Ποια είναι η χημική επίδραση του φωτός;

2024 Συγγραφέας: Angel Austin | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-02 17:44

Σήμερα θα σας πούμε ποια είναι η χημική επίδραση του φωτός, πώς εφαρμόζεται αυτό το φαινόμενο τώρα και ποια είναι η ιστορία της ανακάλυψής του.

Φως και σκοτάδι

Όλη η λογοτεχνία (από τη Βίβλο έως τη σύγχρονη μυθοπλασία) εκμεταλλεύεται αυτά τα δύο αντίθετα. Επιπλέον, το φως συμβολίζει πάντα μια καλή αρχή και το σκοτάδι - κακό και κακό. Εάν δεν πάτε στη μεταφυσική και δεν κατανοήσετε την ουσία του φαινομένου, τότε η βάση της αιώνιας αντιπαράθεσης είναι ο φόβος του σκότους, ή μάλλον, η απουσία φωτός.

Το ανθρώπινο μάτι και το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Το ανθρώπινο μάτι είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε οι άνθρωποι να αντιλαμβάνονται ηλεκτρομαγνητικές δονήσεις συγκεκριμένου μήκους κύματος. Το μεγαλύτερο μήκος κύματος ανήκει στο κόκκινο φως (λ=380 νανόμετρα), το μικρότερο - βιολετί (λ=780 νανόμετρα). Το πλήρες φάσμα των ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων είναι πολύ ευρύτερο και το ορατό τμήμα του καταλαμβάνει μόνο ένα μικρό μέρος. Ένα άτομο αντιλαμβάνεται δονήσεις υπερύθρων με ένα άλλο αισθητήριο όργανο - το δέρμα. Αυτό το μέρος του φάσματος οι άνθρωποι το γνωρίζουν ως θερμότητα. Κάποιος μπορεί να δει λίγο υπεριώδες (σκεφτείτε τον κύριο χαρακτήρα της ταινίας "Planet Ka-Pax").

Κύριο κανάλιπληροφορία για ένα άτομο είναι το μάτι. Επομένως, οι άνθρωποι χάνουν την ικανότητα να αξιολογούν τι συμβαίνει γύρω όταν το ορατό φως εξαφανίζεται μετά τη δύση του ηλίου. Το σκοτεινό δάσος γίνεται ανεξέλεγκτο, επικίνδυνο. Και όπου υπάρχει κίνδυνος υπάρχει και ο φόβος να έρθει κάποιος άγνωστος και να «τσιμπήσει το βαρέλι». Τα τρομακτικά και κακά πλάσματα ζουν στο σκοτάδι, αλλά τα ευγενικά και κατανοητά πλάσματα ζουν στο φως.

Κλίμακα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Μέρος πρώτο: Χαμηλές ενέργειες

Όταν εξετάζουμε τη χημική δράση του φωτός, η φυσική σημαίνει το κανονικά ορατό φάσμα.

Για να καταλάβετε τι είναι γενικά το φως, θα πρέπει πρώτα να μιλήσετε για όλες τις πιθανές επιλογές για ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις:

1. Ραδιοκύματα. Το μήκος κύματός τους είναι τόσο μεγάλο που μπορούν να γυρίσουν τη Γη. Ανακλώνται από το ιοντικό στρώμα του πλανήτη και μεταφέρουν πληροφορίες στους ανθρώπους. Η συχνότητά τους είναι 300 gigahertz ή λιγότερο και το μήκος κύματος είναι από 1 χιλιοστό ή περισσότερο (στο μέλλον - έως το άπειρο).
2. Υπέρυθρη ακτινοβολία. Όπως είπαμε παραπάνω, ένα άτομο αντιλαμβάνεται το υπέρυθρο φάσμα ως θερμότητα. Το μήκος κύματος αυτού του τμήματος του φάσματος είναι υψηλότερο από αυτό του ορατού - από 1 χιλιοστό έως 780 νανόμετρα και η συχνότητα είναι χαμηλότερη - από 300 έως 429 terahertz.
3. Ορατό φάσμα. Εκείνο το μέρος της όλης ζυγαριάς που αντιλαμβάνεται το ανθρώπινο μάτι. Μήκος κύματος από 380 έως 780 νανόμετρα, συχνότητα από 429 έως 750 terahertz.

Κλίμακα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Μέρος δεύτερο: Υψηλές ενέργειες

Τα κύματα που αναφέρονται παρακάτω έχουν διπλή σημασία: είναι θανατηφόραεπικίνδυνο για τη ζωή, αλλά ταυτόχρονα, χωρίς αυτά, η βιολογική ύπαρξη δεν θα μπορούσε να προκύψει.

1. UV ακτινοβολία. Η ενέργεια αυτών των φωτονίων είναι υψηλότερη από αυτή των ορατών. Προμηθεύονται από το κεντρικό μας φωτιστικό, τον Ήλιο. Και τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας είναι τα εξής: μήκος κύματος από 10 έως 380 νανόμετρα, συχνότητα από 310¹⁴ έως 310^{16 Hertz.}
2. Ακτινογραφίες. Όποιος έχει σπασμένα κόκαλα είναι εξοικειωμένος με αυτά. Αλλά αυτά τα κύματα χρησιμοποιούνται όχι μόνο στην ιατρική. Και τα ηλεκτρόνια τους ακτινοβολούν με υψηλή ταχύτητα, η οποία επιβραδύνει σε ένα ισχυρό πεδίο, ή βαριά άτομα, στα οποία ένα ηλεκτρόνιο έχει αποσπαστεί από το εσωτερικό κέλυφος. Μήκος κύματος από 5 πικόμετρα έως 10 νανόμετρα, η συχνότητα κυμαίνεται μεταξύ 310¹⁶-610^{19 Hertz.}
3. Ακτινοβολία γάμμα. Η ενέργεια αυτών των κυμάτων συχνά συμπίπτει με αυτή των ακτίνων Χ. Το φάσμα τους επικαλύπτεται σημαντικά, μόνο η πηγή προέλευσης διαφέρει. Οι ακτίνες γάμμα παράγονται μόνο με πυρηνικές ραδιενεργές διεργασίες. Όμως, σε αντίθεση με τις ακτίνες Χ, η ακτινοβολία γ είναι ικανή για υψηλότερες ενέργειες.

Έχουμε δώσει τα κύρια τμήματα της κλίμακας των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Κάθε μία από τις σειρές χωρίζεται σε μικρότερα τμήματα. Για παράδειγμα, συχνά ακούγονται «σκληρές ακτίνες Χ» ή «υπεριώδεις ακτίνες κενού». Αλλά αυτή η ίδια η διαίρεση είναι υπό όρους: είναι μάλλον δύσκολο να προσδιοριστεί πού βρίσκονται τα όρια ενός και η αρχή ενός άλλου φάσματος.

Φως και μνήμη

Όπως έχουμε ήδη πει, ο ανθρώπινος εγκέφαλος λαμβάνει την κύρια ροή πληροφοριών μέσω της όρασης. Πώς όμως γλιτώνεις σημαντικές στιγμές; Πριν από την εφεύρεση της φωτογραφίας (η χημική δράση του φωτός εμπλέκεται σε αυτόδιαδικασία απευθείας), θα μπορούσε κανείς να γράψει τις εντυπώσεις του σε ένα ημερολόγιο ή να καλέσει έναν καλλιτέχνη να ζωγραφίσει ένα πορτρέτο ή μια εικόνα. Ο πρώτος τρόπος αμαρτάνει την υποκειμενικότητα, ο δεύτερος - δεν μπορούν όλοι να το αντέξουν οικονομικά.

Όπως πάντα, η τύχη βοήθησε να βρεθεί μια εναλλακτική στη λογοτεχνία και τη ζωγραφική. Η ικανότητα του νιτρικού αργύρου (AgNO_{3) να σκουραίνει στον αέρα είναι γνωστή εδώ και πολύ καιρό. Με βάση αυτό το γεγονός, κατασκευάστηκε μια φωτογραφία. Η χημική επίδραση του φωτός είναι ότι η ενέργεια των φωτονίων συμβάλλει στο διαχωρισμό του καθαρού αργύρου από το άλας του. Η αντίδραση δεν είναι σε καμία περίπτωση καθαρά φυσική.}

Το 1725, ο Γερμανός φυσικός I. G. Schultz αναμείχθηκε κατά λάθος νιτρικό οξύ, στο οποίο διαλύθηκε το ασήμι, με κιμωλία. Και μετά παρατήρησα επίσης κατά λάθος ότι το φως του ήλιου σκουραίνει το μείγμα.

Ακολούθησε ένας αριθμός εφευρέσεων. Οι φωτογραφίες εκτυπώθηκαν σε χαλκό, χαρτί, γυαλί και τέλος σε πλαστική μεμβράνη.

Τα πειράματα του Λεμπέντεφ

Είπαμε παραπάνω ότι η πρακτική ανάγκη αποθήκευσης εικόνων οδήγησε σε πειράματα και αργότερα σε θεωρητικές ανακαλύψεις. Μερικές φορές συμβαίνει το αντίστροφο: ένα ήδη υπολογισμένο γεγονός πρέπει να επιβεβαιωθεί με πείραμα. Το γεγονός ότι τα φωτόνια του φωτός δεν είναι μόνο κύματα, αλλά και σωματίδια, μαντεύουν οι επιστήμονες.

Ο Lebedev κατασκεύασε μια συσκευή βασισμένη σε ζυγούς στρέψης. Όταν έπεσε φως στις πλάκες, το βέλος παρέκκλινε από τη θέση «0». Έτσι αποδείχθηκε ότι τα φωτόνια μεταδίδουν ορμή στις επιφάνειες, πράγμα που σημαίνει ότι ασκούν πίεση σε αυτές. Και η χημική δράση του φωτός έχει πολύ να κάνει με αυτήν.

Όπως έδειξε ήδη ο Αϊνστάιν, η μάζα και η ενέργεια είναι ένα και το αυτό. Κατά συνέπεια, το φωτόνιο, «διαλυόμενο» στην ουσία, της δίνει την ουσία του. Το σώμα μπορεί να χρησιμοποιήσει τη λαμβανόμενη ενέργεια με διαφορετικούς τρόπους, μεταξύ άλλων για χημικούς μετασχηματισμούς.

Βραβείο Νόμπελ και ηλεκτρόνια

Ο ήδη αναφερόμενος επιστήμονας Άλμπερτ Αϊνστάιν είναι γνωστός για την ειδική θεωρία της σχετικότητας, τον τύπο E=mc2 και την απόδειξη των σχετικιστικών επιδράσεων. Αλλά έλαβε το κύριο βραβείο της επιστήμης όχι για αυτό, αλλά για μια άλλη πολύ ενδιαφέρουσα ανακάλυψη. Ο Αϊνστάιν απέδειξε σε μια σειρά πειραμάτων ότι το φως μπορεί να «βγάλει» ένα ηλεκτρόνιο από την επιφάνεια ενός φωτισμένου σώματος. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Λίγο αργότερα, ο ίδιος Αϊνστάιν ανακάλυψε ότι υπάρχει και ένα εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο: όταν ένα ηλεκτρόνιο υπό την επίδραση του φωτός δεν φεύγει από το σώμα, αλλά ανακατανέμεται, περνά στη ζώνη αγωγιμότητας. Και η φωτισμένη ουσία αλλάζει την ιδιότητα της αγωγιμότητας!

Τα πεδία στα οποία εφαρμόζεται αυτό το φαινόμενο είναι πολλά: από καθοδικούς λαμπτήρες έως «ένταξη» στο δίκτυο ημιαγωγών. Η ζωή μας στη σύγχρονη μορφή της θα ήταν αδύνατη χωρίς τη χρήση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Η χημική επίδραση του φωτός επιβεβαιώνει μόνο ότι η ενέργεια ενός φωτονίου στην ύλη μπορεί να μετατραπεί σε διάφορες μορφές.

Τρύπες του όζοντος και λευκές κηλίδες

Λίγο πιο πάνω είπαμε ότι όταν συμβαίνουν χημικές αντιδράσεις υπό την επίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, υπονοείται το οπτικό εύρος. Το παράδειγμα που θέλουμε να δώσουμε τώρα είναι λίγο πιο πέρα από αυτό.

Πρόσφατα, επιστήμονες σε όλο τον κόσμο έκρουσαν τον κώδωνα του κινδύνου: πάνω από την Ανταρκτικήη τρύπα του όζοντος κρέμεται, επεκτείνεται συνεχώς, και αυτό σίγουρα θα τελειώσει άσχημα για τη Γη. Αλλά στη συνέχεια αποδείχθηκε ότι όλα δεν είναι τόσο τρομακτικά. Πρώτον, το στρώμα του όζοντος πάνω από την έκτη ήπειρο είναι απλώς πιο λεπτό από αλλού. Δεύτερον, οι διακυμάνσεις στο μέγεθος αυτού του σημείου δεν εξαρτώνται από την ανθρώπινη δραστηριότητα, καθορίζονται από την ένταση του ηλιακού φωτός.

Αλλά από πού προέρχεται το όζον; Και αυτή είναι απλώς μια ελαφροχημική αντίδραση. Το υπεριώδες που εκπέμπει ο ήλιος συναντά το οξυγόνο στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Υπάρχει πολλή υπεριώδης ακτινοβολία, λίγο οξυγόνο, και σπανίζεται. Πάνω μόνο ανοιχτός χώρος και κενό. Και η ενέργεια της υπεριώδους ακτινοβολίας είναι ικανή να σπάσει τα σταθερά μόρια O₂ σε δύο ατομικά οξυγόνα. Και τότε το επόμενο κβάντο υπεριώδους ακτινοβολίας συμβάλλει στη δημιουργία της σύνδεσης O_{3. Αυτό είναι όζον.}

Το αέριο όζον είναι θανατηφόρο για όλα τα ζωντανά όντα. Είναι πολύ αποτελεσματικό στη θανάτωση βακτηρίων και ιών που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο. Μια μικρή συγκέντρωση αερίου στην ατμόσφαιρα δεν είναι επιβλαβής, αλλά απαγορεύεται η εισπνοή καθαρού όζοντος.

Και αυτό το αέριο απορροφά πολύ αποτελεσματικά τα υπεριώδη κβάντα. Επομένως, το στρώμα του όζοντος είναι τόσο σημαντικό: προστατεύει τους κατοίκους της επιφάνειας του πλανήτη από την περίσσεια ακτινοβολίας που μπορεί να αποστειρώσει ή να σκοτώσει όλους τους βιολογικούς οργανισμούς. Ελπίζουμε ότι τώρα είναι σαφές ποια είναι η χημική επίδραση του φωτός.