Энергетические состояния молекулы хлорофилла

Структура хлорофилла очень хорошо приспособлена для того, чтобы служить посредником в фотохимических процессах в ходе фотосинтеза. Хлорофилл является хорошим сенсибилизатором — легко возбуждается при поглощении света и обладает способностью передавать энергию (служить донором энергии) другим молекулам (акцепторам энергии).

В порфириновом ядре молекулы хлорофилла имеет место чередование. Эта система из 18 сопряженных двойных связей выполняет функции основного хромофора и отвечает за избирательное поглощение энергии света.

Время жизни возбужденного состояния у молекул хлорофилла может составлять 10^-8 с. Наиболее устойчивы те состояния атомов, в которых валентные электроны занимают самые низкие энергетические уровни и распределены по ним согласно принципу Паули, т. е. суммарный спин всех электронов атома равен 0. Это состояние называют основным синглетным (S = 0).

Если число электронов в атоме четное, но спины двух электронов параллельны, то полный спин равен 1 (S = 1), такое состояние называется триплетным. В световых реакциях фотосинтеза главную роль играет синглетное возбужденное состояние.

Если при поглощении кванта света спины электронов остаются антипараллельными, молекула хлорофилла переходит в синглетное возбужденное состояние(S 1 или S 2). Синглетное возбужденное состояние S 2 очень нестабильно, электрон быстро (за 10^-12 с) теряет часть энергии в виде тепла и переходит на нижний уровень (S 1), где может находиться в течение 10^-9 — 10^-8с. Возвращение в исходное состояние молекулы хлорофилла может происходить несколькими путями.

Во-первых, отдав часть энергии в виде тепла и излучив квант света, молекула может перейти в основное состояние (S 0). Такое явление называется флуоресценцией. Длина волны флуоресценции больше соответствующих длин волн поглощения.

Во-вторых, в синглетном возбужденном состоянии S 1 может произойти изменение знака спина электрона, при этом молекула хлорофилла переходит в метастабильное триплетное состояние (Т), имеющее гораздо большее время жизни — порядка 10^-5 — 10^-3 с. Согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне не может быть двух электронов с одинаковыми спинами. Это не позволяет возбужденному электрону в триплетном состоянии занять электронную "дырку" на основном энергетическом уровне (S 0) до тех пор, пока не произойдет смена знака спина.

Из триплетного состояния молекула может вернуться в основное энергетическое состояние, излучив квант света более длинноволновый, чем при флуоресценции. Такое свечение называют фосфоресценцией.

В-третьих, энергия синглетного возбужденного состояния молекулы хлорофилла может быть использована в ходе фотосинтеза в фотохимических реакциях и трансформироваться в энергию химических связей органических соединений.

Дата добавления: 2017-02-01