Lysabsorbsjon

Lysabsorbsjon - Bare lys som absorberes kan være aktivt i en fotokjemisk prosess (Gotthaus- Draper prinsippet). Dette gjelder også for fotobiologiske fenomener hvor det trengs et molekyl som kan absorbere lys - et pigment. Plantene inneholer en rekke pigmenter med for oss observert med karakterisitiske farger.

Den grønne fargen på blader skyldes en gruppe pigmenter kalt klorofyll. Klorofyll absorberer lys som brukes i fotosyntesen. Lys absorberes svært raskt av et pigment. I løpet av 10-15 sekund er energien til et absorbert foton overført til et pi-elektron i pigmentet og dette elektronet kommer opp i et høyere energinivå, og pigmentmolekylet kalles å være i eksitert tilstand (klorofylleksitasjon). Klorofyllmolekylet kan eksiteres til energinivåene første singlett (med rødt lys) eller andre singlett (med blått lys) avhengig av bølgelengden til lyset. Det er p-elektroner i konjugerte karbon-karbon dobbeltbindinger i klorofyllmolekylet som blir eksitert og siden det er flere av dem kan de absorbere fotoner med forskjellig energi. Et foton kan bare bli absorbert hvis det har et energiinnhold som tilsvarer energien som trengs for å heve energinivået til et elektron til et tillatt energinivå dvs. et elektron kan ikke bare bli delvis eksitert.

Einstein-Starks lov for fotokjemisk ekvivalens sier at ett foton kan eksitere bare ett elektron. I tillegg kan et elektron eksistere i en rekke eksitasjonstrinn kalt vibrasjonsnivåer og rotasjonsnivåer. Det eksiterte klorofyllmolekylet har meget kort levetid, et nanosekund (10-9 s). Ekstiasjonsenergien kan tapes som varme hvor det eksiterte elektronet gårtilbake til grunnivået. Energien kan sendes ut som fluorescens. For klorofyll er fluorescenslyset rødt. Energien kan overføres mellom pigmentmolekyler ved induktiv resonans eller strålingsløs overføring. Klorofyllmolekylene må da ligge nær inntil hverandre som i kloroplastmembranene. I noen tilfeller kan det eksiterte elektronet ved spinreversering danne et triplett klorofyll som har lenger levetid (10-3s). Energi fra triplett klorofyll kan bl.a. overføres til triplett oksygen som derved omdannes til singlett oksygen.

HOMO-LUMO og eksitasjon av pi-elektroner i konjugerte dobbeltbindinger

I et spektrofotometer kan man måle hvordan et stoff absorberer lys med forskjellig bølgelengde lambda (λ). Absorbsjonsmaksimum, lambda maksimum (λmaks) blir bestemt av antall konjugerte karbon-karbon dobbeltbindinger, alternerende –C=C-C=C- , og dobbeltbindingene må ligge ved siden av hverandre. De tilhørende pi(π)-elektronene i molekylet som befinner seg i pølseform mellom karbonatomene i dobbeltbindingen. Atomkjernene i karbon har positiv ladning og frastøter hverandre, mens pi-elektronene trekker atomene sammen, slik at i sum blir det vibrasjoner og elektriske felt i molekylet.  Hvis et stoff har n dobbeltbindinger har molekylet i alt 2n pi-elektroner. Pi-elektronene, har i motsetning til sigma-elektroner som inngår i kovalente bindinger, ingen fast plass mellom atomene men kan forflytte seg i molekylet og bidra til resonansstabilisering. Elektronene befinner seg i molekylorbitaler, som angir sannsynlighetstettheten for å treffe på et elektron.  og i hvert pi-orbital er det plass to elektroner som har motsatt spin (π↑, π↓). De må ha motsatt spin siden alle de fire kvantetallene kan ikke være like. Plantehormonet etylen (eten) CH2=CH2 har en dobbeltbinding og har λmaks ved 180 nm. Jo flere dobbeltbindinger i molekylet, desto ved lenger bølgelengde får man λmaks.  Absorbsjonsmaksimum er et mål på hvor mye energi, ΔE, som er nødvendig for å kunne flytte (eksitere) et pi-elektron (π↑, π*↓) fra det fylte høyeste opptatte molekylorbitalet (HOMO) til det tomme laveste energi uopptatte molekylorbitalet (LUMO). π* er det eksiterte pi-elektronet. Etter hvert som antall konjugerte dobbeltbindinger øker i antall desto lavere blir energigapet ΔE som er nødvendig for å kunne gi et eksitert π-elektron. Klorofyll har 12 dobbeltbindinger (24 π-elektroner) hvor blå og røde lyskvanter gir mest effektiv eksitasjon, og blir derfor absorbert av molekylet, og som derved får grønn farge. Hem, som inngår i cytokromer som frakter elektroner i elektrontransportkjedene og hemoglobin i blodet som frakter oksygen og karbondioksid, har 13 dobbeltbindinger ((24 π-elektroner) og får derved en rød farge (den fargen som molekylet har blir ikke absorbert). Karotenoider som β-karoten guloransje farge , absorberer blått lys, og har 11 konjugerte dobbeltbindinger , mens lykopen som finnes i tomat har 14 dobbeltbindinger og får derved rød farge. Andre sidegrupper i molekylet kan også påvirke fargen slik som metyl-, metoksy-, aldehyd-, og keto-grupper, f.eks. i antocyaniner og betacyaniner som også har alternerende konjugerte karbon-karbon dobbeltbindinger. Når et foton har energi E som tilsvarer energigapet ΔE så kan energien til fotonet bli absorbert av et pi-elektron. Energien til fotonet er gitt ved frevensen nu (ν) og bølgelengden lambda (λ), hvor h er Plancks konstant og c er lyshastigheten:  

\(\nu=\frac{E}{h}\)

\(\lambda = \frac{hc}{E}\)

HOMO-LUMO

Et av elektronene i et π-orbital blir eksitert av et lyskvant med energi tilsvarende energigapet. Jo flere dobbeltbindinger, desto mindre er energigapet som er nødvendig for å kunne gi eksitasjon. Her er det tegnet bare et vibrasjonsnivå for grunnstilstand og eksitert tilstand, men det er flere for hvert nivå. Hvis ikke det eksiterte pi-elektronet inngår blir overført via resonans til andre molekyler, eller inngår i fotokjemi,  så faller elektronet raskt (10-9- 10-12 sekund) tilbake til grunntilstanden med utsendelse av fluorescens, varme eller fosforescens avhengig av energinivåer og type molekyl.

Lysabsorbsjon i vegetasjon

Lys er elektromagnetisk bølge med et oscillerende elektrisk og magnetisk felt.  Lys har en dualisme og kan betraktes både som bølge og partikkel. Et foton (kvant, lyspartikkel) har en bestemt (diskret) mengde energi (E):

\(E=h\nu\)

hvor h er Plancks konstant = 6.626∙10-34 J s, og frekvensen ν = svingninger per sekund (s-1).

Lysenergien  er omvendt proporsjonal  med  bølgelengden:

\(E=\frac{hc}{\lambda}\)

hvor λ er bølgelengden og c er lyshastigheten = 3108 m s-1. Bølgelengden er avstanden mellom to bølgetopper. Ofte angis energien til et mol fotoner (N) som er lik Avogadros tall = 6.022∙1023:

\(E=N\frac{hc}{\lambda}\)

Sollys er en strøm av fotoner med forskjellig frekvens. Representative bølgelengder i nanometer (nm) for de forskjellige fargene i lysspekteret (ROGGBIF) slik de oppfattes av vår hjerne er gitt i parentes: rød (660 nm), oransje (610 nm), gul (570nm), grønn (520 nm), blå (470 nm), indigo (430 nm) og fiolett (410 nm).

Når lys blir absorbert av pigmentene gjennom flere sjikt med bladverk avtar lysintensiteten I seg med tykkelsen og lysintensiteten hvor k er en absorbsjonskoeffisient eller ekstinksjonskoeffisient.

\(\frac {dI} {dx}=-kI\)

som har analytisk løsning:

\(I= I_0 e^{-kx}\)

hvor I0 er innkommen stråling på toppen av vegetasjonen. De forskjellige bølgelengdene av lyset blir absorbert i forskjellig grad ettersom lyset går gjennom vegetasjonen.

På lineær form:

\(\ln I = \ln I_0 - kx\)

Konstanten k varierer for forskjellige vegetasjonstyper, bladvinkler og solhøyde.

Tilbake til hovedside

Publisert 4. feb. 2011 10:34 - Sist endret 9. mai 2019 09:39