Fizika – Modern fizika
LUMINESZCENCIA A KÖZÉPISKOLÁBAN LUMINESCENCE IN EDUCATION Szakmány Csaba Premontrei Szent Norbert Gimnázium, Egyházzenei Szakközépiskola és Diákotthon, Gödöllő az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója
ÖSSZEFOGLALÁS A lumineszcencia érdekes természeti jelenség, amelynek iskolai bemutatása alkalmas lehet arra, hogy a diákok érdeklődését felkeltse s így figyelmüket a természettudományok felé fordítsa. A cikkben ennek a témának a fizikai és kémiai hátterén túl a jelenség élő természetben való előfordulása is bemutatásra kerül. LUMINESZCENCIA A KÖZÉPISKOLÁBAN Miért érdemes a lumineszcencia témakörével a középiskolában foglalkoznunk? Sokak számára érdekes a téma, nemcsak a mindig lelkes diákok érdeklődését keltik fel a világító tárgyak, állatok, hanem ezek bárkit lenyűgöznek. Az órán bemutatott kísérleteken túl a diákok otthon is végezhetnek vizsgálatokat. Az internet segítségével számos gyönyörű kép is bemutatható, megkereshető (akár tanórán, akár egyénileg otthon). Lumineszcenciával több helyen is találkozunk a hétköznapokban, így a diákok számára ismerős a jelenség. Feltételezhető, hogy érdekli őket, mitől világítanak az egyes tárgyak vagy például a szentjánosbogár. A lumineszcenciás fénykibocsátás fizikai hátterével való megismerkedés során bővül a diákok ismerete. Egy ilyen jelenség vizsgálatával a tanult anyagrészeket (atomi energiaszintek, abszorpció, emisszió) elmélyíteni és alkalmazni is tudják. Mindezek ellenére lumineszcenciáról a középiskolában sem fizikaórán, sem más természettudományos tantárgy tanóráján nem tanulnak a diákok. A témával való foglalkozás a diszciplináris ismeretek bővítésén túl lehetőséget ad a fizika, kémia, biológia közötti kapcsolódási pontok feltárására és felhasználására. Így az egyik tanórán tanult ismereteket a diákok a másikon is alkalmazni tudják, interdiszciplináris szemléletük kialakul. Természetesen az amúgy is szűkös időkeret mellett nem várható el a fizika, kémia vagy biológia tananyagnak a lumineszcenciával való bővítése (legfeljebb egy-egy példa felhozható érdekes illusztrációként), de remek ötlet természettudományos szakkörre, vagy önálló diákkutatások témájául. Végül, fontos megemlíteni, hogy a lumineszcencia egyes vonatkozásai, jelenségei, ma is kutatott terület a tudományban és lényeges felfedezésekhez vezetnek. A LUMINESZCENCIA MEGHATÁROZÁSA, FELOSZTÁSA A lumineszcencia az anyagok olyan fénysugárzása, mely nem hőközlés hatására történő gerjesztés következménye. A kisugárzott fényt szokták – nem egészen helytállóan – „hideg fény”-nek is nevezni, mivel nem a hőmérsékleti sugárzás eredményeképp, magas hőmérsékleten kibocsátott fény.
289
Fizika – Modern fizika A lumineszcencia kiváltó oka sokféle lehet: mechanikai hatás, elektromágneses sugárzás, töltött részecskével való ütközés, kémiai reakció stb. A fénykibocsátásban viszonylag kevés számú atom, részecske vesz részt: ezek az említett hatások következtében gerjesztett állapotba kerülnek és alapállapotba való visszatérésük során az energiát fény formájában sugározzák ki. Sokféle szempont szerint csoportosíthatók a lumineszcencia típusai, az egyik lehetséges felosztás az alábbi:
fotolumineszcencia: a gerjesztést fény besugárzása végzi; kemilumineszcencia: kémiai reakcióban jön létre a gerjesztett állapotú köztitermék; biolumineszcencia: a lumineszcencia (elsősorban fotolumineszcencia és kemilumineszcencia) élő szervezet által történő megvalósítása; katódlumineszcencia: a gerjesztés elektronokkal való ütközés következménye; elektrolumineszcencia: elektromos térbe helyezett kristályok fénykibocsátása; tribolumineszcencia: kristályok mechanikai hatásra (törés, dörzsölés) történő fénykibocsátása.
A cikkben (terjedelmi korlátok miatt) részletesebben az első három típussal foglalkozom. FOTOLUMINESZCENCIA A fotolumineszcencia a fénykibocsátásnak az a típusa, amikor a gerjesztést megfelelő energiájú fény besugárzása végzi. A beeső fény hatására az anyag részecskéi (elektronjai) gerjesztett állapotba kerülnek, innen kvantumátmenettel (a két energiaszint közti átlépéssel) kerülnek vissza alapállapotba. A Stokes-szabály értelmében a kibocsátott fény hullámhossza nagyobb, mint az abszorbeált gerjesztő fényé. Azaz a befektetett energiánál kisebb energia sugárzódik ki fényként, a többi hővé alakul. A fotolumineszcenciának két altípusa a fluoreszcencia és a foszforeszcencia. a) Fluoreszcencia esetén a fénykibocsátás csak addig tart, amíg a gerjesztés is tart, azaz amíg a megvilágító fény a tárgyra esik. A gerjesztés megszűnése után a fénykibocsátás azonnal (pontosabban kevesebb, mint 10-3 s alatt) megszűnik. A fluoreszcenciát okozó elektronátmeneteket az ún. Jablonski-diagramon ábrázolják: ezen függőlegesen egymás felett helyezkednek el (arányos távolságra) az egyes elektronállapotok energiaszintjei (vastag vonallal), felette (nem arányosan) az ezekhez tartozó rezgési energiaszintek. (Ld. 1.A ábra.) Fluoreszcencia esetén a gerjesztett állapotú molekula a többi molekulával ütközve kis adagokban folyamatosan veszít energiájából, így lefelé „lépked” a rezgési energiaszintek létráján. Azt a nagyobb energiát, amit az alapállapotba való kerüléshez le kell adnia, a környező atomok és molekulák nem feltétlenül tudják felvenni, így spontán emisszió következik be: az energia látható fény formájában kisugárzódik. A fluoreszcencia jelenségét tanórán könnyen, többféle anyagot is felhasználva mutathatjuk be. Elsötétített teremben világítsunk meg UV-fénnyel bankjegyeket, így láthatóvá válnak a biztonsági jelölések, ezeket ugyanis fluoreszcens anyaggal nyomtatják a papírra. Tegyünk ki UV-besugárzásnak mosóport vagy fehér ruhát: optikai fehérítőtartalmának köszönhetően fehér fényt bocsát ki a mosópor és a vele mosott ruha is, ettől látjuk ragyogóan fehérnek (nem csak a tisztaságtól). A tonikban található kinin szintén gerjeszthető UV-fénnyel, a diákoknak bemutathatjuk, hogy ennek hatására a színtelen üdítőital kékesfehér fényt bocsát ki. A fluoreszcenciát a kutatásokban a vizsgált minta anyagi összetételének meghatározásához, illetve fizikai/kémiai/biológiai folyamatok (időbeli) lefutásának vizsgálatához használják (pl. fluoreszcens anyagot nyomjelzőként alkalmazva). b) Foszforeszcencia esetén a fénykibocsátás a gerjesztés megszűnte után akár órákig is tart. Ennek oka, hogy a besugárzott energia abszorpciója után az alapállapotba való visszatérés két
290
Fizika – Modern fizika lépésben történik (ld. 1.B ábra). Az első egy viszonylag gyors energiaátmenet egy köztes energiaszintre: ez a fluoreszcencia kvantumátmeneteire hasonlít, de ez az energia nem fény, hanem hő formájában sugárzódik ki. Az alapállapotba történő visszatérés ezután sokkal lassúbb folyamat, a köztes energiaszinten ugyanis az elektron „csapdázódik”: az alapállapotba való visszatérésének energiaátmenetét a kvantummechanika ún. kiválasztási szabálya tiltja. A kiválasztási szabály a fizika megmaradási törvényeinek a kvantummechanikában való megnyilvánulása. Kimondja, hogy csak olyan energiaszintek közötti átlépés lehetséges, melyek során az egyes (különböző fizikai mennyiségekkel arányos) kvantumszámok meghatározott értékkel változnak. Emiatt csak ritkán, ezért időben elnyújtva történik egy-egy átmenet egy másik kvantummechanikai effektus, a spin-pálya csatolásnak köszönhetően. A kétlépcsős átmenet következménye, hogy az energiaveszteség nagyobb, mint fluoreszcencia esetén, a kibocsátott fény hullámhossza jóval nagyobb a besugárzóénál (azaz itt is érvényesül a Stokes-szabály). A foszforeszcencia jelenségét tanórán is bemutathatjuk, ha előzetesen látható vagy UVfénnyel besugárzunk foszforeszcens anyagokat, pl. bizonyos órák számlapjait, egyes (főleg régi típusú) villanykapcsolókat, játékboltban kapható „glow-in-the-dark” tárgyakat, csillag vagy földgömb alakú szobadíszeket. A E1 = hν1
B E2 = hν2 < E1
E1 = hν1
E2 = hν2 < E1
1. ábra: A fluoreszcencia (A) és a foszforeszcencia (B) ún. Jablonski-diagramja sematikusan A fluoreszcencia és foszforeszcencia jelenségét a diákok akár otthon is megvizsgálhatják, hiszen egyes műszaki üzletekben kapható UV-lámpa. Az UV-lámpával való kísérletezés során oda kell rá figyelni, hogy az UV-sugárzás soha ne irányuljon senki szemébe! Ez ugyanis kötőhártya-gyulladást, szemkárosodást okozhat! Erre a diákok figyelmét is hívjuk fel az otthoni kísérletezéssel kapcsolatban! KEMILUMINESZCENCIA A kemilumineszcencia olyan fénykibocsátás, melyben a gerjesztést nem külső besugárzás végzi, hanem két (vagy több) anyag kémiai reakciójában eleve gerjesztett állapotú köztitermék jön létre. A gerjesztett állapot megszűnése során történik a látható fény kisugárzása. A jelenség jellemzője, hogy hő csak kismértékben fejlődik, a leadott energia főleg fény formájában jelenik meg. A reakció hatásfokát enzimek még tovább tudják növelni. A kemilumineszcencia iskolai bemutatására több lehetőségünk is van. Az egyik legegyszerűbb, ha a játékboltokban, horgászboltokban kapható (vagy internetről rendelhető) világító pálcákat, „partyrudakat” használjuk. Ezekben kétféle vegyület van egymástól térben elválasztva: a külső nagyobb, rugalmas hengerben az egyik, ezen belül egy kisebb, törékeny kapszulában a másik. A pálcát meghajlítva és megrázva a belső kapszula eltörik, a két anyag keveredik s így több órán át látható fényt bocsát ki. Sok gyártó sokféle színű pálcákat készít, a felhasznált anyagok általában mégis egyformák: a belső kis kapszulába hidrogén-peroxidot (mint oxidálószert), a külső hengerbe valamilyen fenil-oxalát-észter (pl. bisz(2,4-dinitrofenil)-oxalát (DNPO) vagy bisz(2,4,6-triklorofenil)oxalát (TCPO), ld. 2. ábra) és fluoreszcens anyag oldatát töltik. A kémiai reakcióban a DNPO vagy a TCPO oxidálódik a hidrogén-peroxid hatására, a felszabaduló energia gerjesztett 291
Fizika – Modern fizika állapotba hozza a fluoreszcens anyagot, ami látható fényt sugároz ki. A fluoreszcens anyagtól függ, hogy a világítópálca milyen színű fényt bocsát ki.
2. ábra: A DNPO és a TCPO szerkezeti képlete A kemilumineszcencia bemutatására másik lehetőségünk a luminol nevű molekula (kémiai neve: 3-amino-ftálsav-hidrazid, 3. ábra) oxidációja. A kísérlet végrehajtása: egy 1000 cm3-es főzőpohárba öntsünk kb. 40 cm3 desztillált vizet és oldjunk fel benne 0,8 g szilárd nátriumhidroxidot (NaOH). Adjunk hozzá spatulahegynyi luminolt és 25 g kálium-karbonátot (K2CO3), majd jól keverjük el az oldatot. Sötétítsük be a termet, állítsuk tálcára a főzőpoharat, és egyetlen mozdulattal öntsünk bele 30 cm3 30%-os hidrogén-peroxid-oldatot (H2O2). A főzőpohár tartalma felhabzik és kb. fél-egy percen át kéken világít.
3. ábra: A luminol szerkezeti képlete A jelenség magyarázata, hogy a luminol lúgos közegben hidrogén-peroxiddal reagáltatva gerjesztett állapotú köztitermékké alakul. Ez a felesleges energiáját látható fény formájában kisugározva kerül alapállapotba. Amellett, hogy ezt a reakciót a diákok gyönyörködtetésére, motiválására iskolában is elvégezhetjük, megemlíthetjük nekik, hogy a bűnüldözésben luminol-teszt néven fel is használják vérnyomok kimutatására. A reakciót ugyanis nehézfémionok (pl. réz, kobalt, vas stb.) katalizálják. A luminolt, nátrium-hidroxidot és hidrogénperoxidot egy beszáradt, szabad szemmel már nem látható, de feltehetően régebben létező vérfolt helyére permetezik. A vér hemoglobinjának vasion-tartalma elindítja a reakciót, s a véres lábnyom kb. 30 másodpercen keresztül világít, ami elegendő pl. a lefényképezéséhez. BIOLUMINESZCENCIA Biolumineszcenciának a természetben előforduló, élő szervezet által történő fénykibocsátást nevezzük. Általában fluoreszcencia vagy kemilumineszcencia révén valósulhat meg. Az előbbi, mivel külső megvilágító fényforrás kell hozzá, nem túlságosan elterjedt, nem is jelentős az élővilágban. Ez alól kivétel a kristálymedúza, orvosi felhasználása miatt. Ez az élőlény egy olyan fehérjét tartalmaz, mely UV-fény hatására zöld színnel fluoreszkál. A fehérje emberi és állati szövetekhez kapcsolható, így felhasználható rákos daganatok kiterjedésének meghatározására, sejtműködés követésére, idegműködés tanulmányozására. A 2008-as kémiai Nobel-díjat három kutató a kristálymedúza lumineszcenciájának feltárásáért és az eredmények alkalmazásának kidolgozásáért kapta. A kemilumineszcencia fontosabb jelenség az élővilágban, hiszen az így világító élőlények maguktól, önálló fényforrásként képesek világítani, ezért tanulmányozásuk érdekesebb lehet. E tulajdonság elsősorban éjszakai életet élő rovarokra és mélytengeri állatokra jellemző. Bár rengetegféle élőlény képes erre, a világítás mechanizmusa mindegyik fajnál ugyanaz. 292
Fizika – Modern fizika A kémiai reakció lényege, hogy egy luciferin nevű molekula magnéziumion (Mg2+), adenozin-trifoszfát (ATP) és oxigén (O2) felhasználásával, a luciferáz nevű enzim katalizálásával átalakul gerjesztett állapotú termékké, mely a „felesleges” (alapállapotú energiaszintnél nagyobb) energiáját látható fény formájában kisugározza. Vagyis ez a reakció oxigént igénylő (oxigént fogyasztó), energiatermelő (exoterm) folyamat. A reakcióban az energiából hő nem, hanem teljes mértékben fény keletkezik! Ezek után egy kis túlzással azt is mondhatjuk, hogy a lumineszkáló élőlények 21. századi fényforrások, hiszen a leadott energiájukat hőveszteség nélkül, teljes egészében fényként sugározzák ki, szemben az izzólámpák 2-5 %-os, az energiatakarékos fénycsövek 15-20 %-os, a LED-ek 20-80 %-os hatásfokával. (A felsorolt fényforrások által leadott összes energiának csak ennyi %-a fény, a többi hő.) Nyilván nem a szentjánosbogarak fogják megoldani az emberiség energiaigényét, de elgondolkodtató jelenlegi energiaválság-közeli világunkban, hogy a természetben már évezredek óta működik egy igen környezetbarát és igen gazdaságos világítási módszer. A természetben számtalan faj képes a lumineszcenciára, világításuk működési elve egyforma. A különbség köztük az, hogy milyen konkrét vegyületet „használnak” luciferinként és milyen enzimet használnak luciferázként. A 4. ábrán érdekességként a szentjánosbogár luciferinje szerepel.
4. ábra: A szentjánosbogár luciferinjének szerkezeti képlete BIOLUMINESZCENCIA ÉS EVOLÚCIÓ Nézzük végig ezek után, milyen szerveződési szinten levő élőlények esetén tapasztalható fénykibocsátás! Lumineszcenciára képesek egyes gombafajok, egysejtűek, baktériumok, férgek, szivacsok, medúzák, tintahalak, rákok, kagylók, csigák, rovarok. A felsorolás itt véget ér. Szembeötlő, hogy a fénykibocsátás képessége a gerinceseknél hiányzik. Ennek egyik lehetséges okát a tudósok abban látják, hogy a lumineszkálás biológiai szerepe a földi élet kialakulásának kezdetén egészen más volt, mint jelenleg. Kezdetben, amikor a Föld légköre (összetételének következtében) még redukáló hatású volt, a jelenlevő kis mennyiségű oxigén az akkor élt élőlények számára méregnek számított. Az oxigéntől kémiai reakció segítségével szabadulhattak meg. Ez azonban (mint minden oxidációs reakció) energia-felszabadulással jár, ami a legtöbb esetben hőfelszabadulás formájában következik be. Egy élőlény számára ez nem előnyös, hiszen testhőmérséklete túlságosan megnőne, az állat (vagy gomba) saját magát „felforralná”. Ezért csak olyan módon lehetséges az oxigén fogyasztása, hogy az energia más formában szabaduljon fel. Ennek egyik lehetséges megoldása, hogy „hideg fényként” sugárzódik ki. Később, amikor a Föld légkörének összetétele megváltozott és az oxigén túlsúlya miatt oxidáló hatásúvá vált, a lumineszkáló élőlények fénykibocsátó-képessége megmaradt, de ennek szerepe megváltozott: szaporodáshoz, prédacsalogatáshoz, álcázáshoz vagy meneküléshez használják. A gerincesek kialakulása az oxigéndús légkörben történt, nekik már nem volt szükségük az oxigéntől való megszabadulásra.
293
Fizika – Modern fizika BEFEJEZÉS A lumineszcencia jelenségének bemutatása, valamint fizikai, kémiai, biológiai hátterének középiskolai tárgyalása nemcsak a diákok érdeklődésének felkeltésére ad lehetőséget, hanem szakköri vagy tudományos diákköri témaként az interdiszciplináris szemléletmód kialakításához is hozzájárul. IRODALOMJEGYZÉK 1. Erostyák János et al.: Fizika III., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2006. 2. Atkins P. W.: Fizikai Kémia, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1998. 3. Nery A. et al.: Fluorescence and Chemiluminescence: Teaching Basic Principles by Simple Demonstration Experiments, Chemical Education Journal, Vol. 13, No. 2. 4. Timmins G. et al.: The Evolution of Bioluminescent Oxygen Consumption as an Ancient Oxygen Detoxification Mechanism, Journal of Molecular Evolution, 52:321–332 (2001). 5. Haddock, S.H.D.; McDougall, C.M.; Case, J.F.: The Bioluminescence Web Page, University of California, Santa Barbara (http://www.lifesci.ucsb.edu/~biolum/) 6. Tokumaru K. and Coyle J. D.: A Collection of Experiments for Teaching Photochemistry, Pure and Applied Chemistry, Vol. 64, No. 9, pp. 1343-1382 (1992). 7. Rózsahegyi M. – Wajand J.: 575 kísérlet a kémia tanításához, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1991. 8. Helmenstine A.: Luminol Chemiluminescence Test for Blood (http://chemistry.about.com/od/glowinthedarkprojects/a/luminolblood.htm) 9. Szilágyi Tibor: Fénypontok az éjszakában, Élet és Tudomány, 1997. október 24. (http://www.sulinet.hu/eletestudomany/archiv/1997/9743/feny/feny.html) (Minden internetes hivatkozásnál az utolsó megtekintés: 2011. szeptember 23.)
294
