Szalay Péter (ELTE, Kémia Intézet) Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

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



ELMÉLETI HÁTTÉR Newton kísérletei a napfénnyel:

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 = E2−E1 = 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 = E2−E1 = h 

A rendszer fény kibocsátásával visszakerül az alacsonyabb energiájú állapotba:

A GERJESZTETT ÁLLAPOT ÉLETTARTAMA VÉGES!!!!!

A fény és az anyag kölcsönhatása mikrohullám

infravörös

látható

UV

Röntgen

-sugárzás

kis frekvencia, nagy hullámhossz

nagy frekvencia, kis hullámhossz

méret

/ Hz

/m

rádióhullám

Látható színkép

infravörös sugárzás

UV fény hullámhossz / nm

Az oxigénmolekula elektronszerkezete 2p

2p

2s

2s

1s

1s O

O


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O

Az oxigénmolekula elektronszerkezete

konfiguráció

Az oxigénmolekula elektronszerkezete +

szinglett gerjesztett állapot (1Σg )

szinglett gerjesztett állapot (1Δg)

-

triplett alapállapot (3Σg )

konfiguráció

állapot

Az oxigénmolekula elektronszerkezete +

Energia



-


konfiguráció

állapot


2p

2s

2s

1s

1s O

O2

O

Az oxigénatom elektronszerkezete szinglett gerjesztett állapot (1S)

szinglett gerjesztett állapot (1D)

triplett alapállapot (3P)

konfiguráció

állapot

Az oxigénatom elektronszerkezete

Energia

szinglett gerjesztett állapot (1S)



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 szinglett gerjesztett állapot (1S)

558 nm


630 nm


O atom

Sarki fény (aurora borealis) Zöldes fény: O atom 1S → 1D átmenet Sötétpiros fény: O atom 1D → 3P átmenet Kék fény:

N atom 2D→ 4S átmenet Ibolya fény: N2 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 + Cl2 OCl + Cl + H2O _ _ H2O2 +OCl = H2O + Cl + O2 (szinglett)

Kemilumineszcencia

Intenzitás

Kísérlet:

200

400

600

800

Hullámhossz / nm

1000

Az oxigén lumineszkálása +


762 nm


1270 nm -


O2

Kemilumineszcencia Miért nem csak egy színt látunk? O2 (triplett) + hν (1270 nm) O2 (szinglett)

2 O2 (triplett) + hν (633 nm és 703 nm)

Az O2 - O2 komplex lumineszkálása

+

szinglett gerjesztett állapot

+

triplett alapállapot

703 és 633 nm

O2 + O 2

Kemilumineszcencia: általános mechanizmus

Közvetett kemilumineszcencia 2 O2 (szinglett) + fluoreszcens → 2 O2 (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 H

O N

H N

N H N H

O

N

CHO

NH 2

Latia Luciferin

NH Cypridina Luciferin

HO

O

N

O

N

N

N H Renilla Luciferin

NH

N HO

Chromophore of Aequorin

Néhány további luciferin molekula H

O N

H N

N H N H

O

N

CHO

NH 2

Latia Luciferin

NH Cypridina Luciferin

HO

O

N

O

N

N

N H Renilla Luciferin

NH

N 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

Szalay Péter (ELTE, Kémia Intézet) Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

Recommend Documents