07.05.09
Элементы квантовой биофизики
В основе обменных процессов лежат химические реакции, которые осуществляются за счет перегруппировки атомов. Первый этап носит чисто физический характер, связан с перераспределением электронов в атомах, которые занимают новые положения не только в ходе химических реакций, но и в биологических системах при поглощении света. Поэтому важным является представление о структуре атомов.
Любой атом состоит из ядра и расположенных вокруг него электронов. В ядре находятся протоны, имеющие положительный заряд, число протонов в ядре определяет атомный номер. Содержатся в ядре и нейтроны - нейтральные частицы, имеющие такую же массу, как и протоны. Сумма протонов и нейтронов составляют массовое число. Частицы, содержащиеся в ядре, - нуклоны. Имеются атомы, которые содержат одинаковые число протонов, но могут отличаться по содержанию нейтронов, такие атомы называются изотопами. Часть изотопов являются нестабильными и подвергаются распаду, представляют собой радионуклиды. Для атома водорода существует 3 изотопа: протий, дейтерий, тритий.
В атоме число электронов соответствует числу протонов, поэтому в целом атом электронейтрален. Электроны располагаются вокруг ядра, занимая определенное пространство,- атомная орбиталь. Протоны примерно в 2000 раз тяжелее электронов, но абсолютная величина электрического заряда одинакова. Из этого различия следует, что вся основная масса атома сосредоточена в ядре, так для водорода в ядре сосредоточено 99,95%, хотя по объему ядро занимает очень малую величину. Диаметр атома водорода 10-8 см, а диаметр ядра 10-13 см.
Электроны располагаются в атоме таким образом, что они стремятся занять положение с минимальным уровнем энергии. Электроны на орбиталях ближе к ядру испытывают энергетическое притяжение со стороны протонов.
Атомные орбитали могут иметь различную форму: ближайшая к ядру S орбиталь имеет шарообразную форму, P –гантелеобразную, а D и F орбитали имеют более сложные формы.
На каждой орбитали могут располагаться два электрона с противоположными спинами. Графически орбитали обозначаются клеточками, в которых стрелочками указываются электроны. Для орбитали обозначают номер и наименование значком этой орбитали.
Число электронов, которое может располагаться на орбитали – 2*n2, где n - номер орбитали. В атомах электроны последовательно заполняют атомные орбитали, ведут себя так, как пассажиры заходят в автобус, занимая места у окошек, а затем занимаются следующие свободные места.
Энергия орбиталей не является постоянной и изменяется при переходе от более легких к более тяжелым атомам. Данные процессы обусловлены наличием двух сил взаимодействия: сила притяжения между электронами и протонами, а на более удаленных орбиталях действуют силы взаимного отталкивания, поэтому в атоме происходит соревнование взаимодействия этих сил.
В результате поглощения энергии атомом электроны переходят на более высокие орбитали, в ходе запасается энергия, атом переходит в возбужденное состояние. Обратный переход электронов сопровождается излучением кванта:
∆E = E1- E2 = hv, где h = 6,62*10-34 Дж * с - постоянная Планка, v -частота изучаемого или поглощенного кванта.
λ = C / v, где С –скорость света, λ – длина волны.
∆E= hС / λ.
λ = h / mV, где m – масса, V – скорость.
Положение электронов, при котором они имеют самый низкий энергетический потенциал, соответствует основному уровню атома. Химические свойства атомов определяются строением наружной орбитали. Число электронов на наружной орбитали определяют группу в ПС. Часть электронов может находиться в спаренном, а часть в не спаренном состоянии. Спаренные электроны имеют противоположные спины, не спаренные являются одиночными, за счет них происходит взаимодействие атомов друг с другом и образование молекул. Образуются при этом ковалентные связи, которые являются прочными. Внутри молекул могут действовать разнообразные связи: ковалентные, дипольные и ионные, которые по энергетическому потенциалу меньше ковалентных.
В молекулах электроны на орбиталях находятся в спаренном состоянии и спиновый момент = 0 – синглетное состояние, когда все электроны спарены. Если молекулы имеют не спаренные электроны, то образуются монорадикалы - свободный гидроксил, метил, имеющие по одному не спаренному электрону, если два не спаренных электрона, то образуется бирадикал, например, молекула кислорода. При наличии двух не спаренных электронов состояние электронной оболочки обозначается как триплетное, при этом спиновый момент может принимать значения +1, 0, -1.
Для молекул кроме электронных уровней характерно наличие колебательных подуровней, которые обусловлены колебаниями отельных атомов или групп молекул. Расстояние между колебательными уровнями будет меньше, чем между электронами, в результате происходит распад электронного уровня на несколько колебательных K1, K2 и так далее. Кроме колебательной энергии молекулы обладают вращательной энергией за счет вращения атомов и части молекул по отношению к различным осям. Расстояние между вращательными подуровнями меньше колебательных. Таким образом, молекулы отличаются от атомов тем, что их электронные оболочки разделяются на большее число подуровней. Наличие большего числа подуровней определяет и более сложные электронные переходы. В атомах электроны переходят лишь с одного электронного уровня на другой, занимают энергетическое положение соответствующее данному уровню, спектры поглощения и испускания в атомах носят строго линейчатый характер. Наличие в молекулах большего числа подуровней расширяет возможности переходов электронов, что усложняет спектры поглощения и испускания, которые имеют сплошной характер.