Szalay Péter (ELTE, Kémia Intézet) Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben? Boronkay György Műszaki Középiskola és Gimnázium Budapest, 2011. október 27. www.meetthescientist.hu 1 26
MAGAMRÓL Diploma (MSc): ELTE, 1986. PhD: Bécsi Egyetem 1989-ben MTA Doktori cím: 1999-ben Egyetemi tanári kinevezés: 2003. (ELTE) Jelenlegi munkahely: ELTE Kémiai Intézet Kutatási terület: elméleti kémia, spektroszkópia USA-beli ösztöndíjak: Fulbright ösztöndíj: 2003-2004, University of Texas HAESF ösztöndíj: 2010-2011, University of Florida www.meetthescientist.hu 2 26
Van közös bennük?
Egy kis történelem Ókor: Arisztotelész: világító gombákat írt le (hideg fény) idősebb Plinius: olívaültetvényen világító fa
Egy kis történelem Boyle 1667-ben kísérleteket végez: lumineszkáló fával rothadó halakkal
Boyle kísérletei Részletesen leírja: Elsötétítés menetét A levegő kiszívását Megfigyeléseket
Boyle kísérletei Megfigyelések: A levegő szükséges A levegő nem a fény közvetítéséhez kell, mert az izzó vas a vákuumban is tovább izzik!
Egy kis történelem A XIX. század: A fa lumineszkálását gomba okozza Világító tölcsérgomba
Egy kis történelem A XX. század: A rothadó hal lumineszkálását baktériumok okozzák
Newton kísérletei a napfénnyel: ELMÉLETI HÁTTÉR Sir Isaac Newton (1642 1727)
A hidrogénatom spektruma Ångström (1871) XX. század eleje: A hidrogénatom energiája nem lehet akármekkora Bohr-féle atommodell Kvantummechanika
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:
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!!!!!
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
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénmolekula elektronszerkezete konfiguráció
Az oxigénmolekula elektronszerkezete szinglett gerjesztett állapot ( 1 Σ g + ) szinglett gerjesztett állapot ( 1 Δ g ) triplett alapállapot ( 3 Σ g - ) konfiguráció állapot
Az oxigénmolekula elektronszerkezete szinglett gerjesztett állapot ( 1 Σ g + ) Energia szinglett gerjesztett állapot ( 1 Δ g ) triplett alapállapot ( 3 Σ g - ) konfiguráció állapot
Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p 2p 2s 2s 1s 1s O O 2 O
Az oxigénatom elektronszerkezete szinglett gerjesztett állapot ( 1 S) szinglett gerjesztett állapot ( 1 D) triplett alapállapot ( 3 P) konfiguráció állapot
Az oxigénatom elektronszerkezete szinglett gerjesztett állapot ( 1 S) Energia szinglett gerjesztett állapot ( 1 D) triplett alapállapot ( 3 P) konfiguráció állapot
Sarki fény (aurora borealis) Jelenség: Zöldes, sötétpiros (esetleg kékes vagy rózsaszínű) fényjelenség a sarkok közelében
Sarki fény (aurora borealis) Magyarországon is látható: Galéria: http://www.mcse.hu/galeria/main.php/asztrofotok/20031120_aurora/ Előrejelzés: http://www.mcse.hu/sarki_feny_elorejelzes/
Sarki fény (aurora borealis) Magyarországon is látható: Galéria: http://www.mcse.hu/galeria/main.php/asztrofotok/20031120_aurora/ Előrejelzés: http://www.mcse.hu/sarki_feny_elorejelzes/
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.
Az oxigénatom lumineszkálása 558 nm szinglett gerjesztett állapot ( 1 S) szinglett gerjesztett állapot ( 1 D) 630 nm triplett alapállapot ( 3 P) O atom
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
Sarki fény: miért csak a sarkok közelében? A föld mágneses tere eltéríti ezeket a részecskéket, azok csak a pólusoknál juthatnak be.
Déli sarkon is: aurora australis A NASA IMAGE satellite felvétele (2005. szeptember 11.) (a föld csak alá van montírozva!)
Kemilumineszcencia Kísérlet: 2 OH _ + Cl 2 OCl _ + Cl _ + H 2 O H 2 O 2 +OCl _ = H 2 O + Cl _ + O 2 (szinglett)
Kísérlet: Kemilumineszcencia Intenzitás 200 400 600 800 1000 Hullámhossz / nm
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
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)
Az O 2 - O 2 komplex lumineszkálása + szinglett gerjesztett állapot 703 és 633 nm + triplett alapállapot O 2 + O 2
Kemilumineszcencia: általános mechanizmus
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: http://www.dingwerth.de/bjoern/chemistry/xmasvl.html
Dioxetán kemilumineszcenciája
Luminol kemilumineszcenciája
Biolumineszcencia Erdei Norbert: Utolsó este II. díj, Nimród Magazin fotópályázata
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)
A luciferin reakciójának mechanizmusa
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
Mi befolyásolja a kibocsátott fény színét? Tehát a környezet polarizációs hatása, illetve a hidrogénkötések hol egyik, hol másik formát stabilizálják
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
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)
Van közös bennük?
Van közös bennük? Gerjesztett atomi vagy molekuláris állapotok fény kibocsátásával kerülnek vissza alapállapotba Oxigén jelenléte Elméleti háttér
Biolumineszcencia Észak-amerikai szentjánosbogár
Biolumineszcencia Mélytengeri lámpáshal (Chaenophryne longiceps) forrás: http://www.lifesci.ucsb.edu/~biolum
Biolumineszcencia Nyíl kukac forrás: http://www.lifesci.ucsb.edu/~biolum
Biolumineszcencia Bambusz-korall forrás: http://www.hboi.edu
Biolumineszcencia forrás: http://earthguide.ucsd.edu
Biolumineszcencia Vasút-kukac: két színben lumineszkál
Biolumineszcencia Planktonok virágzása (dinoflagellates) forrás: http://www.livescience.com/14865-bioluminescent-creatures-gallery.html
Biolumineszcencia Medúza (Aequorea victoria) forrás: http://www.lifesci.ucsb.edu/~biolum
Köszönöm a lehetőséget! Köszönöm a figyelmet! www.meetthescientist.hu 69 26