İşığın təsiri. Lebedev təcrübəsi

İşığın təsiri.Lebedev təcrübəsi
Fotokimya hadisələri, yəni işığın təsiri altında baş verən kimyəvi reaksiyalar da işığın foton nəzəriyyəsinə əsaslanmaqla izah oluna bilər. Doğrudan da, reaksiya işığın müəyyən minimum tezliyində baş verir və reaksiyanın baş verməsi üçün molekul həmin tezlikli enerji kvantını (fotonu) udmalıdır. İşığın təsiri ilə kimyəvi çevrilmələr hələ XVIII əsrdə məlum idi və o vaxtdan etibarən sistematik olaraq elmi baxımdan tədqiq edilir. Fotokimyəvi çevrilmələr çox müxtəlifdir. Məsələn, işığın təsiri nəticəsində maddənin polimerləşməsi, yəni ilkin məhsulun molekul və ya atomlarından təşkil olunmuş iri kompleks molekulların əmələ gəlməsi mümkündür. Buna misal olaraq işığın təsiri altında sarı rəngli fosforun qırmızı fosfora çevrilməsini göstərmək olar. Fosforun qırmızı modifikasiyası sarı fosfordan bir sıra fiziki və kimyəvi xassələrinə görə fərqlənir. Sarı fosforu qısa dalğa uzunluğuna malik olan işıqla uzun müddət işıqlandırdıqda o, qırmızı fosfora çevrilir. Maraqlıdır ki, fosforun polimerləşməsini işığın təsiri olmadan, məsələn, qızdırmaq yolu ilə və ya müəyyən kimyəvi reaksiyalar nəticəsində də almaq olar. İşığın təsiri ilə, polimerləşmənin əksinə olaraq, mürəkkəb molekulların öz tərkib hissələrinə ayrılması da müşahidə olunur. Məsələn, ammonyakın (NH3) azot və hidrogenə, gümüş bromidin (AgBr) gümüş və broma ayrılması işığın təsiri ilə baş verə bilər. Bundan başqa işığın təsiri ilə mürəkkəb molekulların yaranması da baş verir. Məsələn, xlor və hidrogen qazlarının (Cl2 və H2) qarışığını işıqlandırdıqda partlayışla müşayiət olunan dərəcədə sürətlə gedən reaksiya nəticəsində hidrogen xlorid (HCl) molekulunun yaranmasını buna misal göstərmək olar. Fotokimyəvi reaksiyalardakı elementar proses, maddənin molekulu tərəfindən düşən işıq fotonunun udulmasından və işığı udmuş molekulun kimyəvi çevrilməsindən ibarət olur. Fotokimyəvi proseslər zamanı ən fəal olan qısa dalğalı göy, bənövşəyi şüalardır. Bunun də səbəbi aydındır: Həmin şüaların fotonlarının enerjisi daha çoxdur. Bir çox fotokimyəvi reaksiyalar təbiətdə və texnikada çox mühüm rol oynayır. Bitkilərin yaşıl hissəsində işığın təsiri altında karbon turşusunun fotokimyəvi parçalanması daha mühüm əhəmiyyət kəsb edir. Bu reaksiya Yer planetində üzvi həyatın uzun müddət mövcud olmasının əsas səbəblərindən olan prosesi, yəni karbonun dövr etməsi prosesini təmin etdiyi üçün çox böyük əhəmiyyət kəsb edir. Heyvanların və bitkilərin tənəffüsü nəticəsində fasiləsiz olaraq karbonun oksidləşməsi baş verir, yəni CO2 qazı yaranır. Karbonun ayrılması və onun orqanizm tərəfindən mənimsənilməsi üçün yararlı formaya çevrilməsi kimi tərs proseslər isə fotokimyəvi proseslərdir. İşığın təsiri ilə ali bitkilərdə və təkhüceyrəli orqanizmlərdə karbon turşusu aşağıdakı sxem üzrə əmələ gəlir:
2H2O + CO2 + mhν → CH2O +H2O + O2 (17.1)
sonra isə CH2O qarışqa aldehidi polimerləşərək n(CH2O) → CnH2nOn molekullarının, yəni karbohidratların yaranmasına səbəb olur. Karbohidratlara bir sıra şəkərlər də aiddir ki, onlar sonrakı çevrilmələrdə nişasta və bitki toxumalarını təşkil edən digər mühüm birləşmələr verə bilər. Bu növ fotosintez mürəkkəb molekulyar komplekslərdə baş verir və bir sıra ardıcıl, lakin hələlik tam aydın olmayan proseslərdən ibarətdir. İşığın bilavasitə iştirak etdiyi ilkin proses (fotosintezin işıq mərhələsi) fotonun piqmentlərdə (xlorofil və s.) udulmasından ibarətdir. Həyəcanlanma enerjisi molekulyar zəncir boyunca yayılaraq (eksitonlar) bir sıra kimyəvi reaksiyaların baş verməsinə səbəb olur (fotosintezin qaranlıq mərhələsi). CO2 molekulunun parçalanma enerjisi 110 kkal/mol (yəni, hər molekul üçün 5 eV) olduğundan bir dənə CH2O molekulunun fotosintezi üçün dalğa uzunluğu 700 nm olan ən azı üç dənə foton tələb olunur ki, bu da xlorofilin maksimal udmasına uyğun gəlir. Beləliklə, aydın olur ki, fotosintez doğrudan da çoxpilləli prosesdir. Həqiqətdə isə udulan fotonların sayı daha çox və bəzi hallarda səkkizdən də artıq olur. Bir sıra bitkilərdə digər fotokimyəvi reaksiyalar baş verir. Məsələn, bəzi bakteriyalar üçün oksigen zəhərləyici təsir göstərdiyindən su əvəzinə aşağıdakı sxem üzrə hidrogen sulfid (H2S) istifadə olunur:
2H2S + CO2 + mhν → CH2O + H2O + 2S (17.2)
Bu reaksiya nəticəsində qarışqa aldehidi və kükürd ayrılır. Azotun fotokimyəvi ayrılması da təbiətdə böyük rol oynayır.
. Bir çox alimlər isə hətta işıq təzyiqinin təcrübədə aşkara çıxarılması imkanına, sadəcə olaraq, inanmırdılar. Lakin rus fiziki P. N. Lebedev qarşıya çıxan böyük çətinlikləri aradan qaldırmaq üçün çox həssas və mürəkkəb təcrübələrlə işığın təzyiqə malik olmasını müşahidə etmiş və ölçə bilmişdi. O, əvvəlcə 1899-cu ildə işığın bərk cisimlərə, sonra isə 1909-cu ildə qazlara göstərdiyi təzyiqi ölçmüşdü. Lebedev öz işləri haqqında ilk dəfə 1899-cu ildə İsveçrədə keçirilən qurultayda məlumat vermiş, 1900-cu ildə isə Parisdə fiziklərin konqresində ətraflı məruzə etmişdir. İşığın təzyiqinə aid Lebedevin işlərinin geniş icmalı V. A. Fabrikant tərəfindən hazırlanmış və çap edilmişdir (UFN, 42, vıp.2, 1950). Qeyd edək ki, P. N. Lebedevin təcrübə aparmaq üçün yaratdığı qurğu və onun apardığı təcrübələr o dövr üçün fiziki eksperiment incəsənətinin parlaq bir nümunəsi idi. İşığın bərk cismə etdiyi təzyiqi müşahidə etmək və ölçmək üçün Lebedevin istifadə etdiyi qurğuda elektrik qövsündən çıxan işıq bir sıra linza və güzgülər sistemindən keçərək burma tərəzisinin yüngül diski üzərinə düşür. Bu disk daxilindən havası çıxarılmış şüşə balonun içində nazik teldən asılmışdır. İşığın təsiri nəticəsində burma tərəzisinin döndüyü bucağın qiymətini bilərək, işığın təzyiqini təcrübədə hesablamaq olar. Lebedevin təcrübələrində işıq enerjisinin bilavasitə mexaniki enerjiyə çevrilməsi də mühüm əhəmiyyət kəsb edən bir faktdır. İşığın bərk cismə təzyiqini təcrübədə təyin edərkən Lebedev bir çox çətinlikləri aradan qaldırmalı olmuşdu ki, bunların da içərisində qazın konveksiyası nəticəsində yaranan təsiri və radiometrik təsiri xüsusi qeyd etmək lazımdır. Çünki bu təsirlər işığın təzyiqindən yüz min dəfələrlə böyükdür. Nazik teldən asılmış yüngül disklərin üzərinə işıq düşərkən onun təzyiqindən əlavə radiometrik qüvvə adlanan bir qüvvə də meydana çıxır ki, onun da qiyməti, qeyd edildiyi kimi, işığın təzyiq qüvvəsindən təqribən tərtib böyükdür. Seyrəlmiş qazda radiometrik təsirin əmələ gəlməsinin səbəbi diskin işığa tərəf olan səthinin işıq düşməyən 106 arxa tərəfdəki səthə (qaranlıq səthə) nisbətən çox qızmasıdır. Balonda qalmış qaz molekulları diskin qızmış tərəfindən daha böyük sürətlə əks olunur ki, bunun da nəticəsində disk "təpməyə" məruz qalır. Özü də bu təpmə işıqlanan qızmış tərəfdə, soyuq olub işıqlanmayan tərəfə nisbətən böyük olur. Külli miqdarda molekulların zərbələri nəticəsində, ölçmək istədiyimiz işığın təzyiq qüvvəsinin yönəldiyi tərəfə yönəlmiş olan əvəzləyici təpmə qüvvəsi yaranır. Lebedev işığın radiometrik təsirini nəzərə almaqla yanaşı, bu təsirin azaldılması üsullarını da axtarıb tapmışdı. O, müəyyən etmişdi ki, balonda qaz seyrəkləşdikcə və səthlərin temperatur fərqini azaltmaq üçün diskləri çox nazik götürdükcə radiometrik təsir azalır. Bununla əlaqədar olaraq o vaxt üçün çətin problemlərdən biri olan yüksək vakuumun alınması məsələsi meydana çıxdı ki, Lebedev bu məsələni də müvəffəqiyyətlə həll etdi.