Глава 3 квантовая биофизика

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

Для выяснения природы первичных стадий фотобиологических процессов, происходящих в биологических системах при поглощении световой энергии, необходимо иметь некоторое представление о строении атомов и молекул и их энергетических уровнях, основанное на положениях квантовой механики — науки о движении микрочастиц.

Как известно, атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. Заряд ядра определяется количеством протонов, находящихся в нем, а атомный вес ядра равен сумме количеств протонов и нейтронов. Количество электронов, вращающихся вокруг ядра, ра­вно заряду ядра, так что атом в целом электронейтра­лен.

Как было впервые установлено Н. Бором, электро­ны вращаются вокруг ядра только по определенным (дозволенным) орбитам с радиусом, определяемым энергией атома. Термин «электронная орбита», так же как и термины «электронный слой» и «электронная обо­лочка», является условным. Движение электронов в атоме описывается так называемой волновой функцией, которая позволяет только с некоторой степенью веро­ятности определять положение электронов в атоме. В связи с этим термин «орбита» означает наиболее ве­роятную область локализации электронов, а вовсе не то, что электроны движутся по определенным траекто­риям. Вращаясь по любой из дозволенных орбит, элект­рон не излучает энергии, а атом находится в стабиль­ном состоянии. Электроны, находящиеся на более уда­ленных от ядра орбитах, обладают большей энергией, чем электроны, находящиеся на более близких орби­тах. При поглощении атомом энергии электрон перехо­дит на более удаленную орбиту и атом переходит в воз­бужденное состояние. При переходе электрона с более удаленной орбиты на основную выделяется энергия в виде кванта электромагнитного излучения. Если началь­ная энергия атома была Е ₁, а конечная — после перехо-

5*                                                                                                    67

 

 

да электрона с одной орбиты на другую — Е ₂, то энер­гия ΔЕ, выделяемая или поглощаемая при переходе, будет равна:

(1)

где h = 6,62-10~²⁷ эрг•с; v — частота излучаемого или поглощаемого кванта.

Учитывая, что частота излучения связана со скоро­стью света с и длиной волны λизлучения соотношением λ = с/ v, можно записать:

(2)

Электронная энергия атома, а также энергия излу­чения и поглощения имеют квантовый характер: они могут принимать не любые значения, а только опреде­ленный ряд дискретных значений, определяемых нали­чием дозволенных орбит электронов.                      

Экспериментально

__                                это проявляется в том, что атом-

                                           ные спектры излучения и погло-

                                           щения состоят из отдельных ли-

    -----------------       ний, соответствующих (переходам

                                         электронов с одного дозволенно-

                                           го уровня на другой.

  ______________       Из всех возможных положений

_______________       в атоме электрон занимает

положение с минимальной энер-гией. Такое состояние электрона

   ________________       в атоме называется основным, а

                                       уровень энергии, на котором

__________________ в данном случае находится элект-
 ____________________  рон, называется основным уров­-
 ____________________  нем энергии.

                                       Химические свойства элемен-

  тов определяются строением их в наружном электронном слое,

 определяет группу, в которой на-       ходится элемент в периодической

                                       системе. Часть электронов,  нахо-

                    дящихся во внешнем электрон-
                         ном слое атомов, являются спа-

68

 

ренными, а часть — неспаренными (за исключением атомов инертных газов). Спаренные электроны находятся на одной орбите и имеют антипараллельные спины (рис. 8). Неспаренные электроны — это одиночные электроны на орбитах. При образовании молекул химическая связь возникает в основном благодаря взаимодействию неспаренных электронов двух атомов.

В большинстве случаев все электроны в молекуле спарены и их суммарный спиновой момент равен нулю. Такое состояние электронных оболочек называется синглетным. Если молекула или часть молекулы имеет один неспаренный электрон, то такое соединение назы­вается монорадикалом. Примерами монорадикалов могут быть ОН (свободный гидроксил), СН₃ (свободный метил) и др. Точкой обычно обозначают наличие неспаренного электрона. В некоторых случаях соединение мо­жет иметь два неспаренных электрона. Тогда оно на­зывается бирадикалом. В этом случае суммарный спи­новый момент может принимать одно из трех значе­ний: + 1, 0, —1, и такое состояние электронной оболоч­ки называется триплетным. Простейшим веществом, основное состояние которого бирадикально, является, например, кислород; его молекула обладает двумя неспаренными электронами: О—О.

Свободные радикалы могут быть нейтральными и заряженными; в последнем случае они называются ионрадикалами.

Кроме электронной энергии, молекулы обладают колебательной и вращательной энергией, относящейся к тепловой энергии. Колебательная энергия молекул обусловлена колебаниями отдельных атомов или групп ато­мов внутри молекулы. Вращательная энергия молекул обусловлена вращением молекул вокруг каких-либо осей.

Согласно представлениям классической физики, энергия колебательного и вращательного движения молекул может изменяться непрерывно. Однако, как бы­ло установлено впоследствии, колебательная и враща­тельная энергия молекул, так же как и электронная энергия, имеет квантовый характер, т. е. изменяется дискретно. Расстояния между колебательными уровня­ми энергии молекулы гораздо меньше, чем расстояния между электронными уровнями. Поэтому каждый элек-

69

 

тронный уровень молекулы распа­дается на ряд колебательных уровней или подуровней (рис. 9). В свою очередь каждому ко­лебательному уровню молекулы соответствует ряд вращательных подуровней, расстояние между которыми еще меньше, чем меж­ду колебательными уровнями.

При поглощении и испуска­нии энергии молекула переходит с одного энергетического уровня на другой. Переход молекул на более высокий вращательный или колебательный уровень воз­можен в результате поглощения молекулой квантов инфракрасно­го излучения, а также при воз­буждении молекул термическим путем. Как и атом, молекула может поглотить фотон только в том случае, если его энергия в точности равна разности между энергетическими уровнями моле­кулы.

Колебательные уровни сложных молекул зависят от их конформации — пространственной структуры. При изменении конформации молекул колебательные уровни изменяют свое положение.

В соответствии с этим изменяется и спектр инфракрасного поглощения. Например, белок в

β-конформации и в α-спиральной конформации имеет разные полосы поглощения, что лежит в основе применения метода ин­фракрасной спектроскопии для определения конформации макромолекул.

Расстояния между электронными энергетическими уровнями значительно больше, чем между колебательными и вращательными уровнями. В соответствии с этим перевести молекулу на более высокий электрон­ный уровень могут лишь фотоны, принадлежащие ви­димой или ультрафиолетовой областям спектра. Чисто электронных переходов не существует. Переходы между электронными уровнями, как правило, сопровождают­ся одновременным изменением колебательного и вра-

70

 

щательного состояний молекулы. В результате того что электронные уровни молекул распадаются на колеба­тельные и вращательные подуровни, количество воз­можных энергетических переходов молекул значитель­но возрастает по сравнению с атомами. Это приводит к значительному усложнению молекулярных спектров поглощения и излучения, которые в отличие от атом­ных спектров имеют не линейчатый, а сплошной ха­рактер.