Хімічна дія світла

Під дією електромагнітного випромінювання можуть відбуватися процеси, які викликають зміни властивостей речовин. Наприклад, багато органічних і неорганічних речовин під впливом світла змінюють свій колір, виявляючи фотохромізм. Це пояснюють тим, що, поглинувши квант світла, речовина переходить у новий стан, який характеризується іншим спектром поглинання або перебудовою валентних зв'язків у процесі фотодисоціації чи фотохімічної реакції.

Ґрунтуючись на квантовій гіпотезі світла, А. Ейнштейн сформулював два фотохімічні закони:

1) поглинутий речовиною фотон може викликати перетворення лише однієї молекули;
2) фотохімічна реакція відбувається за умови, що енергія фотона достатня для розриву молекулярних зв'язків, тобто не менша за енергію дисоціації.

Як відомо, хімічна дія світла є основою життя на Землі. Завдяки реакції фотосинтезу вуглеводів енергія сонячного проміння, яку несуть фотони, перетворюється на енергію життєдіяльності органічного світу, необхідну для поповнення його запасів. Цей процес досить складний і супроводжується численними вторинними біохімічними реакціями. Проте спрощено його фізичну суть можна подати так. Внаслідок поглинання фотонів зеленим листям молекула хлорофілу активізується, реагуючи з молекулою води, розкладає її на йони Гідрогену і кисень:

_світло

2H₂0 ———→ 2H⁺ + 2e^- + 2O₂ + H₂O.

^{фермент}

Реакція фотосинтезу вуглеводів відбувається під дією червоного проміння.

Під дією світла бромід срібла розпадається на енергетично збуджений атом Аргентуму Ад* і позитивний іон Брому Вг+:

AgBr + hv = Ag* + Br* + e^-

Врешті-решт кисень потрапляє в атмосферу, а Гідроген, вступаючи в реакцію з вуглекислим газом, утворює вуглеводи, завдяки яким формуються жири, білки та інші складові органічного світу, необхідні для життєвих циклів живої природи.

Властивість речовин реагувати на опромінення світлом покладено в основу виготовлення фотохромних матеріалів, які застосовують для реєстрування зображень, запису й обробки оптичних сигналів. Останнім часом широкого поширення набули полімерні матеріали і фотохромні світлочутливі плівки, що містять галогеніди Аргентуму (AgBr, AgCl), лужних металів (КСl, NaF) тощо. Зокрема, їх використовують в елементах оперативної пам'яті ЕОМ, для кольорового друку і фотографії, запису інформації на оптичних дисках тощо.

ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ

1. Яку енергію та імпульс мають фотони видимої частини спектру у найкоротших ( = 400 нм) і найдовших ( = 760 нм) світлових хвиль? Чому дорівнює їхня маса?

2. Яку довжину хвилі, масу та імпульс має фотон енергією 1 МеВ?

3. Яку швидкість має електрон, кінетична енергія якого дорівнює енергії фотона довжиною хвилі 600 нм?

4. Людське око має найвищу чутливість до зеленого світла ( = 550 нм). Воно починає реагувати на нього при потужності світлового потоку 2 • 10^-17 Вт. Скільки фотонів за 1 с потрапляє при цьому на сітчатку ока?

5. Яку кінетичну енергію і швидкість матимуть фотоелектрони, що вилітають з поверхні оксиду барію (A₀ = 1,2 еВ), якщо її опромінювати зеленим світлом довжиною хвилі 550 нм?

6. Робота виходу електрона з цезію дорівнює 1,9 еВ. Обчислити червону межу фотоефекту для Цезію. Якому кольору видимого світла вона відповідає?

7. Обчислити роботу виходу електронів для срібла в джоулях і електрон-вольтах, якщо його червона межа фотоефекту становить 260 нм.

8. Чи відбуватиметься фотоефект, якщо поверхню ртуті опромінювати світлом видимого діапазону випромінювання? Робота виходу електронів із ртуті дорівнює 4,53 еВ.

9. Яку запірну напругу треба подати на анод фотоелемента з вольфрамовим катодом, щоб струм у колі припинився, якщо на катод падає випромінювання довжиною хвилі 0,1 мкм?

ЗАПИТАННЯ

1. У чому виявляється хімічна дія світла? Чим це зумовлено?

2. Чому один фотон може викликати перетворення лише однієї молекули?

3. Поясніть фізичну суть реакції фотосинтезу.

УЗАГАЬНЕННЯ ТА СИСТЕМАТИЗАЦІЯ ЗНАНЬ З ТЕМИ "СВІТЛОВІ КВАНТИ"

В основу квантової фізики покладено гіпотезу М. Планка, яку він висунув у 1900 році для пояснення теплового випромінювання тіл: випромінювання енергії здійснюється певними мінімальними порціями — квантами, енергія яких пропорційна частоті випромінювання:

є = hn, де h — це стала Планка, n— частота випромінювання.

Пізніше А. Ейнштейн поширив квантову гіпотезу на світлові явища, пояснивши таким чином явище фотоефекту. За його тлумаченням, світловий квант — це мінімальна порція світлової енергії, локалізована в частинці, що називається фотоном.

• Фотон — це елементарна частинка, що характеризує квант світла hn; його імпульс дорівнює , а маса залежить від довжини хвилі електромагнітного випромінювання:

Фотон не має маси спокою (m₀ = 0) і його швидкість дорівнює швидкості світла с = 3 · 10^{8 м} _с. Таким чином, з точки зору квантової теорії світло — це потік фотонів, що рухаються зі швидкістю світла.

• Загалом світлу властивий корпускулярно-хвильовии дуалізм — воно має як неперервні, хвильові властивості, так і дискретні, корпускулярні.

• Одним із проявів корпускулярної природи світла є явища фотоефекту. Фотоефект є результатом трьох послідовних процесів: поглинання фотона, внаслідок чого енергія одного електрона стає більшою за середню; руху цього електрона до поверхні тіла; виходу його за межі тіла в інше середовище через поверхню розділу.

• Вивчаючи це явище, О. Г. Столєтов сформулював три закони фотоефекту:

1) кількість електронів, що вилітає з поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання, пропорційна його інтенсивності;

2) для кожної речовини залежно від її температури і стану поверхні існує мінімальна частота світла v₀, так звана червона межа фотоефекту, за якої зовнішній фотоефект ще можливий;

3) максимальна кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти опромінення і не залежить від його інтенсивності.

• Пояснюючи явище фотоефекту, А. Ейнштейн встановив співвідношення яке називається рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.

• Червона межа фотоефекту визначається лише роботою виходу і залежить від хімічної природи металу, наявності домішок і стану його поверхні:

• Явище фотоефекту знайшло широке практичне застосування в техніці завдяки використанню фотопровідності і фотоЕРС напівпровідників (фотоелементи, фоторезистори, фотодіоди тощо).

• Грунтуючись на квантовій гіпотезі світла, А. Ейнштейн сформулював два фотохімічні закони:
— поглинутий речовиною фотон може викликати перетворення лише однієї молекули;
— фотохімічна реакція відбувається за умов, якщо енергія фотона достатня для розриву молекулярних зв'язків, тобто не менша енергії дисоціації.

• Хімічна дія світла є основою життя.на Землі: завдяки реакції фотосинтезу вуглеводів енергія сонячного проміння, яку несуть фотони, перетворюється в енергію життєдіяльності органічного світу, необхідну для поповнення його запасів.

Дата добавления: 2014-01-06