Свойства и физическую природу света, а также взаимодействие света с веществом рассматривают в разделе физики - физическая оптика.

Свет - это излучение. Тела, от которых исходит свет, являются источниками света. Источники света подразделяются на:

• естественные - Солнце, звезды, атмосферные разряды, а также светящиеся объекты животного и растительного мира (светлячки, гнилушки и пр.)
• искусственные - подразделяются в зависимости от способа получения излучения
  • тепловые - электрическая лампочка, пламя газовой горелки, пламя свечи и др.
  • люминисцентные - газосветные и люминисцентные лампы

Представления о природе света в течение длительного времени постоянно изменялись. В настоящее время на основании световых явлений установлено, что свет представляет собой:

• излучение электромагнитной волны (волновая теория света) [показать] .

  Волновая теория света

  Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра электромагнитного излучения - инфракрасную и ультрафиолетовую. Различные участки спектра электромагнитного излучения отличаются друг от друга длиной волны λ (лямбда) и частотой ν (ню) - величинами, характеризующими не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного излучения.

  Электромагнитный спектр принято делить на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Эти участки спектра различаются не по своей физической природе, а по способу генерации и приема излучения. Поэтому между ними нет резких переходов, сами участки перекрываются, а границы между ними условны.

  Радиоволнами называются электромагнитные излучения, длины волн которых превосходят примерно 0,1 мм. Их принято делить на:

  1. сверхдлинные волны с длиной волны λ > 10 км (частота ν < 30 кГц);
  2. длинные волны (λ = 10-1 км, ν = 30-300 кГц);
  3. средние волны (λ = 1 км-100 м, ν = 300 кГц-3 МГц);
  4. короткие волны (λ = 100-10 м, ν = 3-30 МГц);
  5. ультракороткие волны (λ < 10 м, ν > 30 МГц).

     Последние в свою очередь принято подразделять на метровые, дециметровые, миллиметровые и субмиллиметровые или микрометровые.

     Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть, микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ).

  Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать феноменологически без учета атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. Практически не сказываются и квантовые свойства радиоизлучения.

  Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения составляют так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством методов и приборов, применяющихся для ее исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусировки излучения, призмы, дифракционные решетки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).

  Оптический спектр занимает диапазон от условной границы инфракрасного излучения (λ = 2 мм, ν = 1,5 · 10¹¹ Гц) до условной коротковолновой границы ультрафиолета (λ = 10-8 см = 10 нм, ν = 8 · 10¹⁶ Гц), что составляет примерно 18 октав.

  Октавой называется интервал частот между произвольной частотой ω и ее гармоникой 2ω.

  Видимое излучение занямает приблизительно одну октаву (λ = 400-760 нм), ультрафиолет - 5 октав (λ = 10-400 нм), инфракрасное излучение - 11 октав (λ = 760 нм-2 мм). В оптической области спектра частоты ν уже перестают быть малыми ло сравнению с собственными частотами атомов и молекул, а длины волн большими по сравнению с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По той же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.

• поток световых частиц - излучение корпускул, именуемых также фотонами или квантами излучения (квантовая теория света) [показать] .

  Квантовая теория света

  Энергия светового кванта (каждого фотона) определяется выражением Е = hν = hс/λ (1.1),
  где h=6,63 · 10^-27 эрг · с - постоянная Планка, с - скорость света (3 · 10¹⁰ см/сeк), λ - длина волны.

  Энергия фотона, т.е. работа, которую он может произвести, обратно пропорциональна длине волны. Полезно заметить, что для длины волны λ = 1000 нм энергия соответствующего кванта составляет Е≈1,23 эВ, или приблизительно один электрон-вольт. На концах видимого спектра (λ_кр=760 нм, λ_фл=400 нм) для энергии кванта формула (1.1) дает Е_кр≈1.6 эВ, Е_фл≈3 эВ, т.е. коротковолновое излучение (фиолетовый свет) обладает большей энергией, чем длинноволновое (красный свет).

  В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных частиц. Характерные энергии гамма-квантов - порядка одного или нескольких МэВ.

  Границы областей рентгеновского и гамма-излучения, в особенности коротковолновые, могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ-1 МэВ (λ = 50-10^-3 нм), а энергия гамма-квантов - больше 0,1 МэВ (λ < 10^-2 нм).

  Следует заметить, что волновые и квантовые закономерности являются общими для всего спектра электромагнитного излучения. Только, в зависимости от длины волны, на первый план выступают разные явления, разные методы исследования и разные практические применения.

Таким образом, 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 проявлет себя и как волна; свету различного цвета (т.е. разным областям спектра) присуща определенная длина волны, или частота.

Для нашей планеты наиболее важным источником света является лучистая энергия Солнца, которая возникает из ядерной энергии: при очень высоких температурах в недрах Солнца атомы водорода превращаются в атомы гелия, что сопровождается освобождением энергии первоначально в виде гамма-лучей. Реакция протекает согласно уравнению 4Н -> Не⁴ + 2е + hν,
где h - постоянная Планка, а ν - длина волны гамма-излучения. В конечном счете в результате взаимодействия гамма-лучей с электронами снова выделяется энергия в виде фотонов световой энергии, которая испускается Солнцем.

Достигая поверхности планеты фотоны световой энергии взаимодействуют с молекулами объектов окружающей среды и живыми организмами. В результате этого взаимодействия (столкновения кванта с молекулой) происходит либо испускание электрона, либо его переход на другую орбиталь, более удаленную от ядра (т.е. с большей энергией) [показать] .

Поглощение кванта света, например, металлической пластинкой, приводит к испусканию электронов, причем число испускаемых электронов пропорционально числу фотонов, достигших пластинки (на этом основано определение времени экспозиции в фотографии).

Переход электрона на новую орбиталь вызывает перераспределение электронного заряда в молекуле, химические свойства которой зависят от энергии связей и от плотности заряда в различных ее участках. Поэтому возбуждение электрона приводит к образованию новой молекулы, обладающей обычно большей реакционной способностью по сравнению с молекулой в основном состоянии. Такие молекулы способны участвовать в фотохимических реакциях.

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.

Различные объекты имеют различные спектры поглощения, по которым можно идентифицировать вещества, входящие в состав объекта (выделенные из растительной или животной клетки) и определить энергию перехода электрона с заполненной внутренней орбитали на незаполненную внешнюю. Для этого пропускают свет разной длины волны через раствор исследуемого вещества и отмечают длины волн, которые при этом поглощаются. Таким образом 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.

Живые организмы для своей жизнедеятельности поглощают лучистую энергию солнечного света и используют ее в различных фотобиологических процессах:

1. процессе фотосинтеза биологически важных соединений [показать] .

   Наиболее важное значение имеет фотосинтез углеводов, происходящий у зеленых растений, бактерий и водорослей. Фотосинтез углеводов является единственным биологическим процессом, при котором происходит увеличение свободной энергии всей биологической системы. Все остальные процессы в растительных и животных организмах протекают за счет потенциальной энергии химических связей, накапливаемой в фотосинтезирующих организмах при поглощении энергии солнечного излучения.

   Другим примером синтетического процесса может служить синтез основного фотосинтетического пигмента - хлорофилла - из его предшественника протохлорофиллидина. Этот процесс протекает почти мгновенно в первые секунды освещения этиолированных проростков растения.

   Процессы синтеза могут происходить и при действии излучения на более простые системы, например на смесь воды, углекислого газа, метана и аммиака. При этом могут образовываться жирные кислоты, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания. В последнее время эти реакции привлекают особое внимание исследователей, поскольку они могли служить источником возникновения жизни на Земле. Из вышеназванных простых соединений под действием энергий солнечных лучей могли синтезироваться полипептиды, нуклеиновые кислоты и другие вещества.

2. процессе, не связанном с увеличением энергии системы и химическим синтезом [показать] .

   Это такие процессы, как зрение животных, фототаксис, фототропизм и фотопериодизм растений. Это сложные и вместе с тем строго закономерные явления: движение частей растения навстречу солнцу, суточный и годовой ритмы и т. д. С помощью этих процессов осуществляется регуляция роста и развития растений. Роль названных явлений, происходящих с участием электромагнитного излучения, заключается в получении информации организмом об окружающей среде. Переносчиком информации в данном случае служит свет.

3. процессе, результатом которого является поражение живой структуры, деструкция биологически важных соединений [показать] .

   Как следствие деструктивных изменений происходит подавление жизнедеятельности организма. Все эти деструктивные изменения наблюдаются главным образом при поглощении фотонов коротковолнового ультрафиолетового излучения, обладающих большой энергией.

4. процессе, результатом которого является стимулирующее действие света [показать] .

5. процессе фотореактивации [показать] .

   Явление фотореактивации - снятие поражающего действия ультрафиолетового облучения при последующем облучении организма видимым светом. К этому относится также явление сверхслабого свечения тканей, возникающего в ходе биохимических реакций.

Реализация фотобиологического процесса осуществляется за счет фотохимических реакций [показать] для запуска которых необходимым условием является поглощение света объектом.

Стадии фотохимической реакции Первая стадия - световая Эта стадия представляет собой чисто физический процесс - поглощение одного фотона (одного кванта излучения) одной молекулой. Молекула переходит при этом в возбужденное состояние: А + hv -> А*, где А - молекула вещества, поглощающая свет (часто этой молекулой является молекула пигмента, например молекула родопсина или хлорофилла); А* - та же молекула, но в возбужденном состоянии после поглощения кванта излучения hv. Процесс возбуждения представляет собой акт запасания энергии молекулой. Электроны молекулы, участвующие в поглощении квантов, переходят при этом с основного энергетического уровня на более высокий уровень. Общая энергия молекулы повышается при этом на величину энергии поглощенного кванта. Процесс возбуждения молекулы обратим. Молекула может за очень короткое время (10-12-10-8 с) растратить запасенную энергию в тепло или высветить квант люминесценции и перейти в исходное невозбужденное состояние. Возбужденная молекула, обладая избыточным запасом энергии, может вступить в фотохимические реакции, которые в темноте термодинамически невозможны. Вступая во взаимодействие с окружающими молекулами, воспринимая или отдавая электрон, возбужденная молекула превращается в радикал, ион или ион-радикал. Образовавшиеся радикалы и ион-радикалы называются первичными восстановителями или первичными окислителями. На этом условно световая стадия фотохимической реакции заканчивается. Вторая стадия - темновая Образовавшиеся первичные восстановители и первичные окислители - радикалы - содержат неспаренные электроны на внешних орбитах и поэтому обладают высокой химической активностью. Они способны уже в темноте осуществлять окислительно-восстановительные реакции. Первичные восстановители и первичные окислители вступают в сопряжение с биохимическими реакциями и изменяют их. Изменение биохимических реакций приводит к изменению общефизиологического состояния организма и к совершению какого-либо физиологического акта.

Таким образом, всякий фотобиологический процесс можно представить следующей схемой: поглощение квантов - фотохимические реакции - химические и биохимические реакции - физиологический акт. В качестве физиологических актов можно назвать следующие: выделение кислорода при фотосинтезе, движение листьев у растений навстречу солнцу, реакция животного на освещение, гибель организма при сильном облучении и т.д.

Приведенный путь фотобиологического процесса является не единственным. Энергия возбужденной молекулы может расходоваться еще по нескольким направлениям (рис. 3.), кроме основного, рассмотренного выше:

1. высвечиваться (люминесценция);
2. переходить в тепло;
3. передаваться другой молекуле (миграция энергии);
4. молекула может переходить в триплетное состояние. После миграции энергии или перехода молекулы в триплетное состояние снова могут происходить дальнейшие фотохимические превращения.

Страница 1 2 3 4 5 6

всего страниц: 6