Elektroner, spin og kvantemekanikk i eksitasjon
Med Newtons lover, Einsteins generelle og spesielle relativitetstetori samt Maxwells ligninger har menneskene idag ganske stor forståelse av hvordan makrokosmos er skrudd sammen, men når man beveger seg inn i mikrokosmos hvor kvantedynamikk, kvantefeltteori og matematikk overtar dukker det opp mange uforståelige fenomener. Skal man kunne forklare i detalj hvordan lys i fotosyntesen blir omdannet til kjemisk energi og reduksjonskraft kommer man ikke unna kvantemekanikk. Lys og elektroner som både bølge og partikkel. Hva er egentlig elektroner ? Protoner , hva er det ? Innen biologi snakker vi friskt om protongradienter koblet til elektrontransport og redoksreaksjoner, men vet vi egentlig hva vi snakker om ? Vi bruker elektroner hver dag. Vekselstrøm med en fase ca. 16000 volt til NSB-togene. To faservekselstrøm i stikkkontakten (240V, 50Hz) eller kanskje trefase stikkkontakt til utstyr som trenger mye strøm). For å kunne beskrive hva vekselstrøm er må man ta ibruk kompleksplanet i matematikk Eller elektroner i batterier med likestrøm, likestrøm laget fra vekselstrøm i en likeretter før strømmen går inn i datamaskinen, nettbrettet eller mobiltelefonen, eller ca. 760 volt likestrøm til T-banenettet i Oslo. I Peltonturbinen i vannkraftverket Faraday-induksjon. Eksitasjon i solcellepanelet . Elektronene inngår i elektrontransportkjeder i alt levende liv og er forutsetning for alt levende. Elektronene med spin (+1/2 og -1/2) plassert i par i orbitaler (sannsynlighet for å treffe et elektron rundt en atomkjerne i et atom eller molekyl. Heisenbergs usikkerhetsprinsipp. Elektroner som kan passere gjennom kvantetunneler. Sammenfiltring av elektroner eller sammenfiltring av fotoner. Kvantesuperposisjon og bevegelse av bølger. Hm. Hvilken vei beveger eksitasjonsenergien seg i det lyshøstende pigment-proteinkomplekset fram til reaksjonssenteret i fotosyntesen ?
Luminiscens
Luminiscens (l. lumen - lys; escentia - prosess) skyldes elektromagnetisk stråling (fotoluminiscens), kjemiske reaksjoner (kjemiluminiscens), elektroluminscens (fra elektronstrøm eller elektrisk felt) eller mekanisk påvirkning (mekanoluminiscens), katodeluminiscens (bombardering med katodestråleelektroner, katodestrålerøret i"tjukkas-TV'er), radioluminiscens fra ioniserende stråling, termoluminiscens fra absorbert varmestråling (dosimetere), sonoluminiscens (ultralyd). Bioluminiscens er en type kjemiluminscens.
Man må skille lysutsendelse fra luminiscens og lys fra inkandescens (høy temperatur). Inkandescens (gløding) er utsendelse av elektromagnetisk stråling fra et varmt objekt, hvitglødende, rødglødende. For eksempel en glødende wolframtråd i en glødelampe, glødende jern, glødende lava , fusjonsreaksjon i Sola. Svart legeme med utsendelse av elektromagnetisk stråling avhengig av temperatur over det absolutte nullpunkt (-273.16oC, 0K)
Utsendelsen av eksitasjonsenergi når elektronet faller tilbake til grunnstanden kan skje umiddelbart i form av fluorescens, eller fosforescens som er en mer langvarig prosess, samt i termisk energi og indre omvandlinger. Lys (fotoner) og elektroner har en dikotom natur, de kan betraktes både som en bølge og en partikkel, bølgenatur og partikkelnatur. Eksitasjon i et molekyl påvirker meget raskt tilstanden til elektronet, men også virbrasjons- og rotasjonsenergien til de større atomene som inngår i molekylet. I damplamper vil natriumdamp sende ut gult lys (høytrykksnatriumlamper som veilys), mens kvikksølvdamp sende ut blått lys, jfr. lysstoffrør med et fosforecerende belegg på innsiden av røret.
Fluorescerende gule vester. Fluorescens fra gul merkepenn. Fosforescens (glød) fra "stjerner" festet i taket på et barnerom. Selvvysende. Fotoluminiscens fra zinksulfid. Fluorescens fra zinksulfid (ZnS) og kobber (Cu).
Lysutsendelse fra eksiterte elektroner
Eksempler på eksitasjon av elektroner som kan gi lysutsendelse er:
1) Absorbsjon av lysenergi i klorofyll i fotosyntesen (klorofylleksitasjon). Hvis den eksiterte tilstanden av det ene eksiterte elektronet i et orbital med to elektroner ikke gir spinreversering, det vil si både det gjenværende elektronet og det eksiterte elektronet beholder sitt opprinnelig spin, kalles tilstanden et singlettstadium (alle elektronene i orbitalene har motsatt spin). Hvis det skjer spinreversering kalles det et triplettstadium. Avhengig av de kvantifiserte energimengdene i fotonene kan det være flere eksiterte stadier, med sine undernivåer avhengig av vibrasjoner, rotasjoner og ekstiasjonsstadier.
2) Förster energiresonansoverføring av eksitasjonsenergi mellom pigmentmolekyler.
3) Partikkelstråling fra Sola (solvind) som treffer atmosfæreatomer og molekyler med oksygen eller nitrogen og gir nordlys eller sørlys.
4) Pyroteknisk fyrverkeri.
6) Kjemiluminiscens
7) n- og p-dopete halvledere i lysemitterende dioder (LED). Mellom valensbånd og konduksjonsbånd for elektronene i et fast stoff med sammenhengende molekylorbitaler er det et båndgap (avstand mellom toppen av valensbåndet og bunnen av konduksjonsbåndet). Båndgapet er stort hos isolatorer, lite i halvledere og minst eller ikke-eksiterende i elektriske ledere (det vil si valensbånd og konduksjonsbånd overlapper hverandre (båndgapteori). Analogt for HOMO (høyeste opptatte molekylorbital) og LUMO (laveste ledige molekylorbital) for eksitasjon i molekyler.
8).Triboluminiscens fra friksjon eller brudd av kjemiske bindinger (fraktoluminiscens). Gni eller knuse kvartskrystaller. Rav og statisk elektrisitet. Piezoluminiscens.
9) Fotoluminiscens hvor et foton fra synlig lys blir absorbert av et elektron i et molekyl, en eksitasjon, og lysutsendelse når elektronet vender tilbake til grunntilstanden.
Aurora borealis (Nordlys) og Aurora australis (Sørlys)
Nordlys og Sørlys er utsendt eksitasjonsenergi for partikkeleksitert oksygen eller nitrogen i den øvre atmosfæren. Når en ladet partikkel (elektron) fra partikkelstrålingen (solvinden) fra Sola kolliderer med et elektron i et av nitrogen- eller oksygen-atomene i gassene i atmosfæren, så vil bevegelsesenergien i kollisjonen flytte et elektron i oksygen eller nitrogen til en høyere energitilstand, og atomet blir eksitert. Når elektronet faller tilbake til grunntilstanden sendes eksitasjonsenergien ut som et lyskvant. Eksitert oksygen sender ut grønt (557.7nm og rødt lys (630 nm (nanometer)), mens eksitert nitrogen sender ut elektromagnetisk energi til blått og dyprødt (600-700 nm) lys. Vanligvis er nordlys gulgrønn farge.
Fotoluminiscens
...
Pyroteknisk eksitasjon (fyrverkeri)
Eksplosjonen i fyrverkeri gir gasser hvor elektronene fra metallsalter kan motta energi og bli eksitert. Når de eksiterte elektronen vender tilbake til grunntilstenden sender de ut lys. Gult fra svovel, blått fra kobber, grønn fra barium, strontium rød, strontium + kobber gir purpur. I fyrverkeri er det salter av forskjellige metaller som gir farge: natrium (gul), kobber (blå), barium (grønn), strontium (rød), magnesium som brenner (hvit), aluminium (hvit). Fargene er et resultat av eksitering av elektroner, det vil si at de har mottatt energi og befinner seg med økt sannsynlighet lenger fra atomkjernen, og når elektroner faller tilbake til grunntilstanden kan de sende ut energitapet som lysenergi. Magnesium som brenner sender ut intenst hvitt lys (jfr. elektronblitzpærer brukt i fotografering i "gamle dager".
Kjemoluminiscens
Rød, grønn, gul eller blå farge fra en lysstikke («glowstick», glødestikke) skyldes kjemiluminiscens. Røret inneholder vanligvis hydrogenperoksid (H2O2), en fenyloksalatester og et fargestoff som blir holdt fra hverandre inntil lysstikken brytes. I reaksjonen med hydrogenperoksid blir det dannet fenol og en ustabil syklisk peroksyforbindelse(peroksysyreester). Peroksider, R1-O-O-R2 , kan inneholde nok energi i bindingen mellom oksygenatomene slik at når bindingen brytes er det nok til å eksitere et elektron i fargestoffet, som deretter sender ut lysfluorescens under deeksiteringen.
Polititet kan bruke blå luminol (kobbersulfat og luminol) for å registrere blod (hemoglobin bundet til oksygen) på et åsted.
Lysutsendelse som resultat av gløding (inkandescens)
Høytemperatur lysutsendelse
I et stearinlys konveksjonsstrømmer frakter oksygen og brennbare stoffer (stearin). Aurora rundt Sola. Glødende metall.
Litteratur
Wikipedia