Elämää ja kvanttifysiikkaa.

Tyypillisesti kvanttifysiikan ajatellaan liittyvän filosofisiin kysymyksiin, kuten rytiseekö kaatuva puu metsässä kun kukaan ei ole kuulemassa, tai korkeintaan tieteellisen maailmankuvan akateemisiin peruspilareihin, kuten alkeishiukkasten vuorovaikutuksiin. Hieman teknisemmin asioihin perehtyneet saattavat tietää kvanttifysiikan teknologisista sovelluksista, kuten lasereista, suprajohtavuuden sovelluksista tai puolijohteisiin perustuvista LED-komponenteista ja aurinkokennoista. Mutta kaikki fysiikka perustuu nykyään vallitsevan näkemyksen mukaan kvanttifysiikkaan. Se on myös luonnon ja elämän fysiikkaa.

Pääsiäisen aurinkoisina päivinä pohdiskeltiin, joko auringon valo riittää tuottamaan ihmiselle D-vitamiinia ja mitä tapahtuu, jos aurinko paistaa ikkunan läpi. Sitten joku kysyi, auringostako se D-vitamiini tulee, johon viisaat vastasivat, ettei tietenkään vaan ihonalaisten molekyylien kemiallisista reaktioista, ja nämä vaativat auringon ultraviolettisäteilyä tapahtuakseen.

Kevään mittaan luennoimani TTY:n ensimmäisen vuoden opiskelijoille suunnattu fysiikan kurssi päättyi lyhyeen kvanttimekaniikan johdantoon. Oppilaideni tavoitteena on valmistua diplomi-insinööreiksi, joten heitä varten valitsin esimerkit lähinnä materiaalien fysiikasta ja elektroniikasta.

Mutta jäin kurssin päätyttyä pohtimaan elämänläheisempää kvanttimekaniikkaa. Sama perusteoria sielläkin toimii. Oivalsin, että sekä D-vitamiinin tuotanto että ruskettuminen ovat varsin elämänläheistä kvanttifysiikkaa käytännössä. Kumpikin ilmiö perustuu valon ja muun sähkömagneettisen säteilyn kvantittumiseen ja elektronien aaltoluonteeseen. Oikeastaan fotosynteesin perusmekanismin kuvaaminen olisi äärimmäinen esimerkki elämän kvanttifysiikasta, ja samalla äärimmäisen monimutkainen.

Valo aaltoina ja hiukkasina.

1870-luvulla brittiläinen fyysikko James Clerk Maxwell yhdisti ja täydensi tuolloin jo varsin pitkälle edistyneet sähkön ja magnetismin teoriat yleispäteväksi ja valmiiksi klassiseksi sähkömagnetismiksi. Maxwellin tutkimukset paljastivat mm. valon ja lämpösäteilyn olevan sähkö- ja magneettikenttien aaltoliikettä – samaksi sähkömagneettiseksi säteilyksi osoittautuivat pian löydetyt radio-aallot ja röntgensäteet.

Näkyvä valo on vain kapea kaista sähkömagneettisesta kirjosta: säteilyä, jonka aallonpituus oli välillä 0.4-0.7µm (1µm = mikrometri = tuhannesosa millimetristä). Tuota välittömästi lyhyemmät aallot ovat ultraviolettisäteilyä ja pidemmät infrapunaa eli lämpösäteilyä.

Mutta jo aivan 1800-luvun lopussa törmättiin klassisen sähkömagnetismin pätevyysalueen rajoihin. Ilmenneet ongelmat johtivat yhtäällä suhteellisuusteoriaan, toisaalla kvanttifysiikkaan. Mm. absoluuttista nollaa korkeammassa lämpötilassa olevien olioiden, kuten aurinkojen, planeettojen, lamppujen, kaljujen päälakien tms. lähettämän säteilyn tehotiheyden todellisuutta vastaava kuvaus vaati säteilyn kuvaamista äärellisinä energiapaketteina eli -kvantteina. Kvanttihypoteesin keksijä Max Planck piti ideaansa vain matemaattisena trikkinä, mutta 1905 Albert Einstein osoitti, että valo ja muu sähkömagneettinen säteily todellakin käyttäytyy kuten hiukkaset, joilla on äärellinen energia.

Hiukkasmaisen säteilykvantin nimeksi annettiin fotoni, ja Einstein palkittiin ns. valosähköisen ilmiön selittämisestä Nobel-palkinnolla 1921. Mutta täsmällinen valoa ja ainetta sekä aaltoina että hiukkasina kuvaava kvanttikenttäteoria muotoutui vasta 1940-luvulla. Tästä ansiosta sai Nobel-palkinnon mm. Richard Feynman.

Valokvantin ominaisuudet kiteytyvät lyhyesti sanoen valon aallonpituuteen: fotonin energia on kääntäen verrannollinen säteilyn aallonpituuteen. Punaisen valon aallopituus on 0.7µm ja violetin 0.4µm, joten violetin valon fotonilla on energiaa 1.75-kertaisesti punaisen valon fotoniin. Ultravioletin fotoneilla on vielä suurempi energia, ja ne voivat irroittaa elektroneja atomeista ja molekyyleistä, ja siksi ne voivat aikaansaada kemiallisia reaktioita, joita itsellään ei tapahtuisi.

Elektronit käyttäytyvät atomitasolla kuten aallot.

Atomien mittakaavassa elektronien aaltoluonne on vallitseva. Atomeihin tai molekyyleihin sitoutuneet elektronit voivat värähdellä vain tietyillä aallopituuksilla. Tilannetta voi verrata seisoviin aaltoihin urkupillissä tai soittimen kielessä: kitaran kieli värähtelee perustaajuudella mutta mahdollisesti myös ns. harmonisilla ylä-äänillä. Elektronien liike-energia on verrannollinen elektronin aallopituuteen, mitä lyhyempi aalto, sitä korkeampi energia.

Atomeissa värähtelytaajuudet poikkeavat selkeästi, mutta kiinteässä aineessa elektronien mahdolliset tilat jakautuvat jatkuviksi taajuuskaistoiksi. Kuitenkin kaistojen väliin jää eräissä tapauksissa äärellinen energiaväli. Valenssitiloiksi kutsutuilla kaistoilla elektronit vertauskuvallisesti ”juuttuvat ruuhkaan” seisoviksi aalloiksi eivätkä ne voi osallistua sen paremmin sähkönjohtavuuteen, kuin kemiallisiin reaktioihinkaan. Johtavuusvöillä elektronit voivat puolestaan vapaasti kulkea etenevinä aaltoina, ja osallistuvat sähkönjohtavuuteen.

Sähköä johtavissa aineissa johtavuustilat ovat valenssitilojen välittömässä läheisyydessä, jolloin ruuhkasta on mahdollista nousta ”ohituskaistoille”. Eristeissä ja puolijohteissa elektronin siirtyminen valenssikaistalta johtavuuskaistalle vaatii tietyn minimimäärän energiaa. Yleensä eristeissä lämpösäteilyn tai näkyvän valon fotonit eivät riitä nostamaan elektronia johtavuuskaistalle, vaan siihen vaaditaan ultraviolettisäteilyn fotoni. Puolijohteissa lämpösäteily tai näkyvä valo riittää.

Elektronin kvanttihyppyä tilalta toiselle voi verrata korkeushyppääjän suoritukseen. Jos rima on korkeudessa 240 cm, urheilija ei voi yhdistää toisiinsa neljää hyppyä, joiden korkeus on 60cm; hänen on ponkaistava vähintään tuo 240cm kerralla. Aivan samoin lämpösäteilyn matalaenergisiä kvantteja yhdistämällä ei voi nostaa eristeen elektroneja johtavuuskaistalle, siihen tarvitaan ultraviolettisäteilyn energeettinen kvantti.

Miksi lasi on läpinäkyvä eriste?

Mitä on lasi? Lasi koostuu pääasiassa piin ja hapen muodostamasta atomiverkosta, jossa elektronit ovat varsin tukevasti sidottuja oman lähiatominsa ympäristöön. Lasi on eriste, ja tyypillisesti elektronin siirtyminen ruuhkaiselta valenssikaistalta joutuisalle johtavuuskaistalle vaatii sähkömagneettisen säteilyn kvantin jonka aallonpituus on korkeintaan n. 0.25-0.3 µm, siis varsin selkeästi ultraviolettisäteilyn puolella.

Ikkunan läpi tulevan säteilyn kannalta tämä tarkoittaa sitä, että pitkäaaltoisena säteilynä näkyvä valo ja lämpösäteily ovat kykenemättömiä potkaisemaan piioksidi-verkkoon sitoutuneita elektroneja liikkeelle, joten lasi on läpinäkyvää näiden aallonpituuksille. Ultravioletin puolella säteilyn energia sen sijaan menee elektronien liike-energian kasvattamiseen eikä tällainen säteily läpäise lasia. Lasin läpinäkyvyys näkyvälle valolle ja läpinäkymättömyys ultravioletille on puhtaasti kvanttifysikaalinen ilmiö ja ilmiöön liittyvät optiset riippuvuudet on laskettavissa kvanttifysiikan yhtälöistä.

Kvanttifysiikkaa iholla.

Mutta palataan ruskettumiseen ja D-vitamiinin tuottamiseen. Auringon valo osallistuu osaltaan D-vitamiinin tuottamiseen. Ihmisen ihon alla on molekyylejä nimeltään 7-dehydrocholesterol, jonka ultraviolettisäteily saa muuntumaan D-vitamiinin esiasteeksi. Näkyvä valo tähänkään ei riitä, sillä tämä valokemiallinen reaktio vaatii säteilyä, jonka aallonpituus on 0.29-0.32µm.

Ilmiön fysiikka muistuttaa hieman lasissa tapahtuvaa ultraviolettivalon absorptiota. Tyypillisesti orgaanisissa molekyyleissä elektronit ovat juuttuneet atomien välisiin sidoksiin, ja niiden nostaminen korkeampienergisille tiloille vaatii jälleen äärellisen määrän energiaan. D-vitamiinin raaka-aineena toimivan kolesterolijohdannaisen molekyylisidoksiin jämähtäneet elektronit voi nostaa vapaammalle tilalle juuri noilla ultraviolettisäteilyn fotoneilla. Elektronien virittyminen pois sidoksesta joko heikentää kemiallista sidosta tai katkaisee sen kokonaan, mikä johtaa valokemialliseen reaktioon.

Myös ruskettuminen perustuu ultravioletin valon fotonien kykyyn nostaa elektroneja molekyylin sidoksista virittyneille tiloille, jotka eivät sidoksen muodostumista mitenkään edistä. Ihmisen ihonvärin määräävä melaniini on molekyyli, joka suojaa ihosolujen kromosomien DNA-ketjuja ultraviolettisäteilyn aiheuttamilta vaurioilta. Myös sen sidoksista elektronit nousevat viritetyille tiloille absorboiden ultraviolettisäteilyn kvantteja. Elektronien saama ylimääränen energia vapautuu sitten suhteellisen vaarattomana lämpösäteilynä.

Ultraviolettisäteily puolestaan voi vaurioittaa DNA-molekyyliä joko suoraan rikkomalla sen sisäisiä sidoksia tai sitten epäsuorasti virittämällä ns. kromofori-molekyylejä. Virittyneen kromoforit saattavat joko itse reagoida DNA:n kanssa tai tuottaa DNA:ta vaurioittavia herkästi reagoivia vapaita radikaaleja.

Lopuksi

Periaatteessa myös hiilidioksidista ja vedestä happea ja glukoosia tuottava fotosynteesi perustuu valokvanttien aiheuttaman elektronien virittymiseen. Koko prosessi on varsin monimutkainen vaatien mm. klorofyllin eli lehtivihreä-molekyylin osallisuuden (oheinen kuva). Se absorboi fotonin, ja luovuttaa reaktioon vaadittavan vapaan elektronin.

Tulevassa jutussa olen suunnitellut käsitteleväni kvanttifysiikan teknisiä sovelluksia kuten lasereita, LEDejä ja aurinkokennoja. Tai vaihtoehtoisesti kertoilen, mitä maapallolle auringosta saapuvalle ja maapallon avaruuteen säteilemälle sähkömagneettiselle säteilylle kvanttifysiikan kannalta ilmakehässä tapahtuu.

Linkkejä:

Vyöteoria (hyperphysics).

Sähkömagneettisen säteilyn spektri.

SMG-säteilyn ominaisuuksia.

Tietoa D-vitamiinista.

Lehtivihreä.

Kuvat otettu jälleen Wikimedia Commonsista.

Tietoja joukonieminen

Jouko Nieminen Vuosikertaa 1962. Naimisissa oleva lapsellinen ihminen - lapset puolestaan ovat täysi-ikäisiä ihmisiä. Mielipiteiltäni vapaamielinen agnostikko, mutta elämäntavoiltani rajoittunut kaappikalvinisti. Tieteentekijä, -lukija ja -näkijä.
This entry was posted in tiede and tagged , , , , , , . Bookmark the permalink.

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s