nyelnek el az anyagok a fehér fénybıl? E = adott hullámhosszú fény energiájával azonos E-nek nem árt a látható fény tartományába esni E fény = hv = hc/λ E E Mit okoz a fényelnyelés? A fény energiát hordoz, ha elnyelıdik alapállapot fény gerjesztés gerjesztett állapot
Mitıl függ E? Általában a pi kötések (konjugált) csökkentik E t, így a szerves molekulák nagy része könnyen gerjeszthetı már a látható fény tartományában is, így színesek. Likopin F 2, Cl 2, Br 2, I 2 Égésnél Végtelen győrő tag számnál? Egyre sötétebb
Színek és reaktivitás Zöld növények és száradt, halott növények KMnO 4 és K 2 MnO 4 A reakciók sokszor a gerjesztett állapotból mennek végbe De ez csak fényelnyelésre igaz szóval vigyázni mert a színek máshogy is keletkezhetnek! Napszemüveg ırület??? Mibıl is vannak a mőanyagok?
fénybıl Nem külsı fény forrás hatására születı színek A lényeg, valahogy létrehozzuk a gerjesztett állapotot. (más) fény Sajátfény kisugárzás lumineszcenciák fény elektromosság mechanikai energia hı kémiai reakció radioaktivitás (???) foszforeszcencia fluoreszcencia különbség? E E alapállapot energia gerjesztés Általában hı formájában adja le a többlet energiát! gerjesztett állapot kisugárzott fény alapállapot Spontán és kényszerített emisszió lézer
II. Biolumineszcencia a környezetünkben
Fény az éjszakában Arisztotelész: világító gombák hideg tőz Plinius: olívaültetvényen világító fa Reneszánsz filozófusok: tüzes gombák, melyek csillagként kékes fénnyel ragyognak Többnyire babonás félelmek társultak a fényjelenségekhez: tündéri fény-ragyogás korhadó fákban, ahol a tündérek éjszakai dáridókat tartanak lidércfény, szellemek, lelkek megjelenése bőnös lélek jelenléte, aki képtelen elszakadni a testétıl Egyéb esetek: Világító, rothadó halak Kanadai farmer: a felaprított tőzifa világít az udvaron Kislány, akinek a szoknyája világított, miután hazatért az erdıben való játék után. Itthonról: foszforeszkáló csirke farhát
Robert Boyle Fénylı fák tanulmányozása: (csak holdfény mentes éjszakán érzékelhetı) Részletes kísérleti leírást ad. A levegı szükséges a fényjelenséghez A levegı nem a fény közvetítéséhez kell, mert az izzó vas a vákuumban is tovább izzik Csak akkor bocsát ki fényt a korhadó fa, ha nedves (Francis Bacon) 1850-es években igazolták, hogy a fénykibocsátás gombáktól származik. A XX. században pedig rámutattak, hogy a rothadó halak esetében baktériumok okozzák a lumineszkálást. A jelenséget biolumineszcenciának hívjuk.
Biolumineszcencia I. Fotolumineszcenciánál tulajdonképp csak fényátalakítás történik fizikai folyamatok révén. Biolumineszcencia esetén az élı szervezetek kémia reakcióinak mellékterméke a fény. Szinte 100% hatásfokkal mőködik! A fotoszintézis fordítottjának tekinthetı! Elterjedt jelenség az élıvilágban: baktériumok, algák, gombák, mohák, gerinctelen állatok, halak, rovarok. Világító gombák 1652-bıl egy svéd történész írja: Skandinávia távoli északi részein az emberek, amikor bemerészkednek az erdıbe, korhadó tölgyfakérgeket helyeznek el bizonyos távolságokban, ily módon a fényt követve visszatalálnak a kiindulási helyükre.
A második világháborúban a Csendes óceáni szigetek trópusi ıserdeiben az amerikai katonák állítólag világító gombákat tőztek a fegyvereikre és sisakjaikra, hogy elkerüljék az egymással való ütközést az éjszakai sötétségben. Egy Új Guineában tevékenykedı amerikai haditudósító feleségének írt levelét azzal kezdte, drágám ma éjjel öt gomba fényénél írok neked.
Kb. 60 féle lumineszkáló gomba ismeretes eddig. Hazánkban: világító tölcsérgomba (kis fény intenzitás) A gombák is, mint minden lumineszkáló életforma kémia energiából állítja elı a fényt. Ehhez egy úgynevezett lucifer típusú molekulára és luciferáz enzimre van szükség. Különbözı fajok különbözı színő fényt bocsátanak ki. 30 C felett nem tapasztalható fény, azonban 0 C körül igen intenzíven világít (O 2 jobban oldódik hidegvízben, enzim mőködés, sugárzás mentes folyamatok!)
Raphael Dubois baktériumai és a luciferin Kezdetben kagylókkal kísérletezett (világító kivonat) Érdekesnek találta, hogy csak hideg vízben mutatott fényjelenséget A világító anyagot elnevezte luciferinnek (Lucifer = fényhozó/hordozó) Késıbb kiderült, hogy O 2, ATP, Mg 2+ és Ca 2+ -ra is szükség van a mőködéshez. Leírta, hogy a folyamat során a luciferin gerjesztıdik, majd a többlet energiát fény formájában adja le. A folyamat pedig csaknem 100%- os. Hidegfény! Világító baktériumok Új energiaforrásként szerette volna alkalmazni ıket, ezért tenyésztésükbe kezdett (1910-es évek). a tamarisi tengeri biológiai laboratórium egy nagy termét tudtam megvilágítani; a jelenlevı személyek távolról megismerhették egymást és az arcjátékot is észrevehették. (folyékony holdfény)
A tengerben nagy rajokban élnek. Szaporodás idején 1ml vízben 10 8 darab sejt található. Nagy hasonlóság a kolera baktériumhoz. Az egyetlen tengeri baktériumok, amelyek megbetegedést okozhatnak. Fénylenek még 7 C-ig, de a megfagyott kocsonya v ilágító jéggé válik, amely néhány óra múlva kialszik, újra felolvasztva megint világít. Békába a hátán lévı bır alá fecskendezve ıket, a béka teljesen világítóvá válik 3-4 napon át, különösen ha 8 C h ımérsékleten tartják. Milky sea
Valószínőleg a fénytermelés az ısi légkör következménye. Az oxigén egyenesen mérgezı volt a számukra. Az életfolyamataik során keletkezı oxigént úgy tették ártalmatlanná, hogy vízzé alakították; ez a folyamat azonban nagy energia felszabadulással jár. Az energia pedig fény formájában kevésbé káros, mint a hı. A mélytengeri halak és fejlábúak nem a saját szervezetük erıforrásaival világítanak, hanem olyan szerveik alakultak ki, amelyekben együtt élı világító baktériumok találhatók.
Lidércfény Vizenyıs rétek, temetık tüneménye: bolygótőz, lidércfény. Régebben lángnak hitték, meggyulladt mocsárgáznak (metán) Azonban nem gyújtja meg a környezetében lévı anyagokat, sıt nem is meleg (belenyúltak néhányan). Nem hıtermelı égés, hanem fényjelenség Vízzel telített talajból távozó gáz levegı oxigénjével reakcióba lépve világít Szerves bomló anyagot is tartalmaznia kell a talajnak (temetık, harcmezık, tömegsírok felett népi hiedelmek) felszín hν + HPO 3 [HPO 3 ]* O 2 talaj Szerves foszfor vegyületek feltáródik H 3 PO 4 baktériumok PH 3 /P 2 H 4
A sarki fény Északon: aurora borealis/ délen: aurora australis Zöldes, pirosas (esetleg kékes vagy rózsaszínő) fényjelenség a sarkok közelében A napkitörésbıl származó töltött részecskék(elektronok, protonok, egyéb ionok) gerjesztik a légkörben található atomokat/molekulákat A gerjesztett állapot megszőnésekor fénykibocsátás történik
Sarki fény Magyarország felett
Miért csak a sarkok közelében észlelhetı? napszél töltött részecskék A Föld mágneses tere eltéríti a töltéssel rendelkezı részecskéket. A pólusoknál azonban kicsi a mágneses tér, így ott bejuthatnak Az ionoszférában akár elektromos vihart okozhatnak
Az oxigén atom elektronszerkezete [He]: 2s 2 2p 4 1 0-1 1 S (gerjesztett állapot) Energia 1 0-1 1 0-1 1 D (gerjesztett állapot) 3 P (alapállapot) A termek energiasorrendje a Hund szabályok értelmében: 1. Adott spinmultiplicitású (2S+1) állapotok közül a legtöbb párosítatlan elektronnal rendelkezı a legkisebb energiájú. 2. Azonos spinmultiplicittású állapotok közül annak a kisebb az energiája, ahol L értéke nagyobb 3.
1 0-1 1 S (gerjesztett állapot) Energia 1 0-1 558 nm 1 D (gerjesztett állapot) O 2, és N 2 koncentrációjának magasság függése (keletkezés, gerjesztıdés, kioltás) megfelelı magasságban atomizáció és gerjesztıdés 1 0-1 630 nm 3 P (alapállapot) csak 100 km felett keletkezik zöld fény! csak 150 km felett keletkezik vörös fény! O( 1 D)* + N 2 O( 3 P) + N 2 +kt
zöld fény: O atom 1 S 1 D átmenet piros fény: O atom 1 D 3 P átmenet kék fény: N atom 2 D 4 S átmenet rózsaszín fény: N 2 molekula IR, UV, sıt röntgen sugárzás is, de ezeket csak az őrbıl lehet meg- figyelni Amikor a nagy energiájú részecskék alacsonyabbra is eljutnak, akkor keletkezik a kék, ibolya és rózsaszín fény, ugyanis alacsonyabban a N 2 molekulák koncentrációja a nagyobb Néha megfigyelhetı, mintha a zöld fény üldözné a rózsaszínt, ennek oka, hogy a gerjesztett N 2 molekulák azonnal dezaktiválódnak, míg az O atomok gerjesztett állapota stabilabb
2OH - + Cl 2 OCl - + H 2 O + Cl - H 2 O 2 + OCl - H 2 O + Cl - + O 2 + hν O 2 * O 2 + hν 762 nm O 2 Kemilumineszcencia A reakciók általában azért játszódnak le, hogy stabilabb (kisebb energiájú) termék képzıdjön. Az energia nem vész el, így valamilyen formában le kell adni a felesleges energiát A megoldás általában a hı 1 Σ g + (gerjesztett állapot) 1270 nm 1 g (gerjesztett állapot) 3 Σ g - (alapállapot) Szingulett oxigén és az ezotéria!!!
Közvetett lumineszcencia, fotoérzékenyítés A + [érzékenyítı]* A* +[érzékenyítı] A* A + hv A közvetlenül nem tud gerjesztıdni, de az érzékenyítı igen, és áttudja adni A-nak az energiáját Fotodinamikus terápia Metilénkék Porfíria (felfedezésének története)sárgarépa Vámpírok Molekulák kemilumineszcenciája dioxetán szerkezet + hν
Luminol kemilumineszcenciája
Luminol kemilumineszcenciája keto enol
Biolumineszcencia II. Biológia rendszerekben lejátszódó kémia reakciók fénytermelése A biológiai fénylı molekulákat győjtınéven luciferinnek hívjuk Lucifer = fényhozó/hordozó Enzim katalizált reakció A reakcióhoz szükséges enzimek csoportját luciferázoknak hívjuk A luciferáz típusú enzimek fehérjék A reakcióhoz oxigénre van szükség Luciferin + O 2 luciferáz Oxoluciferin
Szentjános bogár Mintegy 2000 féle fajuk ismeretes. Hazánkban három fajuk él A fényszennyezés miatt a nagy szentjános bogár majdnem kihalt hazánkban (lámpák és velük párzani akaró hímek) Pete formában, lárvaként, kifejlett rovarként és még haláluk után is képesek világítani Kifejlett rovarként kevés ideig élnek és ezalatt szinte nem táplálkoznak, azonban lárvaként vérszomjas ragadozók (csigák)
Szentjános bogár világító szervei A fénysejtek egy fényszóró rétegben helyezkednek el Húgysav és guanin kristályok töltik be a fényszóró szerepét A fénysejtekben egy speciális vegyület, a luciferin, valamint annak specifikus enzime, a luciferáz együttmőködése hozza létre a fényjelenséget. A kisugárzott energia mintegy 98%-a fény! hidegfény λ kisugárzott = 518,0 és 656,0 nm Színe (fajtól függıen) a sárgászöldtıl a narancsvörösig terjedhet A nálunk elıforduló három faj sárgászöld fényt bocsát ki magából, azonban a legtöbb faj a trópusokon él, azok fénye leginkább narancsvörös.
A fénykibocsátás folyamata A luciferin királis vegyület, természetben csak az R-formája található meg (fehérjéhez való kötıdés kéz/kesztyő) A fény kibocsátás idegi úton szabályozott. A kapcsoló a nitrogén-monoxid Nyugalmi állapotban a fénysejtek mitokondriumai (sejtlégzést lebonyolító szervecskéi) veszik fel oxigént, így az nem jut el a luciferin/luciferáz rendszerhez nincs fény A NO aktiválás követıen az idegsejtek acetilkolint juttatnak a fénysejtekbe, aminek hatására felszabadul a luciferin, majd reakcióba lép oxigénnel mitokondrium NO 2 NO oxipamin ingerület luciferin O 2 acetilkolin fénysejt
Enzimhez kötve A luciferin reakciójának mechanizmusa
GFP Green Fluorescent Protein-zöld fluoreszkáló fehérje (218 aminosav) 2008-ban kémiai Nobel-díj. Medúzából izolálták (1960) Három egymást követı aminosav Ser-65, Tyr-66, Gly-67 alkotja a fluorofor részét. A középen található fluorofor részt kromofor fehérje veszi körül, aminek köszönhetıen ellenálló a drasztikusabb környezeti hatásokkal szemben is Kék (475 nm) és UV (396 nm) fénnyel gerjeszthetı, 508 nm-es zöld fényt bocsát ki Jelzıanyagként alkalmazható: láthatóvá teszi a sejtek növekedését
Konec
Keress anyagot a szingulett oxigénes Airenergyrıl A szerves három könyvben van ilyen az észterek reakicóinál/ Claisen féle..meg hasonlóak